整孔預(yù)制箱梁超高漸變段優(yōu)化解決方案

張帥鋒

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，跨海大橋建設(shè)迎來(lái)了建設(shè)高峰期。海上常規(guī)結(jié)構(gòu)選擇時(shí)，一般以橋梁工業(yè)化制造，綠色快速施工為核心，以標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、預(yù)制裝配化、機(jī)械化為指導(dǎo)原則，最大限度地變海上施工為陸上施工，以提高工效和工程質(zhì)量，降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)和工程造價(jià)。可選的結(jié)構(gòu)形式一般有整孔預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、預(yù)制T梁和預(yù)制小箱梁。預(yù)制小箱梁腹板較薄，且為斜腹板，在預(yù)應(yīng)力張拉及運(yùn)營(yíng)階段，極易發(fā)生腹板開(kāi)裂病害，小箱梁內(nèi)部空間狹小，難以檢修，一旦發(fā)生病害，幾乎不可補(bǔ)強(qiáng)。T梁的結(jié)構(gòu)整體性差，安裝工期較長(zhǎng)，接頭較多，因而結(jié)構(gòu)耐久性差，并且美觀較差；整孔預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，結(jié)構(gòu)受力整體性好，便于機(jī)械化施工，運(yùn)營(yíng)期間便于養(yǎng)護(hù)，同時(shí)箱梁外露面積較小，結(jié)構(gòu)耐久性較好。海域橋梁上部結(jié)構(gòu)一般優(yōu)先采用整孔預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。

整孔預(yù)制箱梁橫橋向?qū)挾容^大。當(dāng)其布設(shè)于路線(xiàn)超高漸變段處時(shí)，需要采取措施滿(mǎn)足超高漸變的要求。當(dāng)寬度為16.3m跨徑為50m時(shí)，按照一孔超高變化1%計(jì)算，一孔內(nèi)頂板需調(diào)整超高漸變影響高度達(dá)16.3cm，此時(shí)通過(guò)鋪裝調(diào)整已難以滿(mǎn)足相關(guān)要求。習(xí)慣做法單獨(dú)制作多套模板，通過(guò)箱梁結(jié)構(gòu)的頂板坡度以適應(yīng)道路超高漸變需求，而位于超高漸變段處箱梁數(shù)量較少，周轉(zhuǎn)率不高，導(dǎo)致了整孔預(yù)制箱梁模板費(fèi)用較高的問(wèn)題。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采取必要的工程措施，減少整孔預(yù)制箱梁模板規(guī)格，對(duì)節(jié)約工程造價(jià)有著顯著的效益。

2 箱梁設(shè)計(jì)情況

某項(xiàng)目海上預(yù)制箱梁，采用整孔預(yù)制，梁上運(yùn)梁施工方案。預(yù)制箱梁采用等高度單箱單室斜腹板斷面型式。箱梁底板水平設(shè)置，通過(guò)兩側(cè)腹板高度不同形成橋面橫坡。50m跨箱梁中心線(xiàn)處梁高3.2m，高跨比1/15.625。箱梁梁寬16.30m，翼板末端10cm采用后澆，待主梁施工完成后與護(hù)欄一起澆筑。箱梁翼緣懸臂長(zhǎng)度4m，懸臂端厚度20cm，懸臂根部厚度60cm。箱梁頂板厚度28cm，在支點(diǎn)附近頂板厚度增加至60cm；跨中底板厚27cm，在墩頂附近增加至60cm；跨中腹板厚50cm，支點(diǎn)附近腹板增加至70cm、110cm。箱梁跨中斷面見(jiàn)圖1。為方便箱梁整孔預(yù)制內(nèi)膜脫模需要，預(yù)制箱梁在中墩側(cè)未設(shè)橫隔板，在過(guò)渡墩側(cè)設(shè)一道80cm厚橫隔板。

橋梁曲線(xiàn)段存在超高，橋面橫坡由-2%變化到+2%均勻漸變，過(guò)渡段長(zhǎng)度100m；2%變化至3%，過(guò)渡段長(zhǎng)度50m。為了減少超高段預(yù)制梁模板的種類(lèi)，原設(shè)計(jì)預(yù)制箱梁采用底板水平，兩側(cè)腹板斜率與橫坡2%斷面保持一致；頂板橫坡由頂板及懸臂繞頂板頂面中點(diǎn)(箱梁中心線(xiàn)與頂板交點(diǎn))旋轉(zhuǎn)方式形成。這種方式充分利用了箱梁外側(cè)模板，但內(nèi)腔模板樣式較多，且沿橋梁縱向變化較多。

3 優(yōu)化方案

預(yù)制箱梁模板多樣的主要原因在于頂板坡度的變化。參照鋼混組合梁結(jié)構(gòu)橋面板施工，采用頂板與腹板底板分離，分階段施工，將整體式內(nèi)膜調(diào)整為內(nèi)膜加頂板模板的方式，可減少預(yù)制箱梁模板的種類(lèi)。箱梁分段示意如圖2所示。

圖1 箱梁跨中斷面示意圖

圖2 箱梁分段示意圖

3.1 方案一：預(yù)制場(chǎng)預(yù)制U型槽+預(yù)制場(chǎng)現(xiàn)澆頂板方案

在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)先預(yù)制箱梁U型槽，待U型槽混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆除模板。繼而現(xiàn)澆箱梁頂板混凝土，箱梁頂板混凝土達(dá)到強(qiáng)度后張拉預(yù)制箱梁所有鋼束。

由于采用全現(xiàn)混凝土橋面板，其整體性好，容易滿(mǎn)足各種橋面的截面要求[1]，但也存在如下問(wèn)題：

(1)箱梁頂板與U型槽兩部分混凝土間存在齡期差異，因此將導(dǎo)致混凝土收縮徐變不協(xié)調(diào)。經(jīng)計(jì)算分析，將使預(yù)制箱梁底緣增加約1.5MPa壓應(yīng)力，頂緣增加約0.7MPa拉應(yīng)力，因而需進(jìn)一步加強(qiáng)頂板鋼束配置。

(2)箱梁分兩步進(jìn)行預(yù)制，增加了工廠內(nèi)預(yù)制時(shí)間，降低了模板周轉(zhuǎn)效率，從而延長(zhǎng)了施工工期。

(3)頂板與U型槽存在施工冷縫，為受力薄弱點(diǎn)，因此需要采取如增設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力等特殊工藝進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.2 方案二：預(yù)制場(chǎng)預(yù)制U型槽+預(yù)制場(chǎng)預(yù)制頂板方案

為減小預(yù)制箱梁與橋面板之間的齡期差異，降低混凝土收縮徐變引起的附加應(yīng)力，同時(shí)避免在箱梁內(nèi)設(shè)置橋面板頂板模板，可采用預(yù)制橋面板結(jié)構(gòu)[2]。

具體施工流程為：在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)分別施工預(yù)制箱梁U型槽、箱梁頂板混凝土，待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行拼接，拼接完成后再?gòu)埨淞核袖撌?/p>

采用此種優(yōu)化方案，存在如下問(wèn)題：

(1)頂板與U型槽間接縫更為薄弱。預(yù)制頂板分段預(yù)留槽口，通過(guò)抗剪連接件與U型槽連接。需要采取高強(qiáng)砂漿及豎向預(yù)應(yīng)力等工藝來(lái)進(jìn)行加強(qiáng)處理，同時(shí)也需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

(2)橋面板整體性和抗裂性較差。由于槽口是預(yù)制橋面板受力的薄弱環(huán)節(jié)，為保證其受力性能，需要在預(yù)制板端預(yù)留槽口并在抗剪連接件位置處對(duì)齊，槽口內(nèi)需附加構(gòu)造鋼筋。由于對(duì)預(yù)制板制作工藝的要求較高，且整體性和抗裂性也不易保證。

(3)施工精度要求高，施工難度大。頂板多處位置需要對(duì)應(yīng)U型槽抗剪連接件處設(shè)置槽口，見(jiàn)圖3，同時(shí)橋面板鋼筋需要避開(kāi)抗剪連接件且需保持連續(xù)，其對(duì)施工精度要求極高，根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)施工中難度極大。

3.3 方案三：預(yù)制場(chǎng)預(yù)制U型槽+橋上現(xiàn)澆頂板方案

在預(yù)制場(chǎng)先預(yù)制箱梁U型槽，待U型槽混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，張拉部分腹板底板鋼束，吊裝至橋上再現(xiàn)澆橋面板混凝土。施工流程如圖4、圖5。

如按原設(shè)計(jì)構(gòu)造尺寸及預(yù)應(yīng)力鋼束配置，當(dāng)橋面板混凝土澆注之后，在跨中部位，U型槽底板已無(wú)壓應(yīng)力儲(chǔ)備，同時(shí)腹板上緣壓應(yīng)力也已達(dá)到18MPa，超過(guò)規(guī)范要求。因此，原設(shè)計(jì)構(gòu)造尺寸及預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足箱梁結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)營(yíng)及運(yùn)梁工況下的受力要求。

圖3 箱梁頂板剪力鍵槽口布設(shè)示意圖

圖4 吊裝預(yù)制U型槽

圖5 橋上現(xiàn)澆橋面板，待達(dá)到強(qiáng)度張拉余下預(yù)應(yīng)力，運(yùn)輸、吊裝下一跨預(yù)制U型槽

為了避免U型槽腹板上緣過(guò)大的壓應(yīng)力，可采用以下兩種方法：

方法1：增設(shè)箱梁腹板束及底板束，以減少U型槽腹板上緣壓應(yīng)力，增大底板壓應(yīng)力儲(chǔ)備。但采用此方法后，因所配置預(yù)應(yīng)力鋼束所產(chǎn)生的壓力無(wú)法有效傳遞至箱梁頂板，預(yù)應(yīng)力效率較低，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性差。

方法2：增加預(yù)制U型槽梁高，經(jīng)計(jì)算分析，按此方法箱梁的整體梁高需增高到5.0m，梁高增加過(guò)大。

本方案為橋上現(xiàn)澆橋面板，模板工程量和現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量大，施工速度較慢。同時(shí)，因?yàn)橄淞阂砭墤冶圯^大，其模板安裝及施工存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論及建議

從結(jié)構(gòu)受力、施工工藝及綜合造價(jià)等多角度分析可知，方案二中頂板與U型槽需要強(qiáng)大的剪力件進(jìn)行連接，對(duì)接縫處施工精度要求極高，施工難度過(guò)大，而方案三中腹板束及底板束增加過(guò)多或箱梁梁高增加過(guò)大，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性差。比較而言，方案一較為適當(dāng)可行，但同時(shí)仍需采取必要的施工工藝及設(shè)計(jì)措施以進(jìn)一步解決頂板與U型槽間施工冷縫所造成的受力薄弱問(wèn)題。