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    甌江北口大橋南引橋上層節(jié)段梁施工方案優(yōu)化分析

    2022-04-29 05:28:10鄭和暉夏崟濠
    施工技術(shù)(中英文) 2022年5期
    關(guān)鍵詞:架橋機(jī)腹板現(xiàn)澆

    王 敏,肖 林,鄭和暉,夏崟濠

    (1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430014; 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430014; 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造技術(shù)研發(fā)中心,湖北 武漢 430014;4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司,湖北 武漢 430014)

    1 工程概況

    甌江北口大橋南引橋上層采用等高單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)節(jié)段梁,上下行分幅布置,跨徑布置為5×50m,立面布置如圖1所示。箱梁全寬16.25m,中心梁高3.0m,標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置如圖2所示。全橋箱梁頂板厚均為28cm,跨中箱梁截面腹板厚45cm,底板厚27cm,根部截面腹板厚70cm,底板厚50cm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55。箱梁采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系,其中縱向預(yù)應(yīng)力采用體內(nèi)和體外相結(jié)合的形式,體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束包括腹板束、跨中底板束和一聯(lián)內(nèi)相鄰兩跨間底板束,體外預(yù)應(yīng)力束為全橋合龍后張拉的合龍束。

    圖1 南引橋上層節(jié)段梁立面布置

    圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置(單位:cm)

    箱梁采用隱橫梁構(gòu)造,橫梁長(zhǎng)19.2m,與箱梁等高,中橫梁寬2.5m,端橫梁寬2.2m,均與箱內(nèi)橫隔板位置對(duì)應(yīng)。隱橫梁包含預(yù)制殼體和現(xiàn)澆部分,其中現(xiàn)澆部分由箱內(nèi)橫隔板現(xiàn)澆段(含腹板部分)和橫梁外伸段組成,隱橫梁結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

    圖3 隱橫梁結(jié)構(gòu)形式

    原節(jié)段梁施工方案主要流程如下:①搭設(shè)臨時(shí)支架,架橋機(jī)吊裝首跨節(jié)段,包括橫梁預(yù)制殼體;②張拉首跨簡(jiǎn)支狀態(tài)下體內(nèi)束,放置在臨時(shí)支架的臨時(shí)支座上;③架橋機(jī)前移至下一跨安裝位置,吊裝本跨節(jié)段梁并張拉體內(nèi)束;④重復(fù)以上步驟,直至本聯(lián)全部節(jié)段安裝完畢,形成支撐于臨時(shí)支架的5跨簡(jiǎn)支梁狀態(tài);⑤澆筑隱橫梁現(xiàn)澆部分混凝土,達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉橫梁精軋螺紋鋼;⑥張拉整聯(lián)體外束;⑦逐墩張拉橫梁橫向預(yù)應(yīng)力束,橫梁就位于墩頂永久支座上,拆除臨時(shí)支架。

    原施工方案臨時(shí)支架的安全風(fēng)險(xiǎn)較高,臨時(shí)支架除承受相鄰兩半跨節(jié)段梁自重外,同時(shí)用于前支腿站位,由于臨時(shí)支架直接支撐于底層梁梁面,施工期底層梁梁面及支座位置開裂風(fēng)險(xiǎn)大。由于臨時(shí)支架內(nèi)部?jī)魧捰邢?,運(yùn)梁車需頻繁通過,因碰撞支架引起坍塌風(fēng)險(xiǎn)較高。臺(tái)風(fēng)季節(jié)施工時(shí),臨時(shí)支架受風(fēng)荷載影響較大,傾覆風(fēng)險(xiǎn)大。此外,原施工方案架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)較高,由于墩身截面尺寸較小,架橋機(jī)支撐架設(shè)計(jì)難度大,且墩頂人員操作空間狹小,高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高[1-4]。故若按原方案施工,臨時(shí)支架和架橋機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高,為保障節(jié)段梁按期且安全建設(shè)完成,需優(yōu)化施工方案及結(jié)構(gòu)。

    2 施工方案及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    2.1 優(yōu)化后施工方案及優(yōu)化效果

    為降低臨時(shí)支架和架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn),將原方案先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工工藝變更為逐跨連續(xù)工藝。優(yōu)化后的主要施工流程如下:①搭設(shè)臨時(shí)支架及模板,完成墩頂塊的現(xiàn)澆;②混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉墩頂塊橫向預(yù)應(yīng)力束,拆除臨時(shí)支架;③架橋機(jī)懸掛一跨內(nèi)的節(jié)段梁,節(jié)段間靠臨時(shí)預(yù)應(yīng)力拉緊;④澆筑位于墩頂塊兩側(cè)的濕接縫,待強(qiáng)度形成后張拉本跨體內(nèi)束;⑤架橋機(jī)前移至下一跨安裝位置,重復(fù)以上步驟直至本聯(lián)全部節(jié)段安裝完畢;⑥張拉整聯(lián)體外束。

    優(yōu)化后的施工方案,臨時(shí)支架僅用于支撐墩頂塊自重,架橋機(jī)支腿支撐于張拉后的墩頂塊上,大幅降低臨時(shí)支架和架橋機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外,逐跨連續(xù)施工工序得到簡(jiǎn)化,全現(xiàn)澆墩頂塊整體性優(yōu)于預(yù)制殼體+部分現(xiàn)澆,墩頂塊兩側(cè)設(shè)置的濕接縫有利于調(diào)整節(jié)段梁安裝線形[5-6]。

    2.2 縱向體內(nèi)束墩頂塊內(nèi)交叉錨固

    墩頂塊由于整體現(xiàn)澆,節(jié)段梁的腹板束無法在內(nèi)部錨固,節(jié)段梁體內(nèi)腹板束在墩頂塊的錨固形式需重新設(shè)計(jì),且由于墩頂塊自身預(yù)應(yīng)力體系較復(fù)雜,布置空間有限,預(yù)應(yīng)力布置需開展細(xì)化研究。基于設(shè)計(jì)及施工兩方面的考慮,提出了如下節(jié)段梁腹板束錨固端設(shè)計(jì)原則:①預(yù)應(yīng)力束豎彎及平彎半徑不小于最小彎曲半徑限值6m,且預(yù)應(yīng)力束保護(hù)層厚度不低于100mm;②穿過墩頂塊的腹板束不與墩頂塊自身預(yù)應(yīng)力束位置沖突,也不與墩頂塊內(nèi)部體外束孔道位置沖突;③腹板束在墩頂塊上的錨點(diǎn)與箱梁內(nèi)部輪廓應(yīng)隔開一定距離,以保證預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備足夠的工作空間。

    基于上述原則,提出如圖4所示的交叉錨固方案,相比原錨固形式,進(jìn)行如下調(diào)整:①本跨腹板束錨固在相鄰跨箱梁內(nèi)部墩頂塊表面,相鄰兩跨腹板束在墩頂塊內(nèi)部形成交叉錨固的形式;②ZF1束在橫梁內(nèi)部?jī)H有平彎,使橫梁表面的錨點(diǎn)無仰角,確保預(yù)應(yīng)力束的張拉空間,其余鋼束在橫梁內(nèi)部既有平彎又有豎彎;③墩頂塊兩側(cè)錨點(diǎn)采用非對(duì)稱布置,豎向上錯(cuò)開,以避免在兩側(cè)腹板束空間位置沖突。

    圖4 腹板束布置形式對(duì)比

    基于CAD三維建模功能分析墩頂塊區(qū)域體內(nèi)束分布情況,體內(nèi)束分布模型如圖5所示。結(jié)果表明各組件間未發(fā)生碰撞干涉,且預(yù)應(yīng)力束保護(hù)層厚度均≥100mm,交叉錨固方案可實(shí)現(xiàn)合理布束。

    圖5 墩頂塊區(qū)域體內(nèi)束分布

    2.3 墩頂塊體內(nèi)束布置及人孔尺寸優(yōu)化

    原墩頂塊跨中段體內(nèi)束均靠近下緣布置,在墩頂塊現(xiàn)澆完成的施工階段,一次張拉全部體內(nèi)束必然導(dǎo)致墩頂塊頂面拉應(yīng)力超限。由于墩頂塊數(shù)量多,分次張拉工藝不利于縮短工期,且操作難度大,需優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)澆墩頂塊體內(nèi)束,優(yōu)化前后體內(nèi)束布置對(duì)比如圖6所示。中部墩頂塊在上層增設(shè)6根16φs15.2體內(nèi)束,端部墩頂塊在上層增設(shè)4根16φs15.2體內(nèi)束,新增體內(nèi)束中心距離頂面30cm。此外墩頂塊下部預(yù)應(yīng)力束錨點(diǎn)附近平直段下移47cm,可滿足施工全過程及運(yùn)營(yíng)期墩頂塊上下緣均不出現(xiàn)拉應(yīng)力的受力需求。

    圖6 優(yōu)化前后墩頂塊體內(nèi)束布置及人孔尺寸

    施工方案變更后,當(dāng)一聯(lián)內(nèi)相鄰兩跨體內(nèi)束張拉完,架橋機(jī)前移過程后支腿倒運(yùn)時(shí),架橋機(jī)中支腿傳遞到墩頂塊的豎向力有10 050kN,此外墩頂塊還承受相鄰兩半跨節(jié)段梁的自重,墩頂塊受力較不利。為降低由于人孔處挖空引起的應(yīng)力集中,在滿足施工期及運(yùn)營(yíng)期人員與設(shè)備通行的前提下,將人孔尺寸由120cm×140cm減小到80cm×100cm。

    2.4 墩頂塊現(xiàn)澆質(zhì)量及進(jìn)度保障措施

    墩頂塊改為現(xiàn)澆后,為降低現(xiàn)澆墩頂塊收縮的不利影響,保障施工進(jìn)度,提出以下措施:①墩頂塊存放至少3個(gè)月后連接架設(shè)節(jié)段梁;②現(xiàn)澆作業(yè)時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控原材料、混凝土拌合、入模和澆筑溫度,并采取墩頂塊內(nèi)部布設(shè)冷卻水管、分層澆筑及拆模后覆膜養(yǎng)護(hù)等措施,解決溫度引起的大體積混凝土開裂問題[7];③墩頂塊鋼筋骨架采用胎架上綁扎+整體吊裝入模工藝,既保障鋼筋綁扎質(zhì)量,又有利于提高工效,降低現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn);④為減小預(yù)應(yīng)力管道的線形偏差,按設(shè)計(jì)線形準(zhǔn)確放樣,并安裝定位鋼筋網(wǎng)片,在曲線及接頭處加倍設(shè)置。

    3 優(yōu)化方案計(jì)算分析

    3.1 主梁應(yīng)力分析

    為分析施工方案及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后主梁在施工過程、成橋狀態(tài)及恒荷載+活荷載+溫度組合工況的受力情況,利用MIDAS Civil建立整聯(lián)縱向分析模型,交叉錨方案整聯(lián)模型如圖7所示。

    圖7 交叉錨方案整聯(lián)分析模型

    模型中模擬交叉錨方案的總體施工工藝及體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力束布置,其中成橋狀態(tài)考慮10年的收縮徐變效應(yīng),活載按4車道公路-I級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)施加,溫度荷載考慮整體升降溫20℃、梁截面正負(fù)溫差及上述工況組合。交叉錨方案主梁在成橋及恒荷載+活荷載+溫度組合工況下,上下緣應(yīng)力如下:①成橋狀態(tài) 主梁上緣最大、最小應(yīng)力分別為-0.8,-7.5MPa,主梁下緣最大、最小應(yīng)力為-2.3,-8.9MPa;②恒荷載+活荷載+溫度 主梁上緣最大、最小應(yīng)力為-0.5,-12.4MPa,主梁下緣最大、最小應(yīng)力為-0.9,-11.1MPa。主梁上下緣在2種工況下均無受拉情形,最大壓應(yīng)力發(fā)生在恒荷載+活荷載+溫度組合工況一跨跨中上緣,壓應(yīng)力12.4MPa,應(yīng)力值在混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。

    3.2 墩頂塊應(yīng)力分析

    經(jīng)分析,墩頂塊施工及運(yùn)營(yíng)全過程中,最不利受力工況分別對(duì)應(yīng)主梁上緣和下緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備達(dá)到最?。孩俟r1 墩頂塊全部預(yù)應(yīng)力束一次張拉完;②工況2 相鄰兩跨張拉完,架橋機(jī)后支腿倒運(yùn)時(shí),中支腿傳遞到墩頂塊的荷載為10 050kN,此外墩頂塊還承受相鄰兩半跨節(jié)段梁自重13 100kN,工況2墩頂塊受力狀態(tài)如圖8所示。

    圖8 工況2墩頂塊受力狀態(tài)

    由于梁?jiǎn)卧治瞿P蜔o法考慮人孔處挖空對(duì)應(yīng)力分布影響,也無法考慮墩頂塊與兩側(cè)已安裝節(jié)段間的相互作用,故基于ANSYS三維實(shí)體模型對(duì)墩頂塊開展相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算。兩工況有限元模型分別如圖9,10所示?;炷敛捎肧olid92單元模擬,預(yù)應(yīng)力束采用Link8單元模擬,采用初始張拉應(yīng)力施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力束與混凝土采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合的方式連接,模型邊界條件按相應(yīng)工況實(shí)際邊界施加[8]。

    圖9 工況1有限元模型

    圖10 工況2有限元模型

    工況1模型中施加的荷載包括重力及墩頂塊自身預(yù)應(yīng)力荷載,工況2模型的實(shí)體模型包括墩頂塊及相鄰4個(gè)節(jié)段(兩側(cè)各2個(gè)節(jié)段),模型中包含主梁及墩頂塊的全部預(yù)應(yīng)力束,在模型兩端各設(shè)置1個(gè)耦合點(diǎn)與端面所有節(jié)點(diǎn)自由度耦合,耦合點(diǎn)上施加與同工況梁?jiǎn)卧P拖嗤恢锰幪崛〉墓?jié)點(diǎn)力,提取節(jié)點(diǎn)力彎矩為4 907kN·m,軸力-38 175kN,剪力為1 413kN。

    兩工況墩頂塊橫向應(yīng)力分布如圖11所示。由圖11a可知,工況1墩頂塊頂面主拉應(yīng)力基本為負(fù)值,表明墩頂塊頂面未受拉,最大主拉應(yīng)力發(fā)生在支座邊緣,底面最大主壓應(yīng)力約16.6MPa。由圖11b可知,工況2墩頂塊底面基本未受拉,頂面最大主壓應(yīng)力約14.3MPa,人孔周邊應(yīng)力集中程度低,拉應(yīng)力也基本在限值范圍內(nèi)。錨固區(qū)、支座區(qū)域及人孔附近是主拉應(yīng)力較高區(qū)域,需在該區(qū)域加強(qiáng)配筋預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。

    圖11 墩頂塊主拉應(yīng)力云圖(單位:MPa)

    4 結(jié)語

    甌江北口大橋南引橋上層節(jié)段梁原施工方案主梁及架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn)較高,為保障節(jié)段梁按期且安全建設(shè)完成,對(duì)施工方案及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,并計(jì)算分析優(yōu)化方案后的主梁及墩頂塊應(yīng)力,對(duì)墩頂塊最不利受力工況開展局部應(yīng)力復(fù)核計(jì)算,結(jié)論如下。

    1)優(yōu)化后的施工方案不僅大幅降低臨時(shí)支架和架橋機(jī)安全風(fēng)險(xiǎn),且施工工序得到簡(jiǎn)化,全現(xiàn)澆墩頂塊整體性更好。

    2)成橋狀態(tài)主梁上緣最大壓應(yīng)力為7.5MPa,下緣最大壓應(yīng)力為8.9MPa,主梁無受拉情形發(fā)生。在荷恒載+活荷載+溫度組合工況下,主梁上下緣均無拉應(yīng)力,主梁上緣最大壓應(yīng)力為12.4MPa,下緣最大壓應(yīng)力為11.1MPa,均在抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。

    3)通過在墩頂塊上層新增橫向預(yù)應(yīng)力束、下層預(yù)應(yīng)力束錨點(diǎn)下移、減小人孔尺寸等措施,使墩頂塊在最不利工況下,頂面及底面均不出現(xiàn)拉應(yīng)力,主壓應(yīng)力基本在限值范圍內(nèi),錨固區(qū)、支座區(qū)域及人孔附近是主拉應(yīng)力較高的區(qū)域,需在該區(qū)域加強(qiáng)配筋預(yù)防裂縫的產(chǎn)生,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的墩頂塊受力基本安全。

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