張文平（平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司，福州350400）

基于現(xiàn)澆箱梁頂面設(shè)置預(yù)制場(chǎng)場(chǎng)址的結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算分析

張文平
（平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)交通投資集團(tuán)有限公司，福州350400）

本文以沈海高速公路機(jī)場(chǎng)連接線為工程實(shí)例，介紹了預(yù)制場(chǎng)場(chǎng)址選擇方案，重點(diǎn)分析了預(yù)制場(chǎng)在選址及臺(tái)座布設(shè)上對(duì)現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)的影響及橋梁主梁基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上闡述了現(xiàn)澆箱梁上加工預(yù)制場(chǎng)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，為同類工程提供參考。

現(xiàn)澆箱梁預(yù)制場(chǎng)受力驗(yàn)算應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

1 工程概況

沈海高速公路泉州機(jī)場(chǎng)連接線工程位于晉江市長(zhǎng)興路以北，沿現(xiàn)狀和平路向北，并延伸至江濱南路，與泉州田安大橋相接，路線全長(zhǎng)約6km。本項(xiàng)目共分兩個(gè)標(biāo)段，本工程為第一標(biāo)段，全長(zhǎng)2.37km，其中高架主線橋橋梁范圍為K0+182.381～K2+386.346，長(zhǎng)度2204m。

主線橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，結(jié)構(gòu)采用單箱多室斷面，按照A類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。邊腹板為斜腹板，中腹板為直腹板。箱室凈寬不大于4m，懸臂2.5m。在頂板設(shè)置橫坡，梁高1.8m。全橋共計(jì)23聯(lián)，其中第22聯(lián)上跨沈海高速公路，為減少施工過(guò)程對(duì)高速的影響，U22聯(lián)設(shè)計(jì)為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁，梁高1.8m，梁長(zhǎng)35m，最大重量為121t，全橋共計(jì)42榀。

2 預(yù)制場(chǎng)場(chǎng)址選擇

依據(jù)節(jié)約臨時(shí)征地、少占農(nóng)田的原則，本項(xiàng)目采用在主線橋箱梁頂面設(shè)置預(yù)制場(chǎng)。然而預(yù)制場(chǎng)址的選擇受較多因素影響，其中橋面橫坡、運(yùn)距以及材料進(jìn)場(chǎng)因素為需要考慮的三個(gè)首要因素。

主線橋箱梁頂面設(shè)置橫坡，橫坡值在0.36%～3.8%之間?？紤]臺(tái)座澆筑方便及門(mén)吊軌道安全，橫坡盡量選擇比較小的位置，主線橋箱梁橫坡分布情況見(jiàn)表1。橫坡較小的梁段可作為預(yù)制場(chǎng)址的候選場(chǎng)所，其中U01～U04以及U18～U19比較適合作為預(yù)制區(qū)。

考慮運(yùn)輸距離的影響，預(yù)制場(chǎng)址離目的距離越近越便于后期運(yùn)輸。而主線橋第22聯(lián)即為預(yù)制箱梁，因此可以擇優(yōu)選擇U18-U19作為箱梁預(yù)制區(qū)。

本項(xiàng)目鋼筋加工場(chǎng)位于U18～U19聯(lián)左幅50m處，同時(shí)上橋匝道已具備上橋條件，便于鋼筋材料的進(jìn)場(chǎng)，為最有利位置。

綜合以上因素分析可知，預(yù)制區(qū)選擇主線橋U18～U19聯(lián)為最優(yōu)位置，同時(shí)將U20聯(lián)作為存梁區(qū)。

表1 主線橋箱梁橫坡分布情況

3 臺(tái)座和軌道梁設(shè)計(jì)

3.1 臺(tái)座數(shù)量及布置

根據(jù)小箱梁總數(shù)量及工期要求，設(shè)置9條制梁臺(tái)座，存梁臺(tái)座采用15cm×20cm的枕木墊放箱梁頂面，數(shù)量根據(jù)施工需求可調(diào)整。預(yù)制臺(tái)座采用C25混凝土澆筑而成，臺(tái)座頂面兩側(cè)安裝角鋼，再鋪一層6mm鋼板，制梁區(qū)臺(tái)座間間距在滿足施工要求的情況下盡量布置在縱向腹板位置，存放區(qū)臺(tái)座位于箱梁橫梁位置，存放時(shí)嚴(yán)禁將箱梁疊放。

3.2 起吊設(shè)備及軌道梁

軌道梁頂寬及高均為30cm，頂、底面縱向各布置4根12mm螺紋鋼筋、8mm箍筋間距20cm，梁頂面居中安裝鋼軌，軌道通過(guò)梁頂預(yù)埋的12mm螺紋鋼筋固定。軌道梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

小箱梁?jiǎn)伍畲笤O(shè)計(jì)混凝土方量為46.5m3，故每榀小箱梁自重：G1=46.5×26=1209kN。起重80t龍門(mén)吊自重30t，每端通過(guò)二個(gè)滾輪支承于鋼軌上，前后二支輪間距6.5m，預(yù)制梁板由二臺(tái)龍門(mén)吊抬吊，最大梁板重量約121t，則龍門(mén)吊單端每個(gè)支輪作用于軌道梁上的荷載為：（30×10+60.5×10）/4=226.3kN，軌道梁受力示意圖如圖1，龍門(mén)吊在起吊箱梁過(guò)程中得布置示意圖如圖2。

圖1 軌道梁受力示意圖（單位：kN）

圖2 小箱梁吊裝縱斷面示意圖（單位：m）

圖3 小箱梁吊裝運(yùn)輸過(guò)程中彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖4 小箱梁吊裝運(yùn)輸過(guò)程中剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖5 兩車(chē)道荷載下小箱梁彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

4 橋梁主梁及基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算

4.1 存梁區(qū)驗(yàn)算

小箱梁的存梁區(qū)存梁臺(tái)座布置在墩頂端橫梁處，小箱梁存放好之后箱梁重量對(duì)現(xiàn)澆大箱梁的彎矩以及剪力等影響不大，主要考慮運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)現(xiàn)澆箱梁的內(nèi)力影響?？紤]到U20聯(lián)主梁抗彎承載力相對(duì)較小，將針對(duì)U20聯(lián)的右幅橋梁進(jìn)行荷載效應(yīng)分析。分析小箱梁吊裝過(guò)程中的荷載，主要分析吊裝運(yùn)輸過(guò)程中支輪作用于軌道梁上的荷載?？紤]到龍門(mén)吊在運(yùn)輸過(guò)程中的動(dòng)力效應(yīng)，本研究考慮動(dòng)力系數(shù)1.2，則龍門(mén)吊單端每個(gè)支輪作用于軌道梁上的荷載為：

再考慮輪載作用在下部箱梁上的荷載沖擊效應(yīng)，并偏安全取沖擊系數(shù)為1.3，由此龍門(mén)吊單端每個(gè)支輪作用于軌道梁上的設(shè)計(jì)值為：

考慮龍門(mén)吊在現(xiàn)澆箱梁上移動(dòng)過(guò)程對(duì)現(xiàn)澆箱梁的最不利影響，通過(guò)分析可以得到現(xiàn)澆箱梁的彎矩和剪力包絡(luò)圖如圖3和圖4所示。

與此同時(shí)，可以將小箱梁吊裝過(guò)程中的的荷載效應(yīng)包絡(luò)圖與結(jié)構(gòu)正常設(shè)計(jì)時(shí)的車(chē)道荷載下的彎矩和剪力包絡(luò)圖進(jìn)行比較，如圖5和圖6所示。

由圖3～圖6可知，箱梁運(yùn)輸過(guò)程中，現(xiàn)澆箱梁的最大彎矩為3266kN·m，最大剪力659kN，而在兩車(chē)道荷載作用下，最大彎矩為5161kN·m，最大剪力為1058kN。可見(jiàn)，在僅考慮小箱梁以及龍門(mén)吊自重荷載下，荷載效應(yīng)小于正常使用階段的結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)。因此，不需要對(duì)現(xiàn)澆箱梁進(jìn)行承載能力以及截面抗裂、抗剪等驗(yàn)算。

4.2 預(yù)制場(chǎng)箱梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

小箱梁與制梁臺(tái)座布置在U18、U19聯(lián)的現(xiàn)澆箱梁上，考慮右幅制梁臺(tái)座布置數(shù)量大于左幅，本研究重點(diǎn)針對(duì)對(duì)右幅進(jìn)行分析計(jì)算?？紤]最不利工況為所有臺(tái)座均有剛澆筑的小箱梁，同時(shí)龍門(mén)吊運(yùn)輸已經(jīng)預(yù)制好的小箱梁通過(guò)該預(yù)制場(chǎng)區(qū)域。

小箱梁以及預(yù)制臺(tái)座自重作為均布荷載加載于現(xiàn)澆箱梁上（U18聯(lián)），單榀小箱梁自重：G1=46.5×26=1209kN，小箱梁長(zhǎng)度為35m，等效均布荷載為34.5kN/m，同時(shí)臺(tái)座的等效均布荷載，共計(jì)44kN/m，考慮所有臺(tái)座均布置有剛澆筑的小箱梁，均布荷載的最不利布置如圖7所示。

在均布荷載作用下，通過(guò)分析得到結(jié)構(gòu)彎矩和剪力如圖8所示。其中第一跨的最大彎矩為7365.4kN·m，最大剪力為1443.8kN。

同時(shí)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中，還需要考慮其它荷載組合效應(yīng)，包括現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝、中央分隔帶模板堆放荷載、預(yù)應(yīng)力荷載、以及小箱梁以及預(yù)制臺(tái)座自重等等。龍門(mén)吊（含預(yù)制完成的小箱梁）：按照特種車(chē)輛荷載處理，荷載取值與存梁區(qū)驗(yàn)算分析一致。溫度效應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）確定。此時(shí)需按照短期效應(yīng)組合進(jìn)行內(nèi)力驗(yàn)算，通過(guò)分析得到內(nèi)力結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004），按A類預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)澆箱梁進(jìn)行驗(yàn)算分析，在最不利工況下，鋼束最大應(yīng)力為1197MPa≤1209 MPa，正截面最大拉應(yīng)力為0.00MPa≤1.83 MPa，斜截面最大拉應(yīng)力為1.29 MPa≤1.325MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖6 兩車(chē)道荷載下小箱梁剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖7 均布荷載（小箱梁與臺(tái)座）最不利加載工況（單位：kN）

圖8 小箱梁以及預(yù)制臺(tái)座自重作為均布荷載加載

圖9 短期效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)彎矩、剪力圖

可見(jiàn)通過(guò)設(shè)計(jì)，預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)滿足應(yīng)力檢驗(yàn)要求。但與此同時(shí)，還需要嚴(yán)格按照施工組織安排執(zhí)行施工計(jì)劃。并且不得隨意改動(dòng)小箱梁預(yù)制臺(tái)座的位置，臺(tái)座應(yīng)盡量布置在現(xiàn)澆箱梁腹板區(qū)域，同時(shí)要求模板、材料存放位置遠(yuǎn)離懸臂外側(cè)。

4.3 橋面板驗(yàn)算

在U18R、U21L、U21R平面是變寬段，直線形的龍門(mén)吊運(yùn)行鋼軌局部區(qū)段作用在橋面板跨中，該區(qū)段橋面板受力為薄弱部位，如圖10所示，因此需要進(jìn)行橋面板的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

圖10 橋面板受力示意圖（單位：cm）

在臺(tái)座布置時(shí)采用在底部加大基礎(chǔ)接觸面的措施將該區(qū)段龍門(mén)吊運(yùn)梁支點(diǎn)的反力傳遞到相鄰腹板上，為了有效降低龍門(mén)吊運(yùn)梁支點(diǎn)對(duì)橋面板的不利作用，基礎(chǔ)底寬B’≥0.8m。進(jìn)一步考慮橋面鋪裝的對(duì)應(yīng)力的擴(kuò)散作用，按擴(kuò)散角為45°考慮，橋面鋪裝厚度為0.18m，因此龍門(mén)吊運(yùn)梁支點(diǎn)反力作用在現(xiàn)澆箱梁橋面板的寬度為B= 0.8+0.18×2=1.16m，偏保守取B=1.1m。

橋面板驗(yàn)算時(shí)考慮的荷載主要有龍門(mén)吊運(yùn)梁支點(diǎn)反力、溫度荷載（按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）考慮）、橋面鋪裝等荷載。其中龍門(mén)吊運(yùn)梁支點(diǎn)反力在橫橋向均布寬度B=1.1m內(nèi)，q=354kN/m。鋪裝厚度0.18m，重度取25kN/m。橋面板受力分析時(shí)，順橋向長(zhǎng)度取：。其中為箱室橫向跨徑。通過(guò)分析可以得到荷載作用下的橋面板彎矩包絡(luò)圖如圖11所示。

通過(guò)分析可知，最大負(fù)彎矩發(fā)生在邊腹板頂面處，橋面板最大正彎矩發(fā)生在箱室跨中處，依據(jù)規(guī)范，可以獲得在最大最小彎矩作用下，橋面板的裂縫寬度分別為0.169mm，0.166mm，滿足規(guī)范要求。

4.4 橋梁樁基及支座承載力驗(yàn)算

本文同時(shí)針對(duì)存梁數(shù)最多的U20聯(lián)下部樁基以及支座進(jìn)行了驗(yàn)算。基于前述荷載分析可知墩頂處的最大支反力為F=16900+7020=23920KN。

考慮U20聯(lián)樁基均為摩擦樁，樁長(zhǎng)42.5～50m，取最不利位置處，樁長(zhǎng)42.5m即P58墩處，樁基承載力計(jì)算公式如公式（1）所示。

圖11 箱梁頂面受力作用下彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

公式中，參數(shù)符號(hào)意義如表2所示。

表2 樁身參數(shù)計(jì)算

樁側(cè)摩阻力計(jì)算公式如公式（2）所示：

查地質(zhì)柱狀圖可知其土層厚度如表3所示。

表3 各土層厚度重度計(jì)算

樁尖處土的極限承載力計(jì)算公式如公式（3）所示：

樁底位置各參數(shù)如表4所示。

表4 樁端端阻力部分計(jì)算

通過(guò)分析可以獲得樁基承載力5062.06kN。P58#墩橫梁處下部基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，共有8根。根據(jù)單根承載力5062.06kN可知，其總承載力8×5062.06= 40496.48kN，大于存梁施工時(shí)的最大支反力F=23920kN，滿足要求。

對(duì)于球型支座，P58#墩橫梁下設(shè)四個(gè)10000kN的支座，總承載力達(dá)40000kN。也滿足最大反力23920kN的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以沈海高速公路泉州機(jī)場(chǎng)連接線為背景，介紹了在現(xiàn)澆箱梁頂面設(shè)置預(yù)制場(chǎng)的施工應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)。通過(guò)研究得到主要經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論如下：

（1）現(xiàn)澆箱梁上設(shè)置預(yù)制場(chǎng)場(chǎng)址的選擇，應(yīng)主要考慮運(yùn)距、縱坡、進(jìn)料便捷性以及現(xiàn)澆箱梁的結(jié)構(gòu)性能綜合確定。

（2）現(xiàn)澆箱梁上設(shè)置預(yù)制場(chǎng)應(yīng)針對(duì)存梁區(qū)、預(yù)制場(chǎng)區(qū)、橋面板、下部基礎(chǔ)等關(guān)鍵部位進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)合，在滿足性能要求的前提下實(shí)施。

（3）現(xiàn)澆箱梁上設(shè)置預(yù)制場(chǎng)的施工方法，可以有效利用已施工箱梁的資源，減少建造預(yù)制場(chǎng)施工場(chǎng)地的建造費(fèi)用，降低設(shè)備、人員投入，極大地提高施工效率，縮短施工周期，在條件適宜的情況下，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

[1]李國(guó)平.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，2009.11.

[2]賀栓海.橋梁結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法[M].北京：人民交通出版社，2003.8.

[3]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.6.

[4]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.10.