吳東升

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

1 工程概況

洪都大道高架橋?yàn)槟喜幸画h(huán)線的東環(huán)，全長約7.6 km。高架橋?yàn)殡p向六車道，城-A級荷載，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。

高架橋采用節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見圖1，橋梁面積約270 000 m2，預(yù)制節(jié)段約6 500榀。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖(單位：cm)

雖然節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)在公路和軌道交通橋梁上有所應(yīng)用，但在量大面廣的城市橋梁中尚未得到推廣，作為大規(guī)模采用節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁的城市橋梁，需要通過精細(xì)化設(shè)計(jì)，達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、施工便捷、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)耐久的目標(biāo)，以充分展現(xiàn)節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)競爭力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)及布置

主線高架橋標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?5 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑35 m，非標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30～40 m，2～4跨一聯(lián)，逐跨拼裝施工；路口大跨采用50 m或60 m主跨大跨連續(xù)梁，懸臂拼裝施工。最小平面曲線半徑為383.75 m，最大縱坡為3%。

2.2 橫斷面形式

城市高架橋(橋?qū)?5 m)常用橫斷面形式見圖2。

圖2 箱梁橫斷面形式

國內(nèi)外雙向六車道橋梁基本上采用整幅式單箱多室斷面(施工難度大、工效低)或分離式雙幅橋梁(占地大、適用郊外)。施工快速化是預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的核心優(yōu)勢，設(shè)計(jì)選型需充分考慮預(yù)制便捷性、運(yùn)輸可行性和拼裝快速化，因地制宜。對于運(yùn)輸條件較差的城市橋梁而言，節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁應(yīng)遵循構(gòu)件小型化原則；單箱單室斷面預(yù)制效率顯著提高。該文提出的采用橫向分幅同步安裝的分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)和橫向整幅異步安裝的魚脊梁結(jié)構(gòu)是具有競爭力的橫斷面形式，各方案運(yùn)輸?shù)跹b重量見表1。

表1 各方案運(yùn)輸?shù)跹b重量

由表1可知：分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為整幅式斷面的1/2，節(jié)段重量和架梁時(shí)架橋機(jī)整孔吊重均為整幅式斷面的40%，架橋機(jī)設(shè)備規(guī)格要求降低一半，預(yù)制拼裝效率高，對變寬段的適應(yīng)性好，非常適合城市橋梁的斷面形式。

2.3 箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)單幅箱梁寬12.1 m，兩幅之間設(shè)置寬0.6 m現(xiàn)澆縫，通過整體式墩頂橫梁連接左、右幅箱梁形成整體(圖3)。

圖3 主線標(biāo)準(zhǔn)等寬段三維示意圖

節(jié)段箱梁高2.2 m，頂板厚0.25 m，底板厚0.22 m，墩頂兩側(cè)節(jié)段局部加厚至0.3 m，腹板厚0.40 m，墩頂兩側(cè)節(jié)段局部加厚至0.70 m，箱梁挑臂寬2.85 m，挑臂端部厚0.25 m，根部厚0.45 m(圖4)。

箱梁節(jié)段由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、轉(zhuǎn)向節(jié)段、墩頂橫梁節(jié)段組成。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長3 m，最長節(jié)段長度不超過3.2 m，節(jié)段間采用環(huán)氧膠結(jié)縫；最輕節(jié)段重量約55 t，最重節(jié)段重量約75 t(圖5)。

墩頂大懸挑橫梁兼做縱向體外束的錨固橫梁，中墩橫梁厚2.6 m，邊墩橫梁厚2.1 m，相鄰兩聯(lián)在端橫梁端部預(yù)留1.0 m作為縱向體外束張拉和檢修空間；標(biāo)準(zhǔn)橫梁局部加高至2.65 m。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段構(gòu)造圖(單位：cm)

圖5 箱梁節(jié)段劃分示意圖

墩頂橫梁預(yù)應(yīng)力為體內(nèi)束，整幅布置，橫梁鋼束配置φs15.2-15體內(nèi)束，橫梁鋼束分批張拉。頂板橫向預(yù)應(yīng)力設(shè)置φs15.2-3體內(nèi)束，整幅通長設(shè)置，中央濕接縫澆筑后張拉。

2.4 結(jié)構(gòu)體系

全固結(jié)體系由于在預(yù)應(yīng)力、溫度荷載和混凝土收縮徐變等作用下邊墩彎矩遠(yuǎn)大于中墩彎矩且超過抗力值，因此提出標(biāo)準(zhǔn)等寬段采用中墩墩梁固結(jié)、邊墩設(shè)置支座的半固結(jié)體系，兩種固結(jié)體系的中、邊墩內(nèi)力如圖6所示。與中國高架橋梁通常采用連續(xù)梁不同，推薦優(yōu)先采用固結(jié)體系，可采用半固結(jié)體系，當(dāng)墩高較高時(shí)可優(yōu)先采用全固結(jié)體系，結(jié)構(gòu)體系簡圖見圖7；對于逐跨拼裝箱梁，墩梁固結(jié)的特點(diǎn)主要為：① 逐跨拼裝架橋機(jī)架梁時(shí)，為抵抗不平衡彎矩支座墩需增設(shè)臨時(shí)固結(jié)，墩梁固結(jié)則不需再單獨(dú)增設(shè)臨時(shí)固結(jié)，施工安全、便捷高效；② 墩梁固結(jié)可節(jié)省支座費(fèi)用，約占建安費(fèi)1.5%，但運(yùn)營期間支座更換費(fèi)用較高，可達(dá)到建安費(fèi)的15%。

與此同時(shí)，可采取雙肢薄壁截面墩、單排樁基礎(chǔ)和適當(dāng)增大墩高等技術(shù)措施降低墩柱及基礎(chǔ)剛度，有效改善固結(jié)墩受力。

2.5 預(yù)應(yīng)力體系

縱向預(yù)應(yīng)力按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，頂板橫向預(yù)應(yīng)力按A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。

體外預(yù)應(yīng)力施工效率高但承載力效率偏低，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力反之。針對預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該文提出一種新的設(shè)計(jì)理念，縱向預(yù)應(yīng)力體系采用基于施工效率的以體外束為主、體內(nèi)束為輔的混合配束體系，以充分發(fā)揮體外預(yù)應(yīng)力施工效率高、體內(nèi)束承載力效率高的各自優(yōu)點(diǎn)。其關(guān)鍵在于體內(nèi)、外預(yù)應(yīng)力配置比例的合理確定，經(jīng)研究提出具體配置原則為：架橋機(jī)拼裝過程僅張拉體外束，滿足施工階段受力需求；非控制工序(架橋機(jī)過孔后)再張拉剩余體內(nèi)鋼束，滿足二期恒載和運(yùn)營階段受力需求。

圖6 兩種固結(jié)體系的橋墩內(nèi)力圖

圖7 結(jié)構(gòu)體系示意圖

基于上述原則，最終確定的體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力的配置比為4∶6。

具體為每個(gè)箱室配置6束φs15.2-31和φs15.2-37體外束；中墩處配置2束φs15.2-17形心體外束；底板配置6束φs15.2-12和φs15.2-15體內(nèi)束；墩頂配置8束φs15.2-12體內(nèi)束(圖8)；縱向體外預(yù)應(yīng)力在跨中設(shè)置限位塊，提高極限承載力。按橋面面積統(tǒng)計(jì)，體外鋼束指標(biāo)約為20.4 kg/m2，體內(nèi)鋼束指標(biāo)約為12.9 kg/m2。

圖8 鋼束布置橫斷面圖

2.6 關(guān)鍵構(gòu)造

2.6.1 錨固轉(zhuǎn)向構(gòu)造

預(yù)應(yīng)力錨塊和轉(zhuǎn)向塊增加箱梁預(yù)制難度、降低工效。較以往錨塊和轉(zhuǎn)向塊分散設(shè)置不同，從提高工效出發(fā)，該文提出一種新的思路，將錨塊和轉(zhuǎn)向塊集成設(shè)計(jì)，此方法可將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段數(shù)量提高50%。具體實(shí)現(xiàn)方式為：在體外束轉(zhuǎn)向塊處增設(shè)體內(nèi)束錨固齒塊，形成集鋼束轉(zhuǎn)向與錨固構(gòu)造于一體的集成式轉(zhuǎn)向構(gòu)造(圖9)。

圖9 集成式轉(zhuǎn)向構(gòu)造示意圖

2.6.2 剪力鍵構(gòu)造

剪力鍵設(shè)計(jì)除了考慮規(guī)范構(gòu)造要求外，還應(yīng)考慮節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)化，剪力鍵規(guī)格和位置在設(shè)計(jì)時(shí)遵循節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)化原則，以減少預(yù)制端模類型，提高預(yù)制工效。

對于節(jié)段間的環(huán)氧膠接縫，若多余的膠體不能被擠出，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力作用時(shí)可能會(huì)引起鍵槽擠裂，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)置出膠槽便于多余環(huán)氧膠擠出。

2.6.3 橫斷面標(biāo)準(zhǔn)化

基于提高箱梁節(jié)段預(yù)制效率，該文在常規(guī)箱梁斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究改進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)化斷面僅翼緣、頂?shù)装宓群穸巫儗挘菇?、變厚段尺寸保持不?圖10)，同時(shí)，構(gòu)造尺寸與變寬段統(tǒng)一整體考慮確定，模板整個(gè)工程通用，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度。

經(jīng)分析，箱梁頂板應(yīng)力隨頂板挑臂長度和箱室內(nèi)部等厚段長度的變化如圖11所示。該標(biāo)準(zhǔn)橫斷面的頂板挑臂變化段的適應(yīng)長度范圍為0～1.8 m，頂板跨中變化適應(yīng)長度范圍為0.5～3.5 m，理論上能適應(yīng)9.5～16 m，這可為變寬度梁的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供條件。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)化橫斷面圖

圖11 箱梁頂板應(yīng)力隨等厚段長度變化關(guān)系

2.7 橫梁分塊方案

橫梁分塊方案設(shè)計(jì)考慮縱向分段、橫向分塊、縱橫向分塊及整體預(yù)制4種方案，主要考慮因素為節(jié)段的重量和幾何尺寸。如圖12所示。

圖12 橫梁分塊方案示意圖

橫梁總重約380 t，運(yùn)輸?shù)跹b均超過目前大部分城市橋梁的運(yùn)輸條件；分成2塊單塊重190 t，與目前已建工程預(yù)制蓋梁節(jié)段重相差不大，運(yùn)輸?shù)跹b均可行；若分成4塊單塊重為95 t則更為便捷?？v向分塊寬厚比較小、構(gòu)造復(fù)雜且施工難度大，橫向分段整體性好、受力可靠、構(gòu)造相對簡單且施工難度小。因此橫向分塊是較為合適的橫梁分塊方案。

2.8 耐久性設(shè)計(jì)

耐久性設(shè)計(jì)是節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一。接縫部位是耐久性薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)考慮適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力度按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，使節(jié)段之間膠接縫一直處于受壓狀態(tài)，提高耐久性。體外預(yù)應(yīng)力采用耐久性好的單根可換式環(huán)氧鋼絞線，實(shí)現(xiàn)全壽命周期內(nèi)的可檢、可修、可換。全線橋梁每個(gè)端橫梁、中橫梁均設(shè)置檢修人孔，在底板設(shè)檢修人孔，實(shí)現(xiàn)檢修通道全橋貫通。

首次對節(jié)段梁臨時(shí)孔洞封堵開展系統(tǒng)研究，經(jīng)研究認(rèn)為，封堵材料的性能對封堵效果影響最大，推薦采用高性能的防水材料進(jìn)行封堵；吊裝孔和臨時(shí)預(yù)應(yīng)力錨固孔應(yīng)在以往圓柱形的基礎(chǔ)上予以改進(jìn)，推薦采用錐形孔洞構(gòu)造提高孔洞封堵可靠性；并提出無孔洞設(shè)計(jì)的理念，采用預(yù)埋式鋼齒坎方案和利用體內(nèi)束管道張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力。

橋面防水層采用兩級防水加強(qiáng)設(shè)計(jì)，第一級為基層防水，采用水泥基滲透結(jié)晶型無機(jī)防水材料；第二級防水為柔性防水層，采用聚合物改性瀝青防水涂料。當(dāng)然，上述設(shè)計(jì)技術(shù)措施還需要精細(xì)化的施工來實(shí)現(xiàn)。

3 空間受力性能

3.1 結(jié)構(gòu)總體受力分析

體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段梁承載能力極限狀態(tài)計(jì)算目前不能夠直接利用有限元分析軟件進(jìn)行，根據(jù)在編規(guī)范結(jié)合自編程序進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。在該工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐中，對在編規(guī)范提出了關(guān)于結(jié)構(gòu)抗彎和接縫抗剪承載能力計(jì)算參數(shù)、環(huán)氧膠接縫壓縮量取值等的修正建議，并得到標(biāo)準(zhǔn)編制組采納，公式修正后體外預(yù)應(yīng)力承載力可提高約10%。

主梁正截面極限抗彎承載能力計(jì)算結(jié)果見圖13。由圖13可知：基本組合作用下，主梁跨中最大彎矩為68 745 kN·m，對應(yīng)抗力為72 933 kN·m，滿足規(guī)范要求。

圖13 主梁正截面抗彎極限承載力計(jì)算結(jié)果

3.2 墩頂大懸挑橫梁受力性能

墩頂大懸挑橫梁受力空間效應(yīng)明顯，與常規(guī)橫梁不同，橫梁除了承受豎向荷載外，還承受縱向體外預(yù)應(yīng)力錨固荷載，且橫梁受人孔和體外束管道嚴(yán)重削弱帶來的應(yīng)力集中。橫梁空間模型受力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 橫梁空間模型計(jì)算結(jié)果 MPa

由表2可知：橫梁受力空間效應(yīng)和應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，短期組合下，中橫梁橫向正應(yīng)力為-0.8 MPa，剪應(yīng)力為2.2 MPa，中橫梁縱向體外束錨下豎向應(yīng)力為14.9 MPa，需進(jìn)行專項(xiàng)特殊配筋設(shè)計(jì)；此外端橫梁體外束錨固的背面由于強(qiáng)大的錨固力作用，橫梁豎向應(yīng)力達(dá)4.1 MPa，但沿橫梁厚度方向遠(yuǎn)離表面迅速減少，與常規(guī)橫梁受力具有明顯差異，需進(jìn)行特殊加強(qiáng)配筋設(shè)計(jì)。

考慮孔洞削弱后按應(yīng)力域法(圖14)進(jìn)行配筋驗(yàn)算，采取增設(shè)橫梁抗剪箍筋和錨固面豎向抗拉鋼筋，以滿足規(guī)范受力和抗裂要求。橫梁應(yīng)力域編號和鋼筋加強(qiáng)設(shè)計(jì)如圖15所示。

圖14 橫梁應(yīng)力圖

3.3 多主梁箱梁施工順序及空間受力性能

由于采用了墩梁固結(jié)的整體式墩頂橫梁、分箱室雙主梁結(jié)構(gòu)，左右幅箱梁受力相互影響，合龍?bào)w系轉(zhuǎn)換和預(yù)應(yīng)力施加順序是一個(gè)挑戰(zhàn)。對于分箱室雙主梁可選用的施工順序有：① 先合龍一幅主梁并施加預(yù)應(yīng)力再施工另一幅主梁；② 先合龍一幅主梁不施加預(yù)應(yīng)力，待合龍另一幅主梁后同步施加預(yù)應(yīng)力；③ 雙幅主梁同步拼裝合龍后張拉預(yù)應(yīng)力。對不同施工順序進(jìn)行詳細(xì)分析，各主梁軸力如圖16所示。

圖15 橫梁應(yīng)力域編號和鋼筋示意圖

圖16 不同施工順序下各主梁預(yù)應(yīng)力軸力

由圖16可知：主梁架設(shè)順序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大，施工順序①左右幅不同步施工，先合龍的左幅主梁除承受左幅已張拉的體外預(yù)應(yīng)力，同時(shí)還承受后合龍右幅主梁體外預(yù)應(yīng)力的9%，達(dá)到全斷面體外預(yù)應(yīng)力59%，而后合龍的右幅主梁僅承受全斷面體外預(yù)應(yīng)力41%；因此在先合龍左幅主梁落架的預(yù)應(yīng)力需求和后期右幅主梁的附加預(yù)應(yīng)力之間難以兼顧平衡；施工順序②雖然左右幅軸力相同，但由于先合龍的左幅未施加預(yù)應(yīng)力，不能落架，在實(shí)際施工中可行性差；該文提出的雙幅同步架設(shè)施工方法，左右幅同步合龍?bào)w系轉(zhuǎn)換，同步施加預(yù)應(yīng)力，確保了左右幅主梁及橋墩結(jié)構(gòu)受力均勻，且同步架設(shè)也使拼裝速度提高1倍。

此外，若由于箱梁節(jié)段存梁期不同產(chǎn)生收縮和徐變的差異，或者施工過程中產(chǎn)生的左右幅的差異，則可以通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 施工工藝

預(yù)制節(jié)段箱梁采用逐跨拼裝施工，大跨采用懸臂拼裝施工，梁段運(yùn)輸方式為陸路運(yùn)輸，橋位處吊裝，架橋機(jī)采用上行式架橋機(jī)。該工程考慮到預(yù)制廠的制梁能力，墩頂橫梁和下部墩柱最終采用鋼筋模塊整體工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場澆筑的方式。

逐跨拼裝施工的主要工序?yàn)椋杭軜驒C(jī)吊裝箱梁節(jié)段，匹配后涂抹環(huán)氧膠并張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，鎖定濕接縫處勁性骨架澆筑濕接縫，張拉跨間體外束，拆除臨時(shí)預(yù)應(yīng)力及勁性骨架，箱梁落架，解除臨時(shí)固結(jié)，架橋機(jī)移至下一跨，依次逐跨進(jìn)行拼裝。

由于中國未采用過雙幅同步架設(shè)的施工工藝，因此需研發(fā)專用的架橋機(jī)設(shè)備(圖17)。為保證左右兩幅架橋機(jī)在起吊箱梁節(jié)段和前移過程中保持同步，采用兩臺(tái)架橋機(jī)串聯(lián)、同一臺(tái)電腦控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在起吊箱梁節(jié)段和架橋機(jī)前移過程中，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)對架橋機(jī)支腿、吊機(jī)位移和油缸反力進(jìn)行監(jiān)測，偏差超出允許范圍立即進(jìn)行糾偏調(diào)整，保證兩臺(tái)架橋機(jī)的同步性。橋梁建成后實(shí)景圖見圖18。

圖17 雙幅同步架設(shè)施工

圖18 橋梁建成后實(shí)景照片

5 結(jié)語

洪都大道為大規(guī)模采用節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)的城市橋梁，提出了適用于城市橋梁的分箱式主梁、整體大懸挑橫梁、墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。針對城市預(yù)制拼裝橋梁的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及施工方法等方面系統(tǒng)性提出了分箱室節(jié)段箱梁、半固結(jié)結(jié)構(gòu)體系、基于施工效率的混合配束預(yù)應(yīng)力體系、預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向錨固構(gòu)造集成設(shè)計(jì)、橫斷面標(biāo)準(zhǔn)化、剪力鍵標(biāo)準(zhǔn)化、耐久性設(shè)計(jì)以及雙幅同步架設(shè)施工等技術(shù)措施，深入研究多主梁空間受力性能，探索城市高架橋梁新型節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，詳細(xì)論述了設(shè)計(jì)所考慮的技術(shù)要點(diǎn)與創(chuàng)新。

洪都大道于2019年4月建成通車，經(jīng)工程實(shí)踐，通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化引領(lǐng)施工快速化，單節(jié)段預(yù)制平均2.5 d，拼裝平均6 d一跨，進(jìn)一步提高了中國城市橋梁建造的工業(yè)化水平。