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        小跨徑現(xiàn)澆箱梁設(shè)計(jì)和施工方案優(yōu)化思路

        2022-03-08 01:42:28楊益鳴李孟暉
        關(guān)鍵詞:箱梁橋梁優(yōu)化

        楊益鳴,李孟暉

        (中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司,北京 100027)

        1 引言

        曲線段的橋梁匝道在平面和縱斷面上變化急劇,需要在較短線型內(nèi)完成交通流向的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)縱橫坡的平順過(guò)渡,結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜。這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性、抗裂性、抗變形能力都有較高的要求。本文以斯里蘭卡科倫坡城市固廢處理項(xiàng)目為背景,以16 跨公路橋現(xiàn)澆箱梁以及3 跨鐵路橋現(xiàn)澆箱梁為分析對(duì)象,從曲線線型、超靜定結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力需求、施工工藝以及項(xiàng)目工期和成本角度來(lái)考慮,深析小半徑曲線梁橋的設(shè)計(jì)與優(yōu)化思路。

        2 工程概況

        項(xiàng)目所屬地位于低洼沼澤區(qū),設(shè)計(jì)時(shí)利用架空平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)高抬升,故將道路設(shè)置為橋梁形式。所述項(xiàng)目共有現(xiàn)澆箱梁19 跨,詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 項(xiàng)目現(xiàn)澆箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)

        3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

        3.1 梁體結(jié)構(gòu)形式

        該項(xiàng)目橋梁段轉(zhuǎn)彎半徑較小,若采用裝配式結(jié)構(gòu),存在下列問(wèn)題:

        1)預(yù)制構(gòu)件需要單獨(dú)采購(gòu)和制作模板進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn),增加了施工成本;

        2)項(xiàng)目場(chǎng)地狹長(zhǎng)有限,若再對(duì)曲線部位的構(gòu)件進(jìn)行吊裝合龍,施工機(jī)具擺設(shè)空間不足,實(shí)施難度較大。

        采用現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢(shì):

        1)曲線部位構(gòu)件采用現(xiàn)澆形式可以實(shí)現(xiàn)一箱多室,整體性能好,且易于做成復(fù)雜形狀;

        2)可以避免由預(yù)制拼裝后二次澆筑鉸縫位置所帶來(lái)的耐久性差的問(wèn)題。

        考慮到本項(xiàng)目對(duì)梁體縱橫向的空間抗彎、抗扭要求較高,故在公路橋和鐵路橋的曲線段均采用現(xiàn)澆箱梁的結(jié)構(gòu)形式。

        3.2 預(yù)應(yīng)力張拉條件

        本項(xiàng)目鐵路現(xiàn)澆箱梁采用了后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)初期,業(yè)主要求同時(shí)滿足“雙控”條件(即混凝土強(qiáng)度達(dá)到95%,且養(yǎng)護(hù)齡期不小于28 d)方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉工序。經(jīng)查閱相關(guān)資料及類(lèi)似工程實(shí)例,工程所在地溫度條件有利于混凝土早期形成較大強(qiáng)度?;炷猎噳K進(jìn)行強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)后,顯示8 d 混凝土(3 組試塊)平均強(qiáng)度值為51.5 MPa,大于設(shè)計(jì)值(95%)47.5 MPa,8 d 的混凝土彈性模量平均值為40 991 MPa,大于設(shè)計(jì)值(95%)32 775 MPa。因此,獲得監(jiān)理批準(zhǔn),在加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工養(yǎng)護(hù)和改善混凝土施工配合比的條件下,適當(dāng)減少了張拉前的養(yǎng)護(hù)天數(shù)。由于本項(xiàng)目的關(guān)鍵路徑為橋梁施工,優(yōu)化之后共節(jié)省了約30 d 的總工期。

        3.3 預(yù)應(yīng)力混凝土類(lèi)型

        按照國(guó)際和國(guó)內(nèi)規(guī)范,預(yù)應(yīng)力混凝土可被分為3 種類(lèi)型。

        英標(biāo)BS 5400-4:1990 Part4:Code of Practice for Design of Concrete Bridges[1]對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土的彎拉極限狀態(tài)分類(lèi)為:

        1)Class 1 為不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的構(gòu)件;

        2)Class 2 為允許出現(xiàn)所列范圍內(nèi)的拉應(yīng)力,但不允許出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫的構(gòu)件;

        3)Class 3 為允許出現(xiàn)所列范圍內(nèi)的拉應(yīng)力,且允許出現(xiàn)寬度在所列范圍內(nèi)的裂縫的構(gòu)件。

        我國(guó)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》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《公路橋規(guī)》)中6.1.2 規(guī)定[2],根據(jù)預(yù)應(yīng)力度(消壓彎矩與外荷載產(chǎn)生彎矩的比值)也將預(yù)應(yīng)力混凝土分為3 類(lèi)。

        1)全預(yù)應(yīng)力混凝土:在作用(或荷載)下構(gòu)件任何截面的受拉邊緣不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力(不得消壓);

        2)部分預(yù)應(yīng)力混凝土:A 類(lèi)構(gòu)件是荷載下受拉邊緣的拉應(yīng)力受限,B 類(lèi)構(gòu)件是荷載下受拉邊緣出現(xiàn)的裂縫寬度受限;

        3)鋼筋混凝土:無(wú)預(yù)加應(yīng)力的構(gòu)件。

        英標(biāo)和我國(guó)規(guī)范對(duì)于第1 類(lèi)構(gòu)件的劃分原則一致;第2類(lèi)構(gòu)件分類(lèi)中,國(guó)標(biāo)又細(xì)分為A、B 兩類(lèi)構(gòu)件,國(guó)標(biāo)A 類(lèi)對(duì)應(yīng)英標(biāo)Class 2,國(guó)標(biāo)B 類(lèi)對(duì)應(yīng)英標(biāo)Class 3。

        業(yè)主對(duì)于鐵路橋現(xiàn)澆箱梁的預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)要求較為含糊:根據(jù)業(yè)主書(shū)面要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)參照BS 8110:1997 Structural Use of Concrete[3]和BS 5400-4 規(guī)范,同時(shí),要求預(yù)應(yīng)力混凝土的分析和設(shè)計(jì)應(yīng)參照BS 8110 的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則。但是,對(duì)于橋梁混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)是否應(yīng)強(qiáng)制按照“Class 1”或“Class 2”,并未界定清楚。2 種要求下的預(yù)應(yīng)力混凝土張拉等級(jí)差別懸殊[4],工藝要求不同,施工成本不同。

        項(xiàng)目采取優(yōu)化措施如下:

        1)對(duì)比中英標(biāo)的有關(guān)研究[5],發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的BS 8110 中已規(guī)定適用范圍不包含“橋梁設(shè)計(jì)”,而適用于橋梁設(shè)計(jì)的BS 5400-4 又未對(duì)設(shè)計(jì)等級(jí)進(jìn)行強(qiáng)制要求。

        2)本項(xiàng)目橋梁最大跨度只有25 m,國(guó)內(nèi)《公路橋規(guī)》規(guī)定100 m 以?xún)?nèi)的小跨徑橋梁允許按照部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),新加坡Criteria for Road and Rail Transit System 中也說(shuō)明對(duì)于車(chē)站結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)當(dāng)以Class 2 進(jìn)行設(shè)計(jì);國(guó)內(nèi)外資料均表示:全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件如果由于超載而導(dǎo)致的破壞將是沒(méi)有預(yù)兆的脆性破壞,而用于小跨徑橋梁的部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件從抗拉到逐漸受拉則顯示出更耐久的性能,不但可以節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材,也能避免出現(xiàn)梁的過(guò)大返拱。

        3)大量搜集2)中規(guī)范要求的國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)案例,在類(lèi)似本項(xiàng)目的其他小跨徑預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)和荷載類(lèi)型下,采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是符合抗裂要求的。

        4)通過(guò)向業(yè)主展示鐵路現(xiàn)澆梁按Class 2(即A 類(lèi)部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件)進(jìn)行設(shè)計(jì)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖1),跨中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力約1.0 N/mm2,對(duì)照BS 5400-4 中對(duì)于Class 2 構(gòu)件的拉應(yīng)力最大允許值為2.55 N/mm2(見(jiàn)表2),證明本橋在短期效應(yīng)組合下的抗裂驗(yàn)算符合業(yè)主要求。

        表2 英標(biāo)BS 5400-4 中Cl as s 2 構(gòu)件的拉應(yīng)力允許值N/mm2

        圖1 本項(xiàng)目鐵路橋短期效應(yīng)組合下的應(yīng)力狀態(tài)

        基于大量論證的基礎(chǔ),更加清晰地厘定了本項(xiàng)目橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分類(lèi),推動(dòng)了價(jià)值工程,節(jié)省了箱梁設(shè)計(jì)高度、預(yù)應(yīng)力布筋方面的成本。

        4 施工方案優(yōu)化

        4.1 箱梁支撐方案

        原設(shè)計(jì)方案中,現(xiàn)澆梁的支撐形式均采用鋼管支墩加貝雷架??紤]到工期較長(zhǎng)、費(fèi)用較高的原因,在對(duì)支撐區(qū)域地基承載力和沉降檢測(cè)之后,對(duì)支撐結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化,具體優(yōu)化措施如下:

        按照J(rèn)GJ 300—2013《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》,采用三維有限元ANSYS 軟件對(duì)支架、承重梁、貝雷架構(gòu)件及鋼管立柱等進(jìn)行復(fù)核(見(jiàn)圖2),結(jié)果表明支架方案中各類(lèi)構(gòu)件承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖2 貝雷架弦桿承載力驗(yàn)算

        考慮到鋼管支墩的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),采用三維有限元ANSYS 軟件對(duì)立柱鋼管優(yōu)化后的長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行了穩(wěn)定性復(fù)核,并按照J(rèn)TJ 152—2012《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)貝雷梁結(jié)果的撓度進(jìn)行了復(fù)核,結(jié)果表明,立柱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)撓度均滿足設(shè)計(jì)要求。

        現(xiàn)澆箱梁支撐架結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)化情況見(jiàn)表3。

        表3 現(xiàn)澆箱梁支撐架結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)化結(jié)果

        4.2 混凝土澆筑工藝

        現(xiàn)澆連續(xù)箱梁整聯(lián)施工時(shí)基本上采用“兩次準(zhǔn)備,兩次澆注”的施工工藝,即分2 次進(jìn)行箱梁底板、腹板、頂板的鋼筋和內(nèi)外模板安裝。為提升現(xiàn)澆箱梁整體美觀,并適當(dāng)縮短施工工期。本工程對(duì)傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行了一定優(yōu)化,采用了“一次準(zhǔn)備、一次澆筑”的施工工藝,即一次性完成箱梁的鋼筋、模板后進(jìn)行一次性澆筑。具體措施如下。

        1)混凝土一次性澆筑,縱向從撓度大往小處澆筑,橫向澆筑順序:底腹板倒角處→底板→腹板→頂板。

        2)澆筑方式為分段澆筑,即先澆筑支座橫梁處的C50 混凝土,再同步澆筑每跨跨中段C50 混凝土。

        3)采用斜向分段,水平分層澆筑方法,從低處一端向高處一端呈梯狀分層連續(xù)澆筑,在下層混凝土初凝前澆筑完成上層混凝土。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文基于在建工程橋梁設(shè)計(jì)和施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在滿足技術(shù)要求、規(guī)范要求的前提下,總結(jié)出對(duì)現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力混凝土的張拉等級(jí)、張拉時(shí)間條件等設(shè)計(jì)要素優(yōu)化的思路;同時(shí),根據(jù)現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),優(yōu)化了支撐方案和澆筑方案,具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。本文的優(yōu)化思路是以本工程為例,對(duì)同類(lèi)型橋梁的梁體設(shè)計(jì)可提供一定借鑒和參考。

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