高速公路裝配式箱涵設(shè)計(jì)與施工分析

李 偉

(山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

1 裝配式箱涵方案比選

本項(xiàng)目涵洞接長(zhǎng)共設(shè)計(jì)4種規(guī)格的裝配式箱涵，即：3 m×2.5 m，3 m×3.5 m，4 m×3.5 m和4 m×4.5 m。根據(jù)本項(xiàng)目的吊裝、運(yùn)輸?shù)仁┕ひ螅?jīng)過研究和分析，我們提出的門形裝配式箱涵，箱涵底板在受力較小位置處斷開，箱涵由預(yù)制門式構(gòu)件和現(xiàn)澆底板兩部分組成。此方案箱涵較大程度地減小了預(yù)制構(gòu)件的重量，且箱涵整體性較好，底板現(xiàn)澆對(duì)地基的平整度要求也較小，獲得了建設(shè)方和施工方的一致認(rèn)可，因此我們最終確定采用門形裝配式箱涵為本項(xiàng)目的箱涵接長(zhǎng)設(shè)計(jì)方案。

2 裝配式箱涵設(shè)計(jì)計(jì)算

箱涵的設(shè)計(jì)計(jì)算包括內(nèi)力計(jì)算和配筋設(shè)計(jì)計(jì)算兩大部分，傳統(tǒng)箱涵均是參照國(guó)內(nèi)規(guī)范、按照現(xiàn)澆力-式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的，尺寸較大、配筋較多，工程反饋涵洞設(shè)計(jì)偏于保守。對(duì)于裝配式箱涵，綜合考慮工廠預(yù)制、運(yùn)輸和吊裝等因素，不適宜按照現(xiàn)澆模式來設(shè)計(jì)計(jì)算，因此我們考慮采用美國(guó)軟件ETCulvert進(jìn)行某高速改擴(kuò)建項(xiàng)目裝配式箱涵的設(shè)計(jì)計(jì)算。ETCulvert是一款既可用于現(xiàn)澆箱涵計(jì)算，也可用于裝配式箱涵計(jì)算的多功能軟件。

ETCulvert軟件分為設(shè)計(jì)和驗(yàn)算兩種模式，本項(xiàng)目裝配式箱涵計(jì)算先按設(shè)計(jì)模式進(jìn)行，然后根據(jù)國(guó)內(nèi)施工的習(xí)慣、要求和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算得到的箱涵尺寸和配筋進(jìn)行局部調(diào)整，再通過ETCulvert軟件中的驗(yàn)算模式進(jìn)行驗(yàn)算，最終確定箱涵尺寸和配筋。計(jì)算時(shí)，活載采用國(guó)內(nèi)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTUD60-2004)中定義的汽車荷載。

3 裝配式箱涵試驗(yàn)研究

3.1 箱涵周圍土壓力監(jiān)測(cè)

箱涵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，汽車荷載的作用采用等效土壓力加載的方式進(jìn)行模擬，箱涵頂部填土至一定高度后，為保證填土的壓實(shí)度和作用，采用砂袋灌土的方式繼續(xù)堆載至設(shè)計(jì)填土高度。

土壓力監(jiān)測(cè)采用土壓力盒和數(shù)字式頻率儀進(jìn)行。土壓力的測(cè)點(diǎn)主要設(shè)置在中間一節(jié)箱涵的中斷面上，共布設(shè)35個(gè)測(cè)點(diǎn)，土壓力監(jiān)測(cè)主要測(cè)量箱涵周圍土壓力隨填土和汽車荷載作用的變化，以了解箱涵周圍土體的壓實(shí)情況。

試驗(yàn)得到箱涵兩側(cè)填土土壓力基本一致，且均隨著填土高度的增大均勻增大，說明箱涵兩側(cè)填土是對(duì)稱的，且壓實(shí)度較好，由于靠近箱涵附近只能采用小型壓實(shí)機(jī)具和人工壓實(shí)方式壓實(shí)，因而外側(cè)-排測(cè)點(diǎn)的土壓力均比內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)大一些。箱涵頂板兩端外側(cè)處土壓力存在局部跳躍現(xiàn)象，主要由于箱涵頂部拐角處壓實(shí)較難控制所致，隨著頂部填土的增加，跳躍處的土壓力逐漸恢復(fù)正常。

3.2 箱涵應(yīng)力監(jiān)測(cè)

箱涵應(yīng)力監(jiān)測(cè)選擇中間一節(jié)箱涵的中部截面作為監(jiān)測(cè)斷面，沿箱涵外表面和內(nèi)表面共布置31個(gè)測(cè)點(diǎn)，箱涵內(nèi)側(cè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)處分別沿軸向和環(huán)向兩個(gè)方向粘貼應(yīng)變片，箱涵外側(cè)采用預(yù)埋鋼弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

箱涵應(yīng)力監(jiān)測(cè)根據(jù)施工過程分為兩個(gè)階段：回填壓實(shí)階段和汽車荷載作用階段。通過對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)的分析，得到箱涵頂板、側(cè)墻和底板各部分的內(nèi)力分布、控制應(yīng)力及其所在位置。

試驗(yàn)結(jié)果表明：箱涵頂板外側(cè)全部受壓、內(nèi)側(cè)全部受拉，跨中拉應(yīng)力最大為4.832 MPa；填土較低時(shí)，箱涵側(cè)墻表現(xiàn)為外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓，隨著填土的增加，側(cè)墻中部外側(cè)的拉應(yīng)力逐漸減小，最終轉(zhuǎn)換為內(nèi)側(cè)受拉，最大拉應(yīng)力為1.516 MPa；箱涵底板表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受拉，由于底板有一部分為后澆，且底下地基土并非理想的彈性均質(zhì)地基，實(shí)測(cè)底板的最大拉應(yīng)力不在跨中位置，而在底板端部?jī)?nèi)側(cè)的倒角處，最大為1.902 MPa。由箱涵各部位控制應(yīng)力可知，局部位置應(yīng)力超過了箱涵結(jié)構(gòu)混凝土的抗拉強(qiáng)度，箱涵局部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，但根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)，未能檢測(cè)出肉眼可見的裂縫，說明裂縫寬度還非常小，不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.3 箱涵變形和沉降監(jiān)測(cè)

箱涵變形監(jiān)測(cè)主要選擇中間預(yù)制節(jié)段布置測(cè)點(diǎn)，在頂板和側(cè)墻上共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)箱涵的水平和豎向變形。箱涵沉降測(cè)點(diǎn)布置在各箱涵預(yù)制節(jié)段底板內(nèi)側(cè)，一共選擇5個(gè)斷面監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，箱涵頂板的豎向變形最大，變形值為2.14 mm，箱涵側(cè)墻的最大水平變形值為1.03 mm，由此可知，所設(shè)計(jì)的箱涵在涵頂5 m高填土荷載和汽車荷載作用下的變形值很小。箱涵各沉降測(cè)點(diǎn)的位移值均比較接近，平均12.2 mm，說明箱涵基礎(chǔ)處理后較為穩(wěn)固，也比較均勻，可保障箱涵不會(huì)因沉降不均勻而發(fā)生破壞。

4 裝配式箱涵施工

4.1 工廠預(yù)制

鋼筋骨架制作。構(gòu)件屬于規(guī)格結(jié)構(gòu)，鋼筋綁扎選擇的是自制定位胎架，從胎架中建立卡槽與定位管，以實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架間隔距離的有效控制。

模板設(shè)計(jì)及制作。選擇8 mm定型的復(fù)合鋼模板進(jìn)行構(gòu)件預(yù)制，必須確保模板剛度、強(qiáng)度與精度符合規(guī)范要求，同時(shí)模板設(shè)計(jì)采用側(cè)移式與鉸接式，重視模板合龍與構(gòu)件脫模等操作的便捷性。

構(gòu)建保護(hù)層。墊塊數(shù)量應(yīng)確保≥4個(gè)/m2，以梅花型進(jìn)行布設(shè)，結(jié)合具體狀況實(shí)施加密，以免墊塊數(shù)量不足，從而造成鋼筋下沉或是墊塊壓碎變形。

鋼筋骨架吊裝。選用吊裝模具以多點(diǎn)吊裝方式進(jìn)行鋼筋骨架安裝，以免吊裝施工階段骨架出現(xiàn)變形，從而對(duì)構(gòu)件的性能指標(biāo)造成不利影響。

4.2 構(gòu)件運(yùn)輸及拼裝

構(gòu)件運(yùn)輸。主要采用平板車完成構(gòu)件的安全運(yùn)輸，但是需要提前根據(jù)實(shí)際情況與運(yùn)輸要求等做好相關(guān)組織工作。

構(gòu)件拼裝準(zhǔn)備。在正式進(jìn)行構(gòu)件拼裝施工之前，需要對(duì)墊層的平整度實(shí)施嚴(yán)格檢查，確保平整度誤差低于3 m。同時(shí)構(gòu)件運(yùn)輸之前，也要對(duì)運(yùn)輸路線進(jìn)行全面檢查，以保證構(gòu)件運(yùn)輸?shù)捻樌ㄐ?。采用的?gòu)件運(yùn)輸設(shè)備主要是大型平板車，通過倒鏈將構(gòu)件固定，然后合理支墊橡膠墊，以保證構(gòu)件運(yùn)輸階段不會(huì)出現(xiàn)破損現(xiàn)象。

構(gòu)件拼裝。按照構(gòu)件的最大重量與安裝施工等要求，需要配置一臺(tái)履帶吊車(重量級(jí)別是80 t)。在節(jié)段安裝過程中需要嚴(yán)格貫徹由低處至高處的逐節(jié)安裝基本原則，首先進(jìn)行側(cè)墻拼裝，然后進(jìn)行蓋板拼裝。但是蓋板吊裝就位之前，需要從側(cè)墻凹槽涂抹高強(qiáng)水泥砂漿(級(jí)別是M30)，在蓋板就位后實(shí)現(xiàn)鉸縫的自行填塞。

5 總 結(jié)

本文首先對(duì)高速公路裝配式箱涵設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，主要包含了涵洞結(jié)構(gòu)選擇、跨徑對(duì)比以及結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)等，并重點(diǎn)研究了裝配式箱涵施工過程，分析了裝配式箱涵與傳統(tǒng)涵洞施工對(duì)比。研究表明，裝配式箱涵施工規(guī)范、精細(xì)，需要的施工工時(shí)較短，顯著控制了施工成本，而且使用范圍比較廣。