橋梁預(yù)制拼裝蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工研究

文/范滿蘭、李燕華

1 前言

高架橋梁是現(xiàn)階段應(yīng)用于城市橋梁建設(shè)的主要類型，在高架橋梁的建設(shè)中，傳統(tǒng)的施工方式并不利于下部橋梁的質(zhì)量和穩(wěn)定性建設(shè)。而利用預(yù)制拼裝技術(shù)對橋梁的蓋梁結(jié)構(gòu)施工，能夠通過提高橋梁的受力性能來優(yōu)化橋梁的建設(shè)。

2 常見的橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝方案

2.1 預(yù)制拼裝施工的應(yīng)用優(yōu)勢

高架橋梁能夠應(yīng)對現(xiàn)階段大多數(shù)復(fù)雜的城市交通環(huán)境，蓋梁作為連接橋梁上部與承接下部的荷載，在保證橋梁質(zhì)量和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用。現(xiàn)階段，我國用于橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)的施工方法以裝配式施工為主，而裝配式施工技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在預(yù)制拼裝上。

與原有的現(xiàn)場施工方式相比，預(yù)制拼裝的施工方式不僅能夠有效減少施工對現(xiàn)場交通造成的影響，而且還能夠在降低人員施工成本的同時，減少因高空作業(yè)導(dǎo)致的安全隱患。高架橋梁是現(xiàn)階段常用于城市橋梁工程建設(shè)的主要類型，在對高架橋梁的預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝時，主要采用整體、分兩節(jié)、分三節(jié)等方案進(jìn)行具體施工[1]。

2.2 整體預(yù)制吊裝

應(yīng)用于高架橋梁的預(yù)制結(jié)構(gòu)施工方案，都是以大部分高架橋梁的27m 標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為前提的，對于特殊情況需要加寬橋面的情況，主要采用的是門架式的蓋梁結(jié)構(gòu)。整體預(yù)制吊裝方案的主線標(biāo)準(zhǔn)蓋梁吊重能夠達(dá)到240t，這種預(yù)制吊裝方案應(yīng)用吊車一次性實(shí)現(xiàn)蓋梁的吊裝，減少了現(xiàn)場臨時搭建支承消耗的時間和成本，但由于其需要對吊裝的構(gòu)件選擇特殊的線路運(yùn)輸，再加上蓋梁整體結(jié)構(gòu)的吊重較高，對吊裝設(shè)備的要求也比較高，因此在實(shí)際應(yīng)用中尚有一定的限制和困難。

2.3 分兩節(jié)預(yù)制安裝

分兩節(jié)預(yù)制安裝方案，主要是將整體的蓋梁結(jié)構(gòu)分為兩個預(yù)制吊裝階段和一個后澆帶，通過降低施工的實(shí)際難度提高一次性施工的成功率。整個高架橋梁工程需要應(yīng)用多個蓋梁結(jié)構(gòu)，在將蓋梁結(jié)構(gòu)分階段預(yù)制時，每兩節(jié)之間的現(xiàn)澆段以1.5m 的預(yù)留距離為最佳。在實(shí)際安裝時，通過在蓋梁外側(cè)的端部設(shè)置臨時支承，保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；在兩節(jié)蓋梁結(jié)構(gòu)完成安裝后，再進(jìn)行現(xiàn)澆段以及預(yù)應(yīng)力的張拉施工。

2.4 分三節(jié)預(yù)制安裝

分三節(jié)預(yù)制安裝方案是最能體現(xiàn)裝配式施工以及預(yù)制拼裝施工特點(diǎn)和優(yōu)勢的安裝方案，這種安裝方案主要是通過將整體的蓋梁結(jié)構(gòu)劃分為三個預(yù)制吊裝節(jié)段以及兩道拼接縫，將每節(jié)蓋梁的重量控制在150t 之內(nèi)，進(jìn)而保證預(yù)制安裝的質(zhì)量和穩(wěn)定性。另外，在拼接縫和節(jié)段的蓋梁拼接面應(yīng)用環(huán)氧膠，以牛腿式進(jìn)行垂直接縫，能夠有效降低安裝的施工難度，加快施工進(jìn)度[2]。

3 橋梁預(yù)制拼裝蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工研究

不同的蓋梁預(yù)制安裝方案是依據(jù)不同的蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行的，為了使橋梁蓋梁的安裝質(zhì)量滿足橋梁工程的質(zhì)量要求，在應(yīng)用裝配式施工技術(shù)時，相關(guān)工作人員需要事先對橋梁的蓋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇適宜的預(yù)制拼裝方案。在對橋梁預(yù)制拼裝蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行分析時，主要可以從以下幾個方面來入手：

3.1 橋梁預(yù)制拼裝蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓋梁結(jié)構(gòu)本身在橋梁中起到支承、分布和傳遞上部結(jié)構(gòu)的作用，因此在對蓋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，相關(guān)工作人員首先要明確橋梁工程的主線橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度、橋梁荷載級別、上下部結(jié)構(gòu)組成等內(nèi)容，在了解橋梁工程的大概情況之后，再對橋梁的墩柱進(jìn)行分析，明確橋墩立柱截面尺寸、均高、蓋梁在道路中心線處的高度、橫向順向橋?qū)捯约吧w梁的總體重量。

蓋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性會受到施工后的預(yù)應(yīng)力張拉施工的影響，因此在設(shè)計(jì)橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)時，工作人員還要考慮到用于橋梁澆筑的混凝土強(qiáng)度等級，并仔細(xì)檢查預(yù)應(yīng)力鋼束的規(guī)格；另外，在蓋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工時，需要注意以“對稱張拉、先長束、后短束”的原則進(jìn)行張拉。當(dāng)接縫中的混凝土強(qiáng)度以及彈性模量等數(shù)據(jù)都能夠達(dá)到100%之后，先完成第一批鋼束的張拉，第二次張拉則需要在鋼梁完成架設(shè)之后。

由于現(xiàn)階段應(yīng)用于橋梁工程的起重機(jī)的最大起吊質(zhì)量大多控制在160t 左右，因此在選擇蓋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)制安裝時，大多采用階段劃分的拼裝方案。在完成蓋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工之后，將蓋梁結(jié)構(gòu)以橫向分段的形式在預(yù)制廠進(jìn)行預(yù)制，將預(yù)制結(jié)構(gòu)運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后，大多采用濕接縫的方式來完成蓋梁結(jié)構(gòu)節(jié)段間的連接。

3.2 有限元模型

依據(jù)橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，在對實(shí)際的蓋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，由于受到不同施工現(xiàn)場以及橋梁工程施工要求的影響，在結(jié)構(gòu)的具體數(shù)據(jù)信息方案會存在一定的差別。此外，通常采用有限元模型的方式來對蓋梁結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的受力情況進(jìn)行分析，在這個過程中，為了保證模擬受力情況的真實(shí)性，需要在有限元模型中建設(shè)蓋梁、立柱、樁基礎(chǔ)等蓋梁的具體結(jié)構(gòu)組成部分。

在建設(shè)橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型時，最重要的就是在保證遵循《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的前提下對蓋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在建模之后，不僅要考慮到加載的永久作用范圍，還要依據(jù)實(shí)際的施工順序?qū)δＰ椭械氖┕すr進(jìn)行合理劃分。應(yīng)用有限元模型的蓋梁結(jié)構(gòu)加載的永久作用，以一期恒載、二期鋪裝荷載以及混凝土的收縮徐變作用為主，實(shí)際的施工順序主要以橋梁墩柱施工、蓋梁吊裝、濕接縫施工、張拉鋼束、架設(shè)上部鋼梁、張拉鋼束以及橋面的整體施工為主。

3.3 結(jié)果分析

在建立好橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型之后，就要對建模的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，用于橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算項(xiàng)目，其主要包括以下幾個方面。

3.3.1 施工階段應(yīng)力驗(yàn)算

施工階段的應(yīng)力驗(yàn)算，主要體現(xiàn)在從張拉第一批鋼束到整個橋面施工的過程。

在依據(jù)有限元模型得出正應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果之后，一方面要依據(jù)公路混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)預(yù)應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)，對法向應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，另一方面也要將計(jì)算結(jié)果與得到的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較，用以保證蓋梁結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工中能夠滿足質(zhì)量和穩(wěn)定性的要求。

3.3.2 使用階段應(yīng)力驗(yàn)算

使用階段的應(yīng)力驗(yàn)算，主要是為了保證在橋梁工程使用之后蓋梁結(jié)構(gòu)能夠承受的應(yīng)力大小以及是否會對蓋梁結(jié)構(gòu)和橋面的質(zhì)量產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響。在對此階段的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算時，主要需要將有限元模型中蓋梁的正截面法向應(yīng)力、斜截面的主壓應(yīng)力變化結(jié)果提取出來，并依據(jù)相關(guān)的法律法規(guī)文件標(biāo)準(zhǔn)，將理論上蓋梁正截面混凝土的壓應(yīng)力以及斜截面混凝土的主壓應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來。以表1應(yīng)用的蓋梁結(jié)構(gòu)為例，這種蓋梁在使用階段的法向應(yīng)力以15.81MPa 為最大標(biāo)準(zhǔn)，在經(jīng)過計(jì)算之后可以得知，這一標(biāo)準(zhǔn)比規(guī)范的16.2MPa 要??；這種蓋梁的最大斜截面主壓應(yīng)力也以15.81MPa 為標(biāo)準(zhǔn)，而規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)是19.44MPa，這也比規(guī)定的范圍要小。因此，依據(jù)有限元模型可以得知，該蓋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在壓應(yīng)力方面符合實(shí)際的蓋梁結(jié)構(gòu)施工標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.3 持久狀況抗裂驗(yàn)算

在進(jìn)行蓋梁結(jié)構(gòu)的持久狀況抗裂驗(yàn)算時，需要在有限元模型中結(jié)合蓋梁結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)以及長期效應(yīng)組合的情況下進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果對混凝土的拉應(yīng)力分別在短期效應(yīng)以及長期效應(yīng)中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行蓋梁結(jié)構(gòu)的持久狀況抗裂驗(yàn)算時，蓋梁結(jié)構(gòu)能夠符合壓應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)要求，大多是由于蓋梁結(jié)構(gòu)在短期效應(yīng)與長期效應(yīng)的組合下并沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，而且長期效應(yīng)下也不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此蓋梁結(jié)構(gòu)大多只需要對短期效應(yīng)中出現(xiàn)的拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，判斷其是否滿足要求，就可以實(shí)現(xiàn)對蓋梁結(jié)構(gòu)持久狀況的計(jì)算。

3.3.4 持久狀況承載能力驗(yàn)算

承載能力是橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)最需要滿足的性能要求，在進(jìn)行蓋梁結(jié)構(gòu)的持久狀況承載能力驗(yàn)算時，最主要的是在長期效應(yīng)的條件下，對蓋梁結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力效應(yīng)以及抗力進(jìn)行提取和驗(yàn)算。整個驗(yàn)算的方法和標(biāo)準(zhǔn)，要完全按照公路混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行，以此滿足實(shí)際的橋梁工程設(shè)計(jì)要求。

在對橋梁蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行分析之后可以得知，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段應(yīng)用于我國城市橋梁工程的施工類型以高架橋梁為主?；谘b配式施工技術(shù)的要求以及橋面的寬度要求，在對橋梁的蓋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時，首先需要采用橫向分段的方式來完成蓋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝，而在選擇實(shí)際的預(yù)制安裝方案時，則需要在結(jié)合施工現(xiàn)場的環(huán)境之后，具體選擇分兩節(jié)還是分三節(jié)進(jìn)行預(yù)制安裝；其次，在對蓋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)用有限元模型能夠?qū)ιw梁結(jié)構(gòu)在施工和使用階段承受的應(yīng)力是否滿足蓋梁結(jié)構(gòu)的承載要求進(jìn)行驗(yàn)算，這對保證蓋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量具有重要的作用。

4 結(jié)語

綜上所述，預(yù)制拼裝的蓋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效保證橋梁工程的質(zhì)量和美觀等性能，確保預(yù)制橋墩、蓋梁受力、連接方式以及施工工藝等方面的性能優(yōu)勢，有利于提升橋梁工程預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用水平。