新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)與施工

新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)與施工

在交叉口的其他區(qū)域，有許多橋梁位于小半徑曲線、高變化間隔和顯著寬度擾動(dòng)帶上。為解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用于互通區(qū)時(shí)存在的上述問題，本文對(duì)結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行創(chuàng)新，提出一種新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁，并將從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型、受力分析、施工方法等方面進(jìn)行研究、論述結(jié)構(gòu)的可行性及合理性;同時(shí)擬從設(shè)計(jì)及施工角度出發(fā)，研究優(yōu)化布梁方案及相關(guān)構(gòu)造處理，以提升該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化水平，推動(dòng)結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。1結(jié)構(gòu)類型1.1結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造本文介紹的新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁，采用T型(也可根據(jù)需要采用I型或U型等)預(yù)制主梁，主梁間通過橫梁進(jìn)行連接;混凝土橋面板現(xiàn)澆并通過預(yù)埋件與主梁疊合后形成整體結(jié)構(gòu);預(yù)制主梁和現(xiàn)澆橋面板均采用C50混凝土。該結(jié)構(gòu)的體系構(gòu)造屬于預(yù)制裝配式橋梁，采用“預(yù)制+現(xiàn)澆”的施工方式，預(yù)制主梁在工廠內(nèi)預(yù)制，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，工藝成熟，質(zhì)量可靠該預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁上部體系主要由預(yù)制中主梁、預(yù)制邊主梁、防傾構(gòu)造、現(xiàn)澆橋面板、預(yù)埋件和橫梁組成。預(yù)制中主梁和預(yù)制邊主梁架設(shè)在蓋梁調(diào)平墊石上，預(yù)制邊主梁兩端設(shè)置防傾構(gòu)造;現(xiàn)澆橋面板澆筑在預(yù)制主梁上，并通過預(yù)埋在預(yù)制主梁內(nèi)的預(yù)埋件與預(yù)制主梁結(jié)合;橫梁作為主梁間的橫向聯(lián)系設(shè)置在主梁端部及其他必要的位置。從互通區(qū)的實(shí)際情況出發(fā)，本文介紹的新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁采用簡支橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，其典型構(gòu)造如圖1所示。1.2外側(cè)挑臂不對(duì)稱設(shè)置新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁的預(yù)制中主梁和預(yù)制邊主梁采用T型梁，預(yù)制梁上翼緣標(biāo)準(zhǔn)厚度采用10cm，預(yù)制主梁頂寬比常規(guī)裝配式結(jié)構(gòu)窄，預(yù)制主梁梁頂、底均為水平，斷面構(gòu)造與橋面橫坡無關(guān)，使得預(yù)制便捷，質(zhì)量可靠，預(yù)制梁做窄做輕，方便了運(yùn)輸及架設(shè)。預(yù)制邊主梁外側(cè)挑臂不對(duì)稱設(shè)置，采用外側(cè)大挑臂構(gòu)造，可兼作上部現(xiàn)澆橋面板的底模，避免了邊梁外側(cè)挑臂現(xiàn)澆施工時(shí)需搭設(shè)模板的困難，使得施工快捷、經(jīng)濟(jì)、高效。由于預(yù)制邊主梁的外挑臂較長，有向外傾覆的可能，為此，在預(yù)制邊主梁外側(cè)增設(shè)牛腿作為防傾構(gòu)造，以保證各片預(yù)制梁在橫向連接完成之前的穩(wěn)定性。增設(shè)的牛腿與預(yù)制邊主梁一體預(yù)制成型，牛腿下設(shè)置臨時(shí)支座。該結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆橋面板頂面橫坡與橋面橫坡一致，現(xiàn)場(chǎng)澆筑方式較好地適應(yīng)了橋面橫坡變化的需要。由于預(yù)制主梁上翼緣做窄做薄，現(xiàn)澆橋面板相對(duì)又較厚，橫坡變化引起的現(xiàn)澆橋面板局部厚度變化很小，精度可控，大大加強(qiáng)了橋梁上部的整體性，并可減少橋面病害該結(jié)構(gòu)通過在預(yù)制主梁內(nèi)設(shè)置的預(yù)埋件，加強(qiáng)了預(yù)制主梁與現(xiàn)澆橋面板的連接，使二者有機(jī)結(jié)合，協(xié)同受力，同時(shí)在主梁兩端及其他必要位置處設(shè)置橫梁，以實(shí)現(xiàn)主梁間的橫向聯(lián)系。1.3主梁和邊板挑臂長度調(diào)整新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁采用16m和25m兩種標(biāo)準(zhǔn)跨徑，主要基于以下考慮:針對(duì)小半徑曲線匝道橋，采用16m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，其優(yōu)點(diǎn):可適用于平曲線半徑≥60m的匝道，主梁按直線布置，曲線通過調(diào)整邊梁挑臂長度實(shí)現(xiàn)，邊板挑臂調(diào)整長度不超過25cm。針對(duì)變寬橋梁、跨線橋梁和曲線半徑較大的“S”彎橋梁，采用25m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，其優(yōu)點(diǎn):1)能適應(yīng)曲線半徑大于150m的橋梁;2)考慮標(biāo)準(zhǔn)跨徑的適用性，樞紐區(qū)配跨一般受到很多節(jié)點(diǎn)控制，會(huì)出現(xiàn)一些非標(biāo)準(zhǔn)跨徑，如按25m標(biāo)準(zhǔn)跨徑設(shè)計(jì)，20m～25m跨徑范圍內(nèi)可統(tǒng)一采用25m梁高，標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)更高;3)從經(jīng)濟(jì)性考慮，25m跨徑在上部費(fèi)用增加不多的情況下，能顯著減少下部數(shù)量及費(fèi)用，有較好的經(jīng)濟(jì)性。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方法本結(jié)構(gòu)主要是為了解決互通區(qū)特殊條件下設(shè)置橋梁困難而提出的，故針對(duì)互通區(qū)的特定條件，本文對(duì)新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等有關(guān)問題進(jìn)行了研究，并提出了方便可行的施工方法。2.1互通區(qū)匝道梁間距互通區(qū)匝道常用橋梁斷面寬度主要有8.5m和10m，較合理的橋梁斷面布置有:1)標(biāo)準(zhǔn)梁間距1.7m左右:8.5m斷面設(shè)置5片梁，斷面布置:(0.85+4×1.7+0.85)m，梁間距為1.7m;10m斷面設(shè)置6片梁，斷面布置:(0.85+5×1.66+0.85)m，梁間距為1.66m。2)標(biāo)準(zhǔn)梁間距2.2m左右:8.5m斷面設(shè)置4片梁，斷面布置:(0.86+3×2.26+0.86)m，梁間距為2.26m;10m斷面設(shè)置5片梁，斷面布置:(0.85+4×2.07+0.85)m，梁間距為2.07m。以16m跨徑為例，對(duì)上述2種情況進(jìn)行計(jì)算、比選，統(tǒng)計(jì)的混凝土指標(biāo)、預(yù)應(yīng)力鋼束指標(biāo)見表1。由表1可見，對(duì)于互通區(qū)匝道常用斷面寬度(8.5m/10m)，采用2.26m/2.07m梁間距的材料指標(biāo)較采用1.7m/1.66m梁間距的材料指標(biāo)略微節(jié)省(節(jié)省3.2%～9.3%)，但強(qiáng)度富裕較低，采用2.26m/2.07m梁間距的強(qiáng)度富裕小于5%，而采用1.7m/1.66m梁間距的強(qiáng)度富裕均在10%以上。在經(jīng)濟(jì)性差距不大的情況下，綜合考慮安全性、耐久性及變寬路段橋梁的適用性等因素，本新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁采用1.7m左右的標(biāo)準(zhǔn)梁間距。2.2梁高對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束性能的影響由于互通區(qū)匝道橋橋面一般較高，凈高不是限制性因素，故選擇梁高時(shí)，應(yīng)在合理的范圍內(nèi)首先考慮經(jīng)濟(jì)性因素。下面以互通區(qū)匝道常用的10m橋?qū)挕嗝娌贾?0.85+5×1.66+0.85)m為例，對(duì)16m、25m跨徑不同梁高分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，具體見表2、表3。由表2、表3可知，對(duì)16m、25m標(biāo)準(zhǔn)跨徑分別采用1.2m、1.6m梁高的情況下，混凝土材料指標(biāo)增加不大，預(yù)應(yīng)力鋼束指標(biāo)減少很多，較為經(jīng)濟(jì)合理;同時(shí)由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，本新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁較對(duì)應(yīng)跨徑的傳統(tǒng)裝配式混凝土橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)。2.3預(yù)制邊界層設(shè)置針對(duì)互通區(qū)的特定條件，通過相關(guān)計(jì)算分析、優(yōu)化及論證工作，結(jié)合前文論述，新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁標(biāo)準(zhǔn)梁間距取1.7m,16m、25m跨徑混凝土疊合梁預(yù)制主梁高度h分別為1.2m、1.6m;預(yù)制中主梁寬度為80cm，預(yù)制邊主梁內(nèi)半梁寬度40cm，外半梁寬度可根據(jù)橋梁邊線適當(dāng)調(diào)整;預(yù)制主梁上翼緣標(biāo)準(zhǔn)厚度采用10cm，在腹板交接處設(shè)置10cm×10cm的倒角;預(yù)制主梁腹板標(biāo)準(zhǔn)寬度b分別為18cm、20cm;預(yù)制主梁下馬蹄寬度d分別為40cm、48cm，馬蹄倒角高c分別為15cm、20cm，馬蹄總高度分別為35cm、40cm。在預(yù)制主梁端部1m范圍內(nèi)設(shè)置腹板加厚段，并在跨徑方向設(shè)置過渡段。16m、25m跨徑混凝土疊合梁現(xiàn)澆橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度均為18cm，總的橋面板厚度均為28cm;現(xiàn)澆橋面板板頂橫坡與橋面橫坡i一致。16m、25m跨徑混凝土疊合梁橫隔板均采用35cm厚度，在梁兩端部及跨中各設(shè)置一道橫隔板。在預(yù)制邊主梁兩端部外側(cè)設(shè)置25cm×20cm的牛腿作為防傾構(gòu)造。新型混凝土疊合梁構(gòu)造斷面如圖2所示。由圖2可知，新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁在預(yù)制梁頂板范圍內(nèi)的現(xiàn)澆橋面板厚度變化范圍為(18±40i)cm，在互通區(qū)匝道平曲線路段極限超高值8%的情況下2.4橋面板應(yīng)力分析在確定新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁的相關(guān)構(gòu)造及尺寸后，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析。主橋上部結(jié)構(gòu)以平面桿系有限元理論為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算分析，16m、25m跨徑簡支預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁控制截面的主要內(nèi)力、應(yīng)力、撓度及配束情況見表4，均滿足相關(guān)規(guī)范同時(shí)利用Abaqus按空間三維實(shí)體對(duì)16m跨徑、8.5m橋?qū)捄?5m跨徑、12.25m橋?qū)?種匝道彎橋進(jìn)行了計(jì)算分析?？臻g分析時(shí)，考慮了互通區(qū)匝道不利平曲線條件下的實(shí)際布梁情況，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3、圖4中，16m跨徑、25m跨徑的計(jì)算結(jié)果表明:橋面板最大拉應(yīng)力分別為-1.137MPa、-1.6MPa(受壓)，發(fā)生在跨中;預(yù)制主梁與現(xiàn)澆橋面板結(jié)合面最大剪切應(yīng)力分別為1.412MPa、1.028MPa，發(fā)生在簡支橋端部內(nèi)側(cè)T梁與橋面交界面上;橫隔板最危險(xiǎn)部位在簡支梁端部彎橋的外側(cè)，應(yīng)力分別為0.449MPa、-1.07MPa;簡支橋面連續(xù)構(gòu)造最大拉應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)側(cè)，分別為0.242MPa、0.125MPa。結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足規(guī)范要求。2.5吊裝預(yù)制主梁本結(jié)構(gòu)橋梁的施工流程可采用:1)在工廠內(nèi)制作預(yù)制主梁，同時(shí)預(yù)埋連接件，預(yù)制主梁運(yùn)送至工地;2)待橋梁下部施工完成后，汽車吊裝預(yù)制主梁就位;3)在預(yù)制邊主梁的防傾構(gòu)造下設(shè)置臨時(shí)支座，吊模，綁扎鋼筋，澆筑現(xiàn)澆橋面板及橫梁;4)待現(xiàn)澆橋面板及現(xiàn)澆橫梁的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除防傾構(gòu)造下的臨時(shí)支座，然后施工橋面鋪裝及護(hù)欄。針對(duì)本結(jié)構(gòu)預(yù)制梁結(jié)構(gòu)小、吊重輕的特點(diǎn)，主梁架設(shè)時(shí)，建議首選汽車吊裝，有特殊需要時(shí)，可采用在梁上鋪設(shè)可轉(zhuǎn)向滑軌的橋面運(yùn)梁方案。3提升性能：靠性與高效性標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化制造、裝配化施工的生產(chǎn)方式，具有集約性、可靠性和高效性的特點(diǎn)，又能相互促進(jìn)、相互提升。為此，本文結(jié)合互通區(qū)的特定條件，從設(shè)計(jì)及施工角度出發(fā)，對(duì)新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化制造的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。3.1布梁方案由于互通區(qū)匝道橋通常轉(zhuǎn)彎半徑較小，使用混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行跨越時(shí)，往往內(nèi)外側(cè)梁長相差較大，梁長型號(hào)較多1方案1:ksb采用trt保證梁端現(xiàn)澆長度不變，按實(shí)際平面位置一片梁采用一種預(yù)制梁長，如圖5所示。方案1的優(yōu)點(diǎn)是支座距離橋墩中心線位置可以控制在50cm，蓋梁寬度可以控制在最小，受力清晰;缺點(diǎn)是預(yù)制梁長度均不相同，很零碎，給工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模制造帶來很多困難。2布梁方案2在按實(shí)際平面位置布梁所得梁長的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)制梁長進(jìn)行適當(dāng)歸并，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整梁端現(xiàn)澆長度，如圖6所示。對(duì)工程上較常見的情況進(jìn)行布梁后得到不同轉(zhuǎn)彎半徑、橋梁寬度下的梁長，并對(duì)梁長進(jìn)行歸并整理后，16m及25m跨徑的預(yù)制梁長由布梁方案1的上百種縮減到約11種，已能滿足大多數(shù)情況下設(shè)計(jì)的需要。布梁方案2的優(yōu)點(diǎn)是可大大提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，方便工廠化制造及銷售;缺點(diǎn)是由于預(yù)制梁長的歸并，部分梁片梁端現(xiàn)澆長度將最多增加至約25cm，支座中心線需外挪至距離橋墩中心線60cm～65cm的位置，進(jìn)而導(dǎo)致了蓋梁寬度需增加20cm～30cm。綜合考慮，大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，布梁方案2的優(yōu)勢(shì)較明顯，其不足可以通過適當(dāng)增加下部蓋梁寬度來解決。3.2預(yù)制邊梁安裝新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁主要用于互通區(qū)曲線橋梁上，由于橋梁邊線為曲線，造成預(yù)制邊梁外挑臂呈曲線變化，且形式多樣。這種情況導(dǎo)致預(yù)制邊梁難以標(biāo)準(zhǔn)化，工廠制造時(shí)無法標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)。針對(duì)這個(gè)問題，本文對(duì)2種實(shí)施方案進(jìn)行研究，如圖7所示。方案1:預(yù)制梁階段，邊梁采用與中梁相同斷面構(gòu)造進(jìn)行預(yù)制，在現(xiàn)場(chǎng)澆筑曲線輪廓的外挑臂翼緣板部分，預(yù)制主梁時(shí)預(yù)留鋼筋，到現(xiàn)場(chǎng)后放樣焊接至實(shí)際長度。方案2:預(yù)制邊梁分2步進(jìn)行。1)先把邊梁采用與中梁相同斷面的構(gòu)造進(jìn)行批量預(yù)制，并預(yù)埋連接鋼筋;2)在預(yù)制廠制作曲線輪廓的外挑臂翼緣板部分(即特殊預(yù)制部分)，然后再把特殊預(yù)制部分與梁批量預(yù)制部分通過預(yù)埋的連接鋼筋進(jìn)行拼接安裝。以上2種方案均解決了邊梁預(yù)制型號(hào)多，無法標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)的問題，且避免了預(yù)制邊梁在鋼束張拉時(shí)由于截面橫向不對(duì)稱而產(chǎn)生的附加角點(diǎn)應(yīng)力。方案1的缺點(diǎn)是需要現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)邊梁外挑臂的模板，增加了施工難度及施工成本，并需要現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模板及鋼筋，較難保證施工質(zhì)量。建議采用方案2的處理方式。3.3兩種結(jié)構(gòu)的連接本結(jié)構(gòu)用于互通區(qū)曲線橋梁時(shí)，在不同轉(zhuǎn)彎半徑情況下，端橫梁與主梁需要斜交設(shè)置，且斜交角度有差異。若預(yù)制主梁時(shí)，端橫梁按實(shí)際斜角角度預(yù)制，就會(huì)影響主梁的預(yù)制效率，同時(shí)大大降低了標(biāo)準(zhǔn)化程度。本結(jié)構(gòu)通過盡量減小預(yù)制部分端橫梁的尺寸(只設(shè)置10cm×10cm倒角)，預(yù)制部分端橫梁與預(yù)制主梁采用正交，僅通過現(xiàn)澆部分實(shí)現(xiàn)橫梁斜交;跨中橫梁則可采用預(yù)制、現(xiàn)澆均正交的做法。具體形式如圖8所示。4聯(lián)梁結(jié)構(gòu)方案新型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁最早在申蘇浙皖高速公路新增湖州南太湖互通及連接線工程中的A匝道橋上進(jìn)行了應(yīng)用，該工程位于湖州太湖旅游度假區(qū)太史灣附近，其中南太湖互通A匝道橋第5～7聯(lián)采用了16m疊合T梁結(jié)構(gòu)，橋梁平面位于A=90m的緩和曲線及R=62.75m的圓曲線上，橋?qū)?7.5m～18.25m，匝道設(shè)計(jì)速度40km/h，超高從±2%變化至6%，預(yù)制中梁頂寬80cm，預(yù)制邊梁內(nèi)半梁寬40cm，橫向采用11片梁，梁間距159cm～166cm。該橋自2017年開建，于2019年6月正式通車，現(xiàn)運(yùn)行狀況良好，得到參建各方的一致認(rèn)可。目前，預(yù)應(yīng)力混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁在杭州繞城高速公路復(fù)線杭紹段和湖州段、申嘉湖高速公路安吉孝源至唐舍段工程等在建項(xiàng)目的互通區(qū)橋梁上得到廣泛應(yīng)用。5結(jié)構(gòu)體系分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化針對(duì)傳統(tǒng)預(yù)制裝配式橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于互通區(qū)橋梁時(shí)存在的問題及局限，本文提出了一種新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁，經(jīng)綜合分析研究，主要得出以下結(jié)論:1)新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用于互通區(qū)時(shí)，可采用16m和25m兩種標(biāo)準(zhǔn)跨徑，16m跨徑適用于小半徑曲線匝道橋，25m跨徑適用于變寬橋梁、跨線橋梁和曲線半徑較大的“S”彎橋梁。2)新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁采用1.7m左右的標(biāo)準(zhǔn)梁間距時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和安全性;該結(jié)構(gòu)16m、25m跨徑分別采用1.2m、1.6m梁高時(shí)，較為經(jīng)濟(jì)合理;該新型結(jié)構(gòu)較對(duì)應(yīng)跨徑的傳統(tǒng)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)要經(jīng)濟(jì)。3)通過平面桿系有限元分析及空間三維實(shí)體分析可知，本文提出的新型混凝土疊合結(jié)構(gòu)橋梁的受力性能滿足現(xiàn)行規(guī)范的有關(guān)要求，該結(jié)構(gòu)的體系構(gòu)造及設(shè)計(jì)方法合理可行。4)從標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化的角度，