橋梁預制拼裝蓋梁結構設計與施工研究

文/范滿蘭、李燕華

1 前言

高架橋梁是現階段應用于城市橋梁建設的主要類型，在高架橋梁的建設中，傳統的施工方式并不利于下部橋梁的質量和穩定性建設。而利用預制拼裝技術對橋梁的蓋梁結構施工，能夠通過提高橋梁的受力性能來優化橋梁的建設。

2 常見的橋梁蓋梁結構預制拼裝方案

2.1 預制拼裝施工的應用優勢

高架橋梁能夠應對現階段大多數復雜的城市交通環境，蓋梁作為連接橋梁上部與承接下部的荷載，在保證橋梁質量和穩定性方面發揮著重要的作用。現階段，我國用于橋梁蓋梁結構的施工方法以裝配式施工為主，而裝配式施工技術的應用主要體現在預制拼裝上。

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

2.2 整體預制吊裝

應用于高架橋梁的預制結構施工方案，都是以大部分高架橋梁的27m 標準斷面寬度為前提的，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構。整體預制吊裝方案的主線標準蓋梁吊重能夠達到240t，這種預制吊裝方案應用吊車一次性實現蓋梁的吊裝，減少了現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件選擇特殊的線路運輸，再加上蓋梁整體結構的吊重較高，對吊裝設備的要求也比較高，因此在實際應用中尚有一定的限制和困難。

2.3 分兩節預制安裝

分兩節預制安裝方案，主要是將整體的蓋梁結構分為兩個預制吊裝階段和一個后澆帶，通過降低施工的實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用多個蓋梁結構，在將蓋梁結構分階段預制時，每兩節之間的現澆段以1.5m 的預留距離為最佳。在實際安裝時，通過在蓋梁外側的端部設置臨時支承，保證橋梁結構的穩定性；在兩節蓋梁結構完成安裝后，再進行現澆段以及預應力的張拉施工。

2.4 分三節預制安裝

分三節預制安裝方案是最能體現裝配式施工以及預制拼裝施工特點和優勢的安裝方案，這種安裝方案主要是通過將整體的蓋梁結構劃分為三個預制吊裝節段以及兩道拼接縫，將每節蓋梁的重量控制在150t 之內，進而保證預制安裝的質量和穩定性。另外，在拼接縫和節段的蓋梁拼接面應用環氧膠，以牛腿式進行垂直接縫，能夠有效降低安裝的施工難度，加快施工進度[2]。

3 橋梁預制拼裝蓋梁結構設計與施工研究

不同的蓋梁預制安裝方案是依據不同的蓋梁結構設計進行的，為了使橋梁蓋梁的安裝質量滿足橋梁工程的質量要求，在應用裝配式施工技術時，相關工作人員需要事先對橋梁的蓋梁結構進行設計，選擇適宜的預制拼裝方案。在對橋梁預制拼裝蓋梁結構設計與施工進行分析時，主要可以從以下幾個方面來入手：

3.1 橋梁預制拼裝蓋梁結構設計

蓋梁結構本身在橋梁中起到支承、分布和傳遞上部結構的作用，因此在對蓋梁結構進行設計之前，相關工作人員首先要明確橋梁工程的主線橋面標準寬度、橋梁荷載級別、上下部結構組成等內容，在了解橋梁工程的大概情況之后，再對橋梁的墩柱進行分析，明確橋墩立柱截面尺寸、均高、蓋梁在道路中心線處的高度、橫向順向橋寬以及蓋梁的總體重量。

蓋梁結構的質量和穩定性會受到施工后的預應力張拉施工的影響，因此在設計橋梁蓋梁結構時，工作人員還要考慮到用于橋梁澆筑的混凝土強度等級，并仔細檢查預應力鋼束的規格；另外，在蓋梁結構預應力施工時，需要注意以“對稱張拉、先長束、后短束”的原則進行張拉。當接縫中的混凝土強度以及彈性模量等數據都能夠達到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之后。

由于現階段應用于橋梁工程的起重機的最大起吊質量大多控制在160t 左右，因此在選擇蓋梁結構的預制安裝時，大多采用階段劃分的拼裝方案。在完成蓋梁結構的設計施工之后，將蓋梁結構以橫向分段的形式在預制廠進行預制，將預制結構運輸到施工現場后，大多采用濕接縫的方式來完成蓋梁結構節段間的連接。

3.2 有限元模型

依據橋梁蓋梁結構的設計原理，在對實際的蓋梁結構進行設計時，由于受到不同施工現場以及橋梁工程施工要求的影響，在結構的具體數據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構中混凝土構件的受力情況進行分析，在這個過程中，為了保證模擬受力情況的真實性，需要在有限元模型中建設蓋梁、立柱、樁基礎等蓋梁的具體結構組成部分。

在建設橋梁蓋梁結構的有限元模型時，最重要的就是在保證遵循《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）的前提下對蓋梁結構進行建模。在建模之后，不僅要考慮到加載的永久作用范圍，還要依據實際的施工順序對模型中的施工工況進行合理劃分。應用有限元模型的蓋梁結構加載的永久作用，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、架設上部鋼梁、張拉鋼束以及橋面的整體施工為主。

3.3 結果分析

在建立好橋梁蓋梁結構的有限元模型之后，就要對建模的計算結果進行分析，用于橋梁蓋梁結構的計算項目，其主要包括以下幾個方面。

3.3.1 施工階段應力驗算

施工階段的應力驗算，主要體現在從張拉第一批鋼束到整個橋面施工的過程。

在依據有限元模型得出正應力的計算結果之后，一方面要依據公路混凝土設計規范中有關預應力的標準，對法向應力的標準進行計算，另一方面也要將計算結果與得到的標準結果進行比較，用以保證蓋梁結構在實際施工中能夠滿足質量和穩定性的要求。

3.3.2 使用階段應力驗算

使用階段的應力驗算，主要是為了保證在橋梁工程使用之后蓋梁結構能夠承受的應力大小以及是否會對蓋梁結構和橋面的質量產生比較嚴重的影響。在對此階段的應力進行驗算時，主要需要將有限元模型中蓋梁的正截面法向應力、斜截面的主壓應力變化結果提取出來，并依據相關的法律法規文件標準，將理論上蓋梁正截面混凝土的壓應力以及斜截面混凝土的主壓應力的標準計算出來。以表1應用的蓋梁結構為例，這種蓋梁在使用階段的法向應力以15.81MPa 為最大標準，在經過計算之后可以得知，這一標準比規范的16.2MPa 要小；這種蓋梁的最大斜截面主壓應力也以15.81MPa 為標準，而規范的標準是19.44MPa，這也比規定的范圍要小。因此，依據有限元模型可以得知，該蓋梁結構的設計在壓應力方面符合實際的蓋梁結構施工標準。

3.3.3 持久狀況抗裂驗算

在進行蓋梁結構的持久狀況抗裂驗算時，需要在有限元模型中結合蓋梁結構在短期效應以及長期效應組合的情況下進行計算，并依據計算結果對混凝土的拉應力分別在短期效應以及長期效應中的標準進行計算。在進行蓋梁結構的持久狀況抗裂驗算時，蓋梁結構能夠符合壓應力的標準要求，大多是由于蓋梁結構在短期效應與長期效應的組合下并沒有出現拉應力，而且長期效應下也不會出現拉應力，因此蓋梁結構大多只需要對短期效應中出現的拉應力進行計算，判斷其是否滿足要求，就可以實現對蓋梁結構持久狀況的計算。

3.3.4 持久狀況承載能力驗算

承載能力是橋梁蓋梁結構最需要滿足的性能要求，在進行蓋梁結構的持久狀況承載能力驗算時，最主要的是在長期效應的條件下，對蓋梁結構的彎矩、剪力效應以及抗力進行提取和驗算。整個驗算的方法和標準，要完全按照公路混凝土的設計規范來進行，以此滿足實際的橋梁工程設計要求。

在對橋梁蓋梁結構設計和施工進行分析之后可以得知，隨著科學技術的不斷發展，現階段應用于我國城市橋梁工程的施工類型以高架橋梁為主。基于裝配式施工技術的要求以及橋面的寬度要求，在對橋梁的蓋梁結構進行施工設計時，首先需要采用橫向分段的方式來完成蓋梁結構的預制拼裝，而在選擇實際的預制安裝方案時，則需要在結合施工現場的環境之后，具體選擇分兩節還是分三節進行預制安裝；其次，在對蓋梁結構進行設計時，應用有限元模型能夠對蓋梁結構在施工和使用階段承受的應力是否滿足蓋梁結構的承載要求進行驗算，這對保證蓋梁結構的質量具有重要的作用。

4 結語

綜上所述，預制拼裝的蓋梁結構設計能夠有效保證橋梁工程的質量和美觀等性能，確保預制橋墩、蓋梁受力、連接方式以及施工工藝等方面的性能優勢，有利于提升橋梁工程預制拼裝技術應用水平。