大跨徑PC小箱梁橋合理施工順序及抗裂措施

劉沐宇 曾宏偉 鄧曉光 張 強

(武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室1) 武漢 430070)(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司2) 武漢 430050)

0 引 言

預應力混凝土小箱梁橋采用先簡支后連續的施工方法，具有受力合理、施工速度快、行車舒適等優點，廣泛應用于中小跨徑橋梁[1-2].隨著橋梁跨徑逐步增大，在由簡支變連續的體系轉換中，梁端現澆段、支點負彎矩區預應力張拉、臨時支座拆除等施工順序的不同，將對橋梁結構內力和施工安全產生較大的影響[3].

國內外學者針對簡支變連續的合理施工順序與支點負彎矩區抗裂措施展開了一系列研究.楊萬里等[4]研究了不同端澆筑與張拉工序下的結構受力,得出“一次整體澆筑”在各支點附近截面上緣具有更大的壓應力儲備.劉亞楠[5]研究了某六跨簡支變連續梁橋的臨時支座拆除順序，得出“隔斷拆除”引起的附加撓度較小.現有研究成果主要針對中小跨徑橋梁，隨著跨徑的不斷增大，橋梁結構受力更加復雜.對于橋梁支點負彎矩區，為了提高橋梁的抗裂能力，常用的抗裂措施主要包括預壓靜載法、支點升降法及布置頂板預應力鋼束等，其施工過程復雜.樊健生等[6]研究了鋼-ECC組合梁負彎矩區受彎性能，其開裂荷載較鋼混組合梁提高5倍.李文光等[7-8]研究了鋼-UHPC組合橋面的受彎性能，發現其在負彎矩作用下開裂荷載達到18 MPa以上.針對負彎矩區抗裂問題，文中從提升負彎矩區混凝土抗裂性能出發，通過研發輕質超高性能混凝土(lightweight ultra-high performance concrete，LUHPC)，提出部分替代負彎矩區小箱梁的頂板材料、取消頂板內設置的預應力鋼束的抗裂措施，為解決預應力混凝土小箱梁負彎矩區抗裂問題提供新的途徑.

1 工程概況

武漢市某高架橋全長2.24 km，道路等級為城市快速路，設計速度為80 km/h，設計汽車荷載等級為城-A級.橋梁上部結構為采用預應力混凝土小箱梁橋結構，跨徑40 m，4 m×40 m一聯，縱向布置見圖1.

圖1 武漢市某高架橋4 m×40 m一聯縱向布置圖(單位：cm)

橋梁按左右幅分離進行設計，單跨半幅橋寬18.5 m，預制梁由6片梁組成，梁高2 m，圖2為預制小箱梁標準斷面圖.支點負彎矩區范圍內布置7束預應力鋼束(見圖3)，T1、T2、T3號鋼束分別為6股、5股、6股，采用s15.24(A=140 mm2)高強度低松弛鋼絞線，標準強度為1 860 MPa，張拉控制力為標準強度的75%.

圖2 預制小箱梁標準斷面圖(單位：cm)

圖3 負彎矩區預應力鋼束布置圖(單位：dm)

2 合理施工順序確定

大跨徑預應力混凝土小箱梁橋其施工方法為先簡支后連續，需要經歷以下階段：吊裝主梁到位→澆筑小箱梁間橫向濕接縫混凝土→澆筑縱向現澆段混凝土→張拉負彎矩區預應力鋼束→拆除臨時支座，完成體系轉換→橋面鋪裝施工.在結構體系從簡支過渡到連續的施工過程中，不同的施工順序將對結構的內力重分布和變形產生較大的影響，文中針對不同負彎矩區預應力束張拉與臨時支座拆除順序對橋梁受力的影響展開研究，以期找到合理施工順序，為施工組織設計提供依據，見圖4.

圖4 主梁簡支變連續施工示意圖

負彎矩區預應力張拉順序考慮以下3個工序方案：方案1，一次澆筑，依次張拉；方案2，一次澆筑，由兩邊至中間對稱張拉；方案3，一次澆筑，由中間至兩邊對稱張拉.

臨時支座拆除順序考慮以下三個工序方案：方案1，依次拆除；方案2，由兩邊至中間對稱拆除；方案3，由中間至兩邊對稱拆除.

2.1 有限元模型建立

運用midas軟件采用梁格法建立全橋有限元模型，共劃分節點1 582個、單元2 029個，根據實際情況施加邊界條件和荷載.武漢市某高架橋4×40 m一聯有限元模型見圖5，模型混凝土材料參數見表1，預應力鋼束參數見表2.

圖5 武漢市某高架橋4×40 m一聯有限元模型

表1 C50混凝土材料特性

表2 預應力鋼束材料特性

2.2 負彎矩區預應力鋼束張拉順序分析

各工序完成后各跨中累計撓度見表3，各支點截面上緣應力見表4.

表3 不同張拉方案下各跨中累計撓度 單位：mm

表4 不同張拉方案下各支點截面上緣應力 單位：MPa

由表3可知：方案1各跨跨中撓度分布較離散，第4跨跨中累計撓度小于第1跨，第3跨跨中累計撓度小于第2跨.方案2～3中，各跨跨中累計撓度基本對稱，方案3邊跨跨中撓度小于方案2，中跨跨中撓度大于方案2，因此方案2有利于中跨受力，不利于邊跨受力，而方案3則對邊跨受力有利，對中跨受力不利.

分析表4可知：3個工序各支點截面上緣應力與各跨中累計撓度有著相同的分布規律，即方案1各支點截面上緣壓應力較離散，方案2有利于中跨受力，方案3對邊跨受力有利.

綜上所述，方案3結構撓度小、變化均勻，支點截面壓應力較大，有利于支點負彎矩區抗裂，故“梁端混凝土一次澆筑，由中間至兩邊對稱張拉負彎矩區預應力束”為合理施工順序.

2.3 臨時支座拆除順序分析

采用“一次澆筑，由中間至兩邊對稱張拉”的施工工序，以負彎矩區預應力鋼束張拉完成為基準，進行合理臨時支座拆除順序分析.各工序完成后各跨中最大階段撓度見表5，各跨中累計撓度見表6，各支點截面上緣應力見表7.

表5 不同拆除方案下各跨中最大階段撓度 單位：mm

表6 不同拆除工序下各跨中累計撓度 單位：mm

表7 不同拆除工序下各支點截面上緣應力 單位：MPa

由表5可知：臨時支座的拆除順序將對階段撓度產生一定影響，對比三種工序的各跨跨中最大階段撓度，方案1在第4跨跨中出現了2.00 mm的最大值，各跨最小值均發在方案3；以最小值為基準，各跨計算結果最大值與最小值分別相差17.4%、20.0%、8.3%、19.8%.

方案3引起的跨中撓度最小，對結構內力影響較小，因此，合理的臨時支座拆除順序為方案3，“由中間至兩邊對稱拆除”.

3 負彎矩區抗裂措施

在負彎矩區主梁頂板內設置預應力束是當前大跨徑預應力小箱梁橋采用的負彎矩抗裂措施之一，但由于施工復雜、錨固區應力集中、預應力損失等問題，其運用具有一定局限[9].針對上述問題，從提高負彎矩區混凝土材料的抗拉性能角度出發，制備出具有輕質、高強、免蒸養等優異性能的LUHPC[10]，將其應用于橋梁負彎矩區內(支點左右各8.5 m)小箱梁頂板截面與主梁現澆段截面(見圖6～8)，充分利用LUHPC優異的力學性能，取消負彎矩區頂板內設置的預應力鋼束.

圖6 負彎矩區設置LUHPC示意圖

圖7 小箱梁LUHPC-C50橫斷面

圖8 支點處現澆段橫斷面

3.1 LUHPC的制備與基本力學性能

3.1.1LUHPC配合比

制備LUHPC采用P·O52.5水泥；礦物摻合料選用硅灰與粉煤灰；集料選用細陶砂；外加劑選用羧酸高效減水劑；鋼纖維選用高強鍍銅微細短鋼纖維.LUHPC具體配合比見表8.

表8 LUHPC配合比

3.1.2LUHPC基本力學性能試驗設計

GB/T 50081-2019按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行試件的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量和泊松比等力學性能測試，按照JGJ/T 12-2019《輕骨料混凝土應用技術標準》測試試件的表觀密度.立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm, 軸心抗壓強度、彈性模量和泊松比試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm.試件齡期均為28 d.每組試驗均采用3組試件，每組3個試件，結果取平均值.

3.1.3LUHPC基本力學性能試驗結果

測得LUHPC立方體抗壓強度fcu、軸心抗壓強度fc、劈裂抗拉強度fts、彈性模量E、泊松比μ、表觀密度ρ，試驗結果見表9.

表9 LHUPC基本力學性能試驗結果

3.2 負彎矩區抗裂性能有限元分析

3.2.1有限元模型建立

運用midas軟件中施工聯合截面功能建立全橋有限元模型，通過在對應的施工階段分別激活C50材料截面與LUHPC材料截面，達到模擬多層疊合的效果.LUHPC材料參數見表10.

表10 LHUPC材料特性

3.2.2負彎矩區成橋階段應力分析

成橋恒載作用下，主梁負彎矩區應力圖見圖9，各支點截面應力計算結果見表11.

圖9 成橋階段結構負彎矩區應力圖

表11 成橋階段各支點截面應力表 單位：MPa

在成橋階段各支點截面上緣均受拉，最大拉應力為2.51 MPa，發生在1#支點截面上緣，遠小于LUHPC劈裂抗拉強度14.1 MPa，各支點截面下緣均受壓，橋梁在負彎矩區具有足夠的安全儲備.

3.2.3負彎矩區運營階段應力分析

考慮以下兩種荷載組合對抗裂新措施控制下橋梁結構進行正常使用極限狀態應力分析，組合1：1.0恒荷載+1.0收縮徐變+0.7汽車荷載+0.4人群荷載+1.0整體溫升+0.8升溫梯度+1.0沉降；組合2：1.0恒荷載+1.0收縮徐變+0.7汽車荷載+0.4人群荷載+1.0整體溫降+0.8降溫梯度+1.0沉降.

運營階段應力計算結果見表12，圖11為負彎矩區設置LUHPC在組合2作用下主梁負彎矩區應力包絡圖.

圖10 組合2作用下主梁負彎矩區應力包絡圖

表12 運營階段結構負彎矩區應力計算結果 單位：MPa

由表12可知，在最不利荷載組合作用下，負彎矩區主梁頂板內取消預應力束，小箱梁LUHPC截面內最大拉應力為6.46 MPa，小于LUHPC劈裂抗拉強度14.1 MPa，滿足抗裂要求.表明本文提出的基于LUHPC材料應用的負彎矩區抗裂新措施是可行的.

4 結 論

1) 經過3種負彎矩區預應力鋼束張拉順序方案對比分析表明：方案3，即一次性澆筑各現澆段，由中間向兩邊對稱預應力張拉，對橋梁的邊跨受力和跨中撓度影響最小，故方案3是合理的.

2) 經過三種臨時支座拆除順序方案對比分析表明：方案3，即由中間向兩邊對稱拆除臨時支座，對橋梁的跨中撓度影響最小，故方案3是合理的.

3) 對負彎矩區設置LUHPC材料的抗裂措施分析表明：在最不利荷載組合作用下，負彎矩區小箱梁頂板內取消預應力束，小箱梁LUHPC截面內最大拉應力為6.46 MPa，小于LUHPC的劈裂抗拉強度14.1 MPa，滿足抗裂要求.表明基于LUHPC材料應用的負彎矩區抗裂新措施是可行的.