小跨徑現澆箱梁設計和施工方案優化思路

楊益鳴，李孟暉

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

1 引言

曲線段的橋梁匝道在平面和縱斷面上變化急劇，需要在較短線型內完成交通流向的轉變，實現縱橫坡的平順過渡，結構受力比較復雜。這對結構設計的整體性、抗裂性、抗變形能力都有較高的要求。本文以斯里蘭卡科倫坡城市固廢處理項目為背景，以16 跨公路橋現澆箱梁以及3 跨鐵路橋現澆箱梁為分析對象，從曲線線型、超靜定結構特點、受力需求、施工工藝以及項目工期和成本角度來考慮，深析小半徑曲線梁橋的設計與優化思路。

2 工程概況

項目所屬地位于低洼沼澤區，設計時利用架空平臺進行標高抬升，故將道路設置為橋梁形式。所述項目共有現澆箱梁19 跨，詳細設計參數見表1。

表1 項目現澆箱梁設計參數

3 設計優化

3.1 梁體結構形式

該項目橋梁段轉彎半徑較小，若采用裝配式結構，存在下列問題：

1）預制構件需要單獨采購和制作模板進行預制生產，增加了施工成本；

2）項目場地狹長有限，若再對曲線部位的構件進行吊裝合龍，施工機具擺設空間不足，實施難度較大。

采用現澆箱梁結構有以下優勢：

1）曲線部位構件采用現澆形式可以實現一箱多室，整體性能好，且易于做成復雜形狀；

2）可以避免由預制拼裝后二次澆筑鉸縫位置所帶來的耐久性差的問題。

考慮到本項目對梁體縱橫向的空間抗彎、抗扭要求較高，故在公路橋和鐵路橋的曲線段均采用現澆箱梁的結構形式。

3.2 預應力張拉條件

本項目鐵路現澆箱梁采用了后張法預應力混凝土結構，設計初期，業主要求同時滿足“雙控”條件（即混凝土強度達到95%，且養護齡期不小于28 d）方可進行預應力張拉工序。經查閱相關資料及類似工程實例，工程所在地溫度條件有利于混凝土早期形成較大強度。混凝土試塊進行強度和彈性模量試驗后，顯示8 d 混凝土（3 組試塊）平均強度值為51.5 MPa，大于設計值（95%）47.5 MPa，8 d 的混凝土彈性模量平均值為40 991 MPa，大于設計值（95%）32 775 MPa。因此，獲得監理批準，在加強現場施工養護和改善混凝土施工配合比的條件下，適當減少了張拉前的養護天數。由于本項目的關鍵路徑為橋梁施工，優化之后共節省了約30 d 的總工期。

3.3 預應力混凝土類型

按照國際和國內規范，預應力混凝土可被分為3 種類型。

英標BS 5400-4：1990 Part4：Code of Practice for Design of Concrete Bridges[1]對預應力混凝土的彎拉極限狀態分類為：

1）Class 1 為不允許出現拉應力的構件；

2）Class 2 為允許出現所列范圍內的拉應力，但不允許出現可見裂縫的構件；

3）Class 3 為允許出現所列范圍內的拉應力，且允許出現寬度在所列范圍內的裂縫的構件。

我國JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（以下簡稱《公路橋規》）中6.1.2 規定[2]，根據預應力度（消壓彎矩與外荷載產生彎矩的比值）也將預應力混凝土分為3 類。

1）全預應力混凝土：在作用（或荷載）下構件任何截面的受拉邊緣不允許出現拉應力（不得消壓）；

2）部分預應力混凝土：A 類構件是荷載下受拉邊緣的拉應力受限，B 類構件是荷載下受拉邊緣出現的裂縫寬度受限；

3）鋼筋混凝土：無預加應力的構件。

英標和我國規范對于第1 類構件的劃分原則一致；第2類構件分類中，國標又細分為A、B 兩類構件，國標A 類對應英標Class 2，國標B 類對應英標Class 3。

業主對于鐵路橋現澆箱梁的預應力混凝土設計等級要求較為含糊：根據業主書面要求，結構設計標準應參照BS 8110：1997 Structural Use of Concrete[3]和BS 5400-4 規范，同時，要求預應力混凝土的分析和設計應參照BS 8110 的極限狀態設計原則。但是，對于橋梁混凝土構件設計是否應強制按照“Class 1”或“Class 2”，并未界定清楚。2 種要求下的預應力混凝土張拉等級差別懸殊[4]，工藝要求不同，施工成本不同。

項目采取優化措施如下：

1）對比中英標的有關研究[5]，發現預應力結構設計規范的BS 8110 中已規定適用范圍不包含“橋梁設計”，而適用于橋梁設計的BS 5400-4 又未對設計等級進行強制要求。

2）本項目橋梁最大跨度只有25 m，國內《公路橋規》規定100 m 以內的小跨徑橋梁允許按照部分預應力混凝土構件進行設計，新加坡Criteria for Road and Rail Transit System 中也說明對于車站結構的預應力混凝土構件應當以Class 2 進行設計；國內外資料均表示：全預應力混凝土構件如果由于超載而導致的破壞將是沒有預兆的脆性破壞，而用于小跨徑橋梁的部分預應力構件從抗拉到逐漸受拉則顯示出更耐久的性能，不但可以節省預應力鋼材，也能避免出現梁的過大返拱。

3）大量搜集2）中規范要求的國內外設計案例，在類似本項目的其他小跨徑預應力箱梁結構和荷載類型下，采用部分預應力混凝土構件是符合抗裂要求的。

4）通過向業主展示鐵路現澆梁按Class 2（即A 類部分預應力構件）進行設計的應力計算結果（見圖1），跨中出現的最大拉應力約1.0 N/mm2，對照BS 5400-4 中對于Class 2 構件的拉應力最大允許值為2.55 N/mm2（見表2），證明本橋在短期效應組合下的抗裂驗算符合業主要求。

表2 英標BS 5400-4 中Cl as s 2 構件的拉應力允許值N/mm2

圖1 本項目鐵路橋短期效應組合下的應力狀態

基于大量論證的基礎，更加清晰地厘定了本項目橋梁預應力混凝土結構的設計分類，推動了價值工程，節省了箱梁設計高度、預應力布筋方面的成本。

4 施工方案優化

4.1 箱梁支撐方案

原設計方案中，現澆梁的支撐形式均采用鋼管支墩加貝雷架。考慮到工期較長、費用較高的原因，在對支撐區域地基承載力和沉降檢測之后，對支撐結構形式進行了優化，具體優化措施如下：

按照JGJ 300—2013《建筑施工臨時支撐結構技術規范》，采用三維有限元ANSYS 軟件對支架、承重梁、貝雷架構件及鋼管立柱等進行復核（見圖2），結果表明支架方案中各類構件承載力滿足設計要求。

圖2 貝雷架弦桿承載力驗算

考慮到鋼管支墩的失穩風險，采用三維有限元ANSYS 軟件對立柱鋼管優化后的長細比進行了穩定性復核，并按照JTJ 152—2012《水運工程鋼結構設計規范》對貝雷梁結果的撓度進行了復核，結果表明，立柱穩定性與結構撓度均滿足設計要求。

現澆箱梁支撐架結構形式及優化情況見表3。

表3 現澆箱梁支撐架結構形式及優化結果

4.2 混凝土澆筑工藝

現澆連續箱梁整聯施工時基本上采用“兩次準備，兩次澆注”的施工工藝，即分2 次進行箱梁底板、腹板、頂板的鋼筋和內外模板安裝。為提升現澆箱梁整體美觀，并適當縮短施工工期。本工程對傳統施工工藝進行了一定優化，采用了“一次準備、一次澆筑”的施工工藝，即一次性完成箱梁的鋼筋、模板后進行一次性澆筑。具體措施如下。

1）混凝土一次性澆筑，縱向從撓度大往小處澆筑，橫向澆筑順序：底腹板倒角處→底板→腹板→頂板。

2）澆筑方式為分段澆筑，即先澆筑支座橫梁處的C50 混凝土，再同步澆筑每跨跨中段C50 混凝土。

3）采用斜向分段，水平分層澆筑方法，從低處一端向高處一端呈梯狀分層連續澆筑，在下層混凝土初凝前澆筑完成上層混凝土。

5 結語

本文基于在建工程橋梁設計和施工的實踐經驗，在滿足技術要求、規范要求的前提下，總結出對現澆箱梁預應力混凝土的張拉等級、張拉時間條件等設計要素優化的思路；同時，根據現澆箱梁結構特點，優化了支撐方案和澆筑方案，具有顯著的經濟性。本文的優化思路是以本工程為例，對同類型橋梁的梁體設計可提供一定借鑒和參考。