甌江北口大橋南引橋上層節段梁施工方案優化分析

王 敏，肖 林，鄭和暉，夏崟濠

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430014； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430014； 3.交通運輸行業交通基礎設施智能建造技術研發中心，湖北 武漢 430014；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430014)

1 工程概況

甌江北口大橋南引橋上層采用等高單箱單室預應力混凝土連續節段梁，上下行分幅布置，跨徑布置為5×50m，立面布置如圖1所示。箱梁全寬16.25m，中心梁高3.0m，標準橫斷面布置如圖2所示。全橋箱梁頂板厚均為28cm，跨中箱梁截面腹板厚45cm，底板厚27cm，根部截面腹板厚70cm，底板厚50cm，混凝土強度等級為C55。箱梁采用縱、橫雙向預應力體系，其中縱向預應力采用體內和體外相結合的形式，體內預應力束包括腹板束、跨中底板束和一聯內相鄰兩跨間底板束，體外預應力束為全橋合龍后張拉的合龍束。

圖1 南引橋上層節段梁立面布置

圖2 標準橫斷面布置(單位：cm)

箱梁采用隱橫梁構造，橫梁長19.2m，與箱梁等高，中橫梁寬2.5m，端橫梁寬2.2m，均與箱內橫隔板位置對應。隱橫梁包含預制殼體和現澆部分，其中現澆部分由箱內橫隔板現澆段(含腹板部分)和橫梁外伸段組成，隱橫梁結構形式如圖3所示。

圖3 隱橫梁結構形式

原節段梁施工方案主要流程如下：①搭設臨時支架，架橋機吊裝首跨節段，包括橫梁預制殼體；②張拉首跨簡支狀態下體內束，放置在臨時支架的臨時支座上；③架橋機前移至下一跨安裝位置，吊裝本跨節段梁并張拉體內束；④重復以上步驟，直至本聯全部節段安裝完畢，形成支撐于臨時支架的5跨簡支梁狀態；⑤澆筑隱橫梁現澆部分混凝土，達到設計強度后張拉橫梁精軋螺紋鋼；⑥張拉整聯體外束；⑦逐墩張拉橫梁橫向預應力束，橫梁就位于墩頂永久支座上，拆除臨時支架。

原施工方案臨時支架的安全風險較高，臨時支架除承受相鄰兩半跨節段梁自重外，同時用于前支腿站位，由于臨時支架直接支撐于底層梁梁面，施工期底層梁梁面及支座位置開裂風險大。由于臨時支架內部凈寬有限，運梁車需頻繁通過，因碰撞支架引起坍塌風險較高。臺風季節施工時，臨時支架受風荷載影響較大，傾覆風險大。此外，原施工方案架橋機安全風險較高，由于墩身截面尺寸較小，架橋機支撐架設計難度大，且墩頂人員操作空間狹小，高空作業風險高[1-4]。故若按原方案施工，臨時支架和架橋機的安全風險較高，為保障節段梁按期且安全建設完成，需優化施工方案及結構。

2 施工方案及結構優化

2.1 優化后施工方案及優化效果

為降低臨時支架和架橋機安全風險，將原方案先簡支后連續的施工工藝變更為逐跨連續工藝。優化后的主要施工流程如下：①搭設臨時支架及模板，完成墩頂塊的現澆；②混凝土達到設計強度后張拉墩頂塊橫向預應力束，拆除臨時支架；③架橋機懸掛一跨內的節段梁，節段間靠臨時預應力拉緊；④澆筑位于墩頂塊兩側的濕接縫，待強度形成后張拉本跨體內束；⑤架橋機前移至下一跨安裝位置，重復以上步驟直至本聯全部節段安裝完畢；⑥張拉整聯體外束。

優化后的施工方案，臨時支架僅用于支撐墩頂塊自重，架橋機支腿支撐于張拉后的墩頂塊上，大幅降低臨時支架和架橋機的安全風險。此外，逐跨連續施工工序得到簡化，全現澆墩頂塊整體性優于預制殼體+部分現澆，墩頂塊兩側設置的濕接縫有利于調整節段梁安裝線形[5-6]。

2.2 縱向體內束墩頂塊內交叉錨固

墩頂塊由于整體現澆，節段梁的腹板束無法在內部錨固，節段梁體內腹板束在墩頂塊的錨固形式需重新設計，且由于墩頂塊自身預應力體系較復雜，布置空間有限，預應力布置需開展細化研究。基于設計及施工兩方面的考慮，提出了如下節段梁腹板束錨固端設計原則：①預應力束豎彎及平彎半徑不小于最小彎曲半徑限值6m，且預應力束保護層厚度不低于100mm；②穿過墩頂塊的腹板束不與墩頂塊自身預應力束位置沖突，也不與墩頂塊內部體外束孔道位置沖突；③腹板束在墩頂塊上的錨點與箱梁內部輪廓應隔開一定距離，以保證預應力張拉設備足夠的工作空間。

基于上述原則，提出如圖4所示的交叉錨固方案，相比原錨固形式，進行如下調整：①本跨腹板束錨固在相鄰跨箱梁內部墩頂塊表面，相鄰兩跨腹板束在墩頂塊內部形成交叉錨固的形式；②ZF1束在橫梁內部僅有平彎，使橫梁表面的錨點無仰角，確保預應力束的張拉空間，其余鋼束在橫梁內部既有平彎又有豎彎；③墩頂塊兩側錨點采用非對稱布置，豎向上錯開，以避免在兩側腹板束空間位置沖突。

圖4 腹板束布置形式對比

基于CAD三維建模功能分析墩頂塊區域體內束分布情況，體內束分布模型如圖5所示。結果表明各組件間未發生碰撞干涉，且預應力束保護層厚度均≥100mm，交叉錨固方案可實現合理布束。

圖5 墩頂塊區域體內束分布

2.3 墩頂塊體內束布置及人孔尺寸優化

原墩頂塊跨中段體內束均靠近下緣布置，在墩頂塊現澆完成的施工階段，一次張拉全部體內束必然導致墩頂塊頂面拉應力超限。由于墩頂塊數量多，分次張拉工藝不利于縮短工期，且操作難度大，需優化設計現澆墩頂塊體內束，優化前后體內束布置對比如圖6所示。中部墩頂塊在上層增設6根16φs15.2體內束，端部墩頂塊在上層增設4根16φs15.2體內束，新增體內束中心距離頂面30cm。此外墩頂塊下部預應力束錨點附近平直段下移47cm，可滿足施工全過程及運營期墩頂塊上下緣均不出現拉應力的受力需求。

圖6 優化前后墩頂塊體內束布置及人孔尺寸

施工方案變更后，當一聯內相鄰兩跨體內束張拉完，架橋機前移過程后支腿倒運時，架橋機中支腿傳遞到墩頂塊的豎向力有10 050kN，此外墩頂塊還承受相鄰兩半跨節段梁的自重，墩頂塊受力較不利。為降低由于人孔處挖空引起的應力集中，在滿足施工期及運營期人員與設備通行的前提下，將人孔尺寸由120cm×140cm減小到80cm×100cm。

2.4 墩頂塊現澆質量及進度保障措施

墩頂塊改為現澆后，為降低現澆墩頂塊收縮的不利影響，保障施工進度，提出以下措施：①墩頂塊存放至少3個月后連接架設節段梁；②現澆作業時加強監控原材料、混凝土拌合、入模和澆筑溫度，并采取墩頂塊內部布設冷卻水管、分層澆筑及拆模后覆膜養護等措施，解決溫度引起的大體積混凝土開裂問題[7]；③墩頂塊鋼筋骨架采用胎架上綁扎+整體吊裝入模工藝，既保障鋼筋綁扎質量，又有利于提高工效，降低現場高空作業風險；④為減小預應力管道的線形偏差，按設計線形準確放樣，并安裝定位鋼筋網片，在曲線及接頭處加倍設置。

3 優化方案計算分析

3.1 主梁應力分析

為分析施工方案及結構優化后主梁在施工過程、成橋狀態及恒荷載+活荷載+溫度組合工況的受力情況，利用MIDAS Civil建立整聯縱向分析模型，交叉錨方案整聯模型如圖7所示。

圖7 交叉錨方案整聯分析模型

模型中模擬交叉錨方案的總體施工工藝及體內和體外預應力束布置，其中成橋狀態考慮10年的收縮徐變效應，活載按4車道公路-I級荷載標準施加，溫度荷載考慮整體升降溫20℃、梁截面正負溫差及上述工況組合。交叉錨方案主梁在成橋及恒荷載+活荷載+溫度組合工況下，上下緣應力如下：①成橋狀態 主梁上緣最大、最小應力分別為-0.8，-7.5MPa，主梁下緣最大、最小應力為-2.3，-8.9MPa；②恒荷載+活荷載+溫度 主梁上緣最大、最小應力為-0.5，-12.4MPa，主梁下緣最大、最小應力為-0.9，-11.1MPa。主梁上下緣在2種工況下均無受拉情形，最大壓應力發生在恒荷載+活荷載+溫度組合工況一跨跨中上緣，壓應力12.4MPa，應力值在混凝土抗壓強度設計值范圍內。

3.2 墩頂塊應力分析

經分析，墩頂塊施工及運營全過程中，最不利受力工況分別對應主梁上緣和下緣壓應力儲備達到最小：①工況1 墩頂塊全部預應力束一次張拉完；②工況2 相鄰兩跨張拉完，架橋機后支腿倒運時，中支腿傳遞到墩頂塊的荷載為10 050kN，此外墩頂塊還承受相鄰兩半跨節段梁自重13 100kN，工況2墩頂塊受力狀態如圖8所示。

圖8 工況2墩頂塊受力狀態

由于梁單元分析模型無法考慮人孔處挖空對應力分布影響，也無法考慮墩頂塊與兩側已安裝節段間的相互作用，故基于ANSYS三維實體模型對墩頂塊開展相應的數值計算。兩工況有限元模型分別如圖9，10所示。混凝土采用Solid92單元模擬，預應力束采用Link8單元模擬，采用初始張拉應力施加預應力，預應力束與混凝土采用節點自由度耦合的方式連接，模型邊界條件按相應工況實際邊界施加[8]。

圖9 工況1有限元模型

圖10 工況2有限元模型

工況1模型中施加的荷載包括重力及墩頂塊自身預應力荷載，工況2模型的實體模型包括墩頂塊及相鄰4個節段(兩側各2個節段)，模型中包含主梁及墩頂塊的全部預應力束，在模型兩端各設置1個耦合點與端面所有節點自由度耦合，耦合點上施加與同工況梁單元模型相同位置處提取的節點力，提取節點力彎矩為4 907kN·m，軸力-38 175kN，剪力為1 413kN。

兩工況墩頂塊橫向應力分布如圖11所示。由圖11a可知，工況1墩頂塊頂面主拉應力基本為負值，表明墩頂塊頂面未受拉，最大主拉應力發生在支座邊緣，底面最大主壓應力約16.6MPa。由圖11b可知，工況2墩頂塊底面基本未受拉，頂面最大主壓應力約14.3MPa，人孔周邊應力集中程度低，拉應力也基本在限值范圍內。錨固區、支座區域及人孔附近是主拉應力較高區域，需在該區域加強配筋預防裂縫的產生。

圖11 墩頂塊主拉應力云圖(單位：MPa)

4 結語

甌江北口大橋南引橋上層節段梁原施工方案主梁及架橋機安全風險較高，為保障節段梁按期且安全建設完成，對施工方案及結構進行優化，并計算分析優化方案后的主梁及墩頂塊應力，對墩頂塊最不利受力工況開展局部應力復核計算，結論如下。

1)優化后的施工方案不僅大幅降低臨時支架和架橋機安全風險，且施工工序得到簡化，全現澆墩頂塊整體性更好。

2)成橋狀態主梁上緣最大壓應力為7.5MPa，下緣最大壓應力為8.9MPa，主梁無受拉情形發生。在荷恒載+活荷載+溫度組合工況下，主梁上下緣均無拉應力，主梁上緣最大壓應力為12.4MPa，下緣最大壓應力為11.1MPa，均在抗壓強度設計值范圍內。

3)通過在墩頂塊上層新增橫向預應力束、下層預應力束錨點下移、減小人孔尺寸等措施，使墩頂塊在最不利工況下，頂面及底面均不出現拉應力，主壓應力基本在限值范圍內，錨固區、支座區域及人孔附近是主拉應力較高的區域，需在該區域加強配筋預防裂縫的產生，結構優化后的墩頂塊受力基本安全。