節(jié)段預制拼裝橋梁耐久性設計要點研究

丁 巍,喻 釗

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430000）

0 引言

節(jié)段預制拼裝技術(shù)在國內(nèi)較多的橋梁工程建設中得到了應用，相對于傳統(tǒng)的支架現(xiàn)澆技術(shù)，節(jié)段預制拼裝施工能夠有效確保施工質(zhì)量，減少20%以上的施工成本。橋梁工程節(jié)段預制拼裝技術(shù)需要分析結(jié)構(gòu)使用耐久性，尤其在節(jié)段預制過程中需要重點考慮水化熱溫度梯度變化造成的弓形變形，前期較大的溫度變形極容易造成后續(xù)拼裝橋梁結(jié)構(gòu)剛度減弱、內(nèi)部應力分布不均等耐久性喪失的情況。因此，針對橋梁預制節(jié)段構(gòu)件尺寸、環(huán)境散熱、水泥類型進行水化熱變形影響分析是確保橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能的關(guān)鍵，具有重要的社會經(jīng)濟意義。

1 節(jié)段預制拼裝橋梁施工

1.1 節(jié)段預制

節(jié)段預制拼裝施工技術(shù)需要對梁體進行不同節(jié)段的劃分，梁場預制之后則需要進行現(xiàn)場梁體拼裝、接縫連接、預應力施加，最終形成一體化的橋梁結(jié)構(gòu)。橋梁節(jié)段預制工作是后續(xù)拼裝開展的重要基礎，節(jié)段預制方法選取需要充分結(jié)合施工特點、技術(shù)設備、預制場空間等進行，可依據(jù)分段長度的不同分為短線法和長線法。長線法是在臺座上進行所有梁段的模板澆筑，選取隔離劑對梁段縫面進行涂抹，相鄰梁段之間貼合澆筑。長線法預制具備良好的線形，但是場地空間要求較高，預制工作量也較大；短線法則需要事先將梁體進行小段劃分，進行成橋整體坐標和局部坐標的轉(zhuǎn)換，依據(jù)前段梁開展相鄰梁段高程、平面位置的調(diào)整，實現(xiàn)不同梁段的匹配預制和流水化生產(chǎn)。短線法不需要較大的場地空間就可以進行操作，且現(xiàn)場不需要移動澆筑設備及模板，施工精度要求較高，操作難度偏大[1]。

1.2 節(jié)段拼裝

節(jié)段拼裝依據(jù)橋梁跨數(shù)及跨徑的不同可以采取以下兩種方法：懸臂拼裝、逐孔整體拼裝，前者主要應用于大孔徑結(jié)構(gòu)，后者主要適應于50 m以內(nèi)跨徑結(jié)構(gòu)。其中，懸臂拼裝技術(shù)的使用范圍較廣，依據(jù)安裝方式不同，懸臂拼裝方法可分為上行式架橋機拼裝和懸臂吊機安裝兩種。

1.3 耐久性

橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素較多，橋梁耐久性為橋梁結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)維修養(yǎng)護費用不大于預算情況下，就能夠滿足其安全性、使用功能、維持外觀等能力。橋梁耐久性和預制過程密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)預制階段混凝土拌和過程中的水化熱直接決定了橋梁整體結(jié)構(gòu)的使用功能。預制水化熱如果不及時排出混凝土結(jié)構(gòu)外，則會導致內(nèi)部混凝土熱量快速集中，此時如果不采取內(nèi)部降熱措施，且環(huán)境風速較快、混凝土外表面散熱速度較大，則會造成混凝土內(nèi)外熱量差異的持續(xù)增大，在結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大情況下會促使內(nèi)部混凝土體積膨脹和開裂。梁段預制施工完成之后不采取合理養(yǎng)護，也會造成表層裂縫的深層發(fā)展，對于結(jié)構(gòu)性能造成不良影響。預制梁場多采取短線法進行預制匹配，相鄰梁段在側(cè)模、底模、端模、匹配段之間開展?jié)仓Ｐ聺仓炷廉a(chǎn)生的水化熱極容易和匹配段之間形成較大的溫度差，由此引發(fā)的區(qū)域變形具有明顯變化，匹配段弓形變形也會產(chǎn)生，而新澆筑段在終凝前的形狀則會隨著匹配段相互適應。新澆筑段模板拆除之后，端模面則保持平整性，接縫面彎曲程度較為明顯，最大位移值可達到3 mm以上，超過規(guī)范允許平整度誤差，對施工安全穩(wěn)定性影響極大[2]。

2 工程水化熱影響分析

2.1 模型概述

武漢市某箱形橋梁結(jié)構(gòu)為連續(xù)剛構(gòu)形式，單室單箱，橋梁跨徑4×40 m。項目選取一聯(lián)跨中節(jié)段作為水化熱分析結(jié)構(gòu)，該節(jié)段箱梁頂板寬度達到了15 m，底板寬度6 m，高度3 m，節(jié)段縱向長度3 m，箱梁截面具體尺寸如圖1（a）所示。項目采取ANSYS有限元軟件預制梁段的瞬態(tài)熱分析，箱梁模擬單元為solid70三維熱單元，邊界支撐單元和節(jié)段連接單元采取link33，水化熱荷載施加每步為1 h，需計算前100 h，最終進行單元溫度計算。后續(xù)結(jié)構(gòu)受力分析則需要將熱單元進行結(jié)構(gòu)分析單元（link10，solid65）的轉(zhuǎn)換，并且將單元溫度作為施加體荷載，獲取結(jié)構(gòu)應力和變形結(jié)果。模型模擬混凝土參數(shù)如下：強度等級C60，密度2 350 kg/m3，混凝土彈性模量3.6×104MPa，泊松比0.17，比熱容930 J/kg·℃，熱膨脹系數(shù)0.8×10-5/℃，導熱系數(shù)9 500 J/（m·h·℃），澆注溫度20 ℃，澆筑20 h后達到最高生熱率2.3 W/kg[3]。混凝土配合比設計如表1所示，該文構(gòu)建預制梁段有限元模型如圖1（b）所示。

圖1 梁段水化熱模型

表1 混凝土配合比設計

2.2 邊界

ANSYS有限元熱分析過程中，設定邊界條件如下：環(huán)境溫度、澆筑入模溫度為20 ℃，新澆筑段水化反應提供全部熱量，并且由新澆筑段往周圍環(huán)境、匹配段進行擴散，匹配段、新澆筑段外表面不發(fā)熱、只散熱，匹配段外表面散熱系數(shù)設定為35 kJ/（m2·h·℃），新澆筑段混凝土表面進行保溫層/模板覆蓋時，等效散熱系數(shù)設定為22 kJ/（m2·h·℃）。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 溫度梯度

依據(jù)有限元前100 h計算獲取的變形和溫度分布情況，可知混凝土終凝狀態(tài)產(chǎn)生在澆筑10 h后，梁段內(nèi)表面溫度達到了40 ℃，外表面最高溫度為38 ℃；混凝土澆筑25 h之后，澆筑段混凝土溫度達到最大值，內(nèi)部溫度為70 ℃，外表面溫度為60 ℃。不同時段的溫度梯度變化情況如圖2所示，結(jié)果表明，10 h縱向溫度差值為2 ℃，25 h縱向溫度差值達到了50 ℃[4]。

圖2 腹板縱向溫度變化

2.3.2 變形分析

匹配段和新澆筑段的溫度梯度會造成預制節(jié)段的弓形變形，新澆筑段混凝土在終凝前的形狀會隨著匹配段形狀產(chǎn)生變化。圖3為匹配段頂板不同時間的縱向變形變化情況，節(jié)段最終形狀由終凝狀態(tài)變形所決定。該文重點分析10 h澆筑后的節(jié)段變形，其節(jié)段寬長比15 m/3 m=5，此時終凝弓形變形的空隙值達到了0.6 mm[5]。

圖3 匹配段頂板縱向變形

3 節(jié)段匹配變形影響因素分析

3.1 寬長比

該文設定節(jié)段長度分別為4 m、2 m、1.5 m，保持箱梁寬度15 m不變，對不同寬長比W/L（3.75、7.5、10）下10 h終凝弓形變形進行分析。節(jié)段縱向變形隨寬長比變化如圖4（a）所示，結(jié)果表明，節(jié)段弓形變形隨著寬長比的增大愈加明顯；寬長比和變形空隙之間的關(guān)系如圖4（b），當寬長比小于5時，變形空隙較小，寬長比大于5時，變形空隙增大較為激烈；寬長比為10時，變形空隙為2.3 mm，依據(jù)我國相關(guān)技術(shù)規(guī)范可知，節(jié)段預制平整度誤差最大值不超過5 mm，為此，預制階段盡量避免采取寬長比過大的節(jié)段。

圖4 節(jié)段縱向變形隨寬長比變化

3.2 水泥類型

考慮到混凝土配合比設計采取的普通硅酸鹽水泥具備較大的水化熱，項目可采取活性摻合料來取代部分水泥，最終降低水化熱。該文采取等質(zhì)量礦渣粉替代水泥，設計比例為：水泥∶礦渣=13.7∶1.9，該設計比例的節(jié)段匹配階段的水化熱溫度10 h終凝下最高為22 ℃，溫度梯度明顯要比純水泥要小，且新澆筑硬化全過程最高溫度出現(xiàn)在35 h，要晚于普通水泥10 h，全過程最高溫度降低5 ℃；圖5為礦渣水泥和普通水泥縱向變形分布對比，結(jié)果表明，礦渣水泥能夠有效弱化匹配節(jié)段弓形變形，且最大弓形空隙小于0.1 mm，可忽略不計，使用礦渣可以有效降低水化熱影響[6]。

圖5 不同水泥縱向變形

3.3 環(huán)境影響

新澆筑節(jié)段澆筑完成之后，控制環(huán)境溫度下降5 ℃，則10 h節(jié)段溫度分布明顯下降；在前基礎上控制場地風速10 m/s，10 h終凝節(jié)段不同部位溫度下降明顯。兩種環(huán)境下10 h腹板附近縱向溫度變化如圖6（a）所示，結(jié)果表明，高風速和環(huán)境溫度下降都會造成整體溫度的減小，擴大溫度梯度，溫差最大達到了22 ℃[7]；圖6（b）為不同環(huán)境下10 h節(jié)段縱向變形。結(jié)果表明，降溫、高風速下的弓形變形空隙有所減小，僅降溫情況下的弓形變形空隙保持不變。

圖6 腹板縱向溫度、變形變化

4 總結(jié)

隨著我國橋梁建設工程的不斷發(fā)展，預制節(jié)段拼裝技術(shù)得到了大規(guī)模應用。該技術(shù)主要將橋梁進行不同節(jié)段的劃分，之后在梁場預制進行現(xiàn)場拼裝，繼而施加預應力形成整體橋梁結(jié)構(gòu)。箱梁節(jié)段預制拼裝技術(shù)具有重要發(fā)展前景，該文依托實際工程開展單箱單室箱形橋梁預制階段水化熱、弓形變形分析，為橋梁結(jié)構(gòu)耐久性控制提供依據(jù)。該文獲得以下結(jié)論：預制節(jié)段存在較小弓形變形時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力增大較為明顯，引發(fā)結(jié)構(gòu)整體剛度變化；節(jié)段寬長比和變形之間的關(guān)系極為敏感，寬長比10會產(chǎn)生較大的變形空隙；摻礦渣水泥能夠有效弱化變形及水化熱，在新澆筑混凝土凝結(jié)過程中，需要做好保溫保濕處理。實際預制施工中，需要盡量選取長度合理的節(jié)段，優(yōu)化水泥品種，確保箱梁耐久性。