主線高架橋預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土箱梁縱向應(yīng)力分析

薛 偉，張 雷，常金思

（陜西華山路橋集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

高架橋現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)通常具有體積大、跨度大、超長(zhǎng)、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。下面結(jié)合某高架橋箱梁的設(shè)計(jì)，對(duì)受力混凝土箱梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體探討。連續(xù)式混凝土箱梁也是目前最常用的橋梁施工形式之一[1]。國(guó)內(nèi)和國(guó)外的研究人員已經(jīng)對(duì)澆筑預(yù)壓混凝土梁進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)理論研究，但對(duì)箱梁、多層和擴(kuò)展的全連續(xù)箱梁以及澆筑連續(xù)鋼筋和平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析相對(duì)有限[2]。為了保證建筑質(zhì)量和橋梁的安全穩(wěn)定，現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)受力分析已成為一個(gè)重要課題。

本文根據(jù)某市科技二路市政工程施工過(guò)程中測(cè)得的應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)科技二路施工路橋進(jìn)行了單元分析，研究了不同工況下特寬混凝土加筋梁施工過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)以及長(zhǎng)梁上下沿橋梁橫向的縱向應(yīng)力分布。

1 工程概況

本次研究以某市科技二路市政工程為例開(kāi)展研究，該項(xiàng)目主要采用“主線高架橋+地面主干路”的形式進(jìn)行構(gòu)建，即立體層與繞城高速交叉設(shè)置互通式立交，與其余道路交叉設(shè)置分離式立交；地面層與相交道路交叉采用平面交叉型式完成交通轉(zhuǎn)換。該項(xiàng)目路線總長(zhǎng)為2.075km，高架橋橋段長(zhǎng)為1.264km。該橋平均寬跨比為0.46，橫向?qū)捒绫冗_(dá)到0.98，平均縱橫比為18.6。主線橋采取拋物線的形式，兩邊主線中心橫向間距為31.8m；高架橋上一共安裝了37 對(duì)束條帶，分別從左到右編號(hào)為DS1-DS38。道路類別為城市快速干道，橋梁全寬防撞保護(hù)為0.5m，Am 的機(jī)動(dòng)車道，0.5m的中央分隔保護(hù)，高架橋上機(jī)動(dòng)車道和6m 防撞保護(hù)欄。高架橋其中變化值是A 和B。并且根據(jù)寬度增加了雙向六車道，這個(gè)車道超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)寬度，大概每3.5m 增加一個(gè)車道。凈行程高度大于或等于5m。橋面的橫向傾斜度在兩個(gè)方向上均應(yīng)為2%，縱向傾斜度在一個(gè)方向上應(yīng)為1.8%。其規(guī)定的車速為，主線高架快速路80km/h。在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)參數(shù)有路面標(biāo)高、主橋散射截面縱向位移和現(xiàn)澆混凝土壓應(yīng)力[3]。以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展研究。

2 施工方法

在主線高架橋預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土箱梁的常規(guī)施工方法中，一般包括以下幾個(gè)步驟。

2.1 模板安裝與調(diào)整

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和施工圖紙，準(zhǔn)備箱梁模板系統(tǒng)，并進(jìn)行安裝。確保模板的平整度和準(zhǔn)確度，以免影響混凝土澆筑后的形狀和尺寸。

2.2 鋼筋布置與綁扎

按照設(shè)計(jì)要求，在模板內(nèi)部鋪設(shè)和綁扎預(yù)定的鋼筋。鋼筋應(yīng)按照正確的位置、間距和覆蓋層進(jìn)行布置，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求。鋼筋的連接應(yīng)牢固可靠，采取機(jī)械連接方式，機(jī)械連接采用標(biāo)準(zhǔn)化的連接器件，連接質(zhì)量較為穩(wěn)定，能夠保證鋼筋連接的可靠性和一致性。

2.3 混凝土澆筑

混凝土應(yīng)按照設(shè)計(jì)配合比和質(zhì)量要求來(lái)制備。在澆筑之前，應(yīng)保證模板的清潔和涂抹刨花油或模板脫模劑，以便于脫模。在澆筑時(shí)，應(yīng)遵循均勻澆注、逐層振搗和適時(shí)振動(dòng)等施工要求，以確保混凝土的均勻性、密實(shí)性和充盈度。

2.4 預(yù)應(yīng)力處理

進(jìn)行后張法預(yù)應(yīng)力施工，其步驟如下：

1.鋼筋準(zhǔn)備：根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定需要加固的結(jié)構(gòu)部位，然后按照預(yù)應(yīng)力計(jì)劃進(jìn)行鋼筋準(zhǔn)備工作。這包括確定預(yù)應(yīng)力筋的類型、直徑和長(zhǎng)度，并對(duì)其進(jìn)行清理和防銹處理。

2.鋼纜安裝：在結(jié)構(gòu)上設(shè)立預(yù)應(yīng)力孔洞，將預(yù)應(yīng)力鋼纜或?qū)к壈惭b在這些孔洞中。預(yù)應(yīng)力鋼纜的數(shù)量和布置應(yīng)該按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝。

3.打座和綁扎：在每個(gè)預(yù)應(yīng)力鋼纜的兩端安裝金屬墊塊，稱為打座。然后，用鋼絲將打座的兩端連接起來(lái)，形成一條連續(xù)的預(yù)應(yīng)力筋。

4.拉伸預(yù)應(yīng)力筋：使用專門(mén)的拉伸設(shè)備對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行拉伸，施加所需的張力力量。拉伸之前需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求測(cè)算出預(yù)應(yīng)力筋的初始長(zhǎng)度。一旦達(dá)到所需的預(yù)壓力，就將預(yù)應(yīng)力筋的兩端固定在錨具上。

5.錨固錨具：在結(jié)構(gòu)的兩端設(shè)置錨具，用于固定預(yù)應(yīng)力筋。錨具的類型和布置應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇，以確保鋼筋的安全錨固。

6.灌漿充填：在預(yù)應(yīng)力孔洞中注入特殊的灌漿材料，用于填充鋼管內(nèi)部和孔洞周圍的空間。這可以加強(qiáng)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)，并提高結(jié)構(gòu)的整體性能[4-5]。

3 現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)主要材料和計(jì)算模型

3.1 箱梁結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目高架橋長(zhǎng)1.264km，共計(jì)11 聯(lián)，其中鋼箱梁1 聯(lián)長(zhǎng)度177m，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁10 聯(lián)長(zhǎng)度1084m，樁基直徑Ф1500mm 的227 根，直徑Ф1800mm 的36 根，承臺(tái)38 個(gè)，墩柱75 個(gè)，系梁34 個(gè)。高架橋的上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨度體系為（30+45+30）m。

3.2 主要材料

主梁混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50，鋼筋類型是HRB400及HPB300。預(yù)加載系統(tǒng)采用φ15.2 高強(qiáng)度低松弛鋼螺紋，上部結(jié)構(gòu)主要材料用量指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 梁上部結(jié)構(gòu)主要材料指標(biāo)表

波紋管采用塑料波紋管。采取真空輔助壓漿工藝。

3.3 現(xiàn)繞箱梁設(shè)計(jì)

3.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋

鋼絞線進(jìn)場(chǎng)后，需按相關(guān)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，包括強(qiáng)度、外形尺寸、物理和力學(xué)性能等方面。測(cè)試中需要對(duì)錯(cuò)頭進(jìn)行裂紋檢測(cè)，對(duì)夾片進(jìn)行硬度檢測(cè)，并對(duì)錨具進(jìn)行鋪架性能測(cè)試，還需要測(cè)量錨圈口處的預(yù)應(yīng)力損耗以知曉實(shí)測(cè)值，并確定千斤頂張拉力是否需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)使用測(cè)量到的彈性模量和截面面積對(duì)張拉引伸量進(jìn)行校正。在相同的斷面中，預(yù)應(yīng)力鋼束的斷絲率不得超過(guò)百分之一，任何條件下，每個(gè)鋼絞線都不能有1 根以上的斷絲或滑絲情況出現(xiàn)。

3.3.2 預(yù)應(yīng)力管道

除了針對(duì)類別、型號(hào)、規(guī)格和數(shù)量外，還應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力管道進(jìn)行外觀、尺寸、集中荷載下的徑向剛度、荷載作用后的抗泄漏和抗彎曲滲漏等方面的檢測(cè)。

在建設(shè)預(yù)應(yīng)力管道時(shí)，按照設(shè)計(jì)圖要求設(shè)置曲線處的加強(qiáng)鋼筋和錨下的加強(qiáng)鋼筋是必要的。這些加強(qiáng)鋼筋的設(shè)置旨在增強(qiáng)管道的剛度和穩(wěn)定性，在曲線處提供足夠的抗彎承載能力，并在錨下區(qū)域提供足夠的抗拉強(qiáng)度。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)鋼筋，可以有效地抵抗管道在曲線和錨下處產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，從而確保管道的安全運(yùn)行和可靠性。在設(shè)置加強(qiáng)鋼筋時(shí)，需遵循設(shè)計(jì)圖的要求，確保其位置、數(shù)量和尺寸符合設(shè)計(jì)規(guī)范和結(jié)構(gòu)要求。

在管道接頭的連接上，建議選擇同一型號(hào)的大一級(jí)管段，并保證其長(zhǎng)度為被連接管段的5 倍至7 倍。在連接過(guò)程中，不應(yīng)改變接頭處的角度。在混凝土的澆筑過(guò)程中，若管道發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或移位，必須將接頭卷裹嚴(yán)實(shí)，以防止水泥漿滲透。此外，所有管道的連接處必須確保良好的密封性，并滿足真空條件。

在施工過(guò)程中，需注意防止鋼筋的焊接和綁扎對(duì)預(yù)應(yīng)力管的損壞。

3.3.3 預(yù)留設(shè)施

為了確保箱梁的底部安全和便利，必須安裝照明燈，并且電纜線需要穿過(guò)整個(gè)箱室。此外，在橫梁上預(yù)留一條徑向通道，以便維護(hù)和檢修。在考慮相鄰連接的兩端橫梁時(shí)，必須綜合考慮，以確保縱向的預(yù)留孔的匹配。這樣可以保持整個(gè)預(yù)留管通道的尺寸一致，從而在后續(xù)線路通過(guò)時(shí)減少可能遇到的問(wèn)題。

此外，箱梁底部的照明燈的安裝非常重要。這些照明燈可以提供足夠的光亮，確保工作人員在箱梁內(nèi)進(jìn)行維護(hù)和檢查時(shí)有良好的視覺(jué)環(huán)境。電纜線穿過(guò)整個(gè)箱室，不僅可以保證燈光的供電，還可以連接其他設(shè)備或系統(tǒng)，如監(jiān)控?cái)z像頭或通信設(shè)備。在橫梁上留下的徑向通道可以容納電纜線，使其布置整齊，并方便維護(hù)和管理。

總之，箱梁底部的照明燈安裝、電纜線穿過(guò)箱室以及縱向預(yù)留孔的考慮都是為了確保箱梁結(jié)構(gòu)的安全和功能的完善。這些措施將提供便利的維護(hù)和管理?xiàng)l件，并減少后續(xù)線路布置時(shí)可能遇到的問(wèn)題，從而確保整個(gè)工程的順利進(jìn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，需要對(duì)工段的箱梁進(jìn)行試驗(yàn)研究。而在箱梁的澆筑過(guò)程中，采用了分層澆筑作為主要方法。在主梁混凝土澆筑階段，主梁內(nèi)部預(yù)埋了埋入式混凝土鋼弦應(yīng)變傳感器。應(yīng)變計(jì)用鋼絲綁扎在混凝土主梁頂板上緣及底板下緣縱向鋼筋上，在混凝土澆筑完成后測(cè)試初始值。在施工過(guò)程各工況開(kāi)始前后分別利用應(yīng)變采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)計(jì)算得出該工況下主梁應(yīng)力變化值。

施工階段混凝土的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2 所示。

表2 施工階段混凝土正應(yīng)力表（單位：MPa）

根據(jù)表2 的計(jì)算結(jié)果，頂板混凝土的應(yīng)力低于7.52 MPa，底板混凝土的應(yīng)力低于9.90MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，并且其應(yīng)力水平較低，滿足要求。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋是橋梁工程中廣泛采用的橋型，該類橋的剪力滯現(xiàn)象、腹板開(kāi)裂和0#塊開(kāi)裂現(xiàn)象是長(zhǎng)期困擾著橋梁設(shè)計(jì)、橋梁施工和養(yǎng)護(hù)人員的老問(wèn)題。本文結(jié)合箱梁的受力特點(diǎn)，著重考慮三向預(yù)應(yīng)力（縱向預(yù)應(yīng)力、豎向預(yù)應(yīng)力和橫向預(yù)應(yīng)力）對(duì)箱梁應(yīng)力的影響，分別計(jì)算了在縱向預(yù)應(yīng)力作用下懸臂箱梁剪力滯效應(yīng)；豎向預(yù)應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力損失對(duì)箱梁腹板主應(yīng)力的影響；橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)0#塊頂板橫橋向應(yīng)力的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，得到以下結(jié)論：

由于箱梁的重量和上部的承載能力需要通過(guò)腹板傳遞到橫梁上，因此在腹板附近會(huì)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。在接近腹板的區(qū)域，剪切力分布最為集中，而遠(yuǎn)離腹板的地方剪切力分布相對(duì)較小，并且呈現(xiàn)出來(lái)的剪切力滯效應(yīng)更加顯著。現(xiàn)場(chǎng)澆筑的箱梁的最終承載能力，包括彎曲和剪切能力，以及正常運(yùn)行極限狀態(tài)下的斷裂阻力和變形率的計(jì)算，都符合公共橋梁法規(guī)中規(guī)定的允許值。

6 結(jié)語(yǔ)

為提高主線預(yù)應(yīng)力混凝土梁箱高架橋施工質(zhì)量，本次研究以真實(shí)項(xiàng)目為例，開(kāi)展主線高架橋預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土箱梁縱向應(yīng)力分析。通過(guò)對(duì)一主線高架橋箱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取主要材料進(jìn)行施工，并對(duì)其縱向應(yīng)力進(jìn)行分析與研究，驗(yàn)證所鑄造箱梁的最終承載能力，以及在正常運(yùn)行極限狀態(tài)下的抗裂和變形撓度指標(biāo)均符合通用橋梁規(guī)定的允許值，由此可說(shuō)明采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可提高主線預(yù)應(yīng)力混凝土梁箱高架橋的施工質(zhì)量和安全性。