節段預制拼裝橋梁耐久性設計要點研究

陳濤

（深圳市市政設計研究院有限公司合肥設計院，合肥 230011）

1 引言

橋梁節段預制拼裝技術主要是將梁體進行不同節段的劃分，事先進行預制、拼裝形成整體結構的施工方法。常見的節段預制拼裝技術主要分為預制法、拼裝法，前者可分為長線法、短線法預制，拼裝法則有懸臂拼裝和逐孔拼裝兩類。對橋梁使用耐久性影響較大的多為預制階段的節段不同參數，其中，節段匹配預制中的混凝土水化熱溫度梯度容易產生結構縱向變形，繼而造成后續橋梁施工線性、結構穩定性不滿足要求。為此，預制階段結構水化熱變形分析對于確保橋梁使用質量具有重要意義。

2 節段預制拼裝的耐久性

2.1 節段預制拼裝

長線法節段預制則是將不同劃分梁端固定在預制場臺座模板內進行相鄰梁端的澆筑，其臺座穩定可靠，梁端成型后具備良好的線性；短線法預制則是先將梁體進行短節段的劃分，并且對影響梁體變形的因素進行分析，控制預制臺座坐標及優化梁端平面高程標高，采取模板逐塊匹配及流水生產方式整體成型，短線法具備場地空間要求小的優點，但是對于施工操作的精度要求較高，是目前應用最廣的預制技術[1]。節段拼裝則主要采取懸臂拼裝和逐孔拼裝兩種方法，懸臂拼裝技術適用于跨徑60～120 m 橋梁結構，可具體分為上行式架橋機、懸臂吊機拼裝形式，國內較大數量的橋梁結構多采取短線法預制、懸臂吊機安裝技術；逐孔拼裝則主要使用跨徑30～50 m的橋梁結構[2]。

2.2 耐久性分析

梁段匹配預制階段的混凝土澆筑水化熱極為顯著，這主要歸因于水泥成分內部礦物水化過程中存在較大的能量釋放，水化熱量難以快速充分排放到混凝土體外，混凝土內部熱量積聚而導致溫度提升，引發混凝土在溫度差下的變形。當結構內部應力超過自身抗拉強度時，則會產生混凝土開裂，造成結構耐久性下降。節段箱梁短線法預制過程中，主要采取前一節段箱梁作為邊界模板，后續拼裝梁端則需要在側模、底模、端模、匹配段之間進行澆筑。拼裝段新澆筑混凝土水化熱極容易造成不同梁段之間的溫度梯度，由不同區域溫度應力差而造成結構較大的弓形狀變形，混凝土澆筑凝結穩定之后，匹配段混凝土的變形較小，而新澆筑段接縫面則表現為彎曲狀，如圖1 所示[3]。變形產生的結構空隙會造成結構施工線性誤差、內部應力集中現象，引發橋梁使用耐久性喪失。

圖1 短線法預制變形

3 工程概況

合肥市某三跨連續剛構設計跨徑60 m+120 m+60 m，設計全長240 m，雙向4 車道設計，設計車速60 km/h，橋梁設計寬度15 m：欄桿（0.5 m）+車行道（2×3.5 m）+車行道（2×3.5 m）+欄桿（0.5 m），橋梁上部結構設計為單箱單室箱梁構造，沿橋梁縱向等截面設計，箱梁頂板寬度設計15 m，底板寬度6 m，高度3 m，具體如圖2 所示。項目擬采取短線法進行梁段預制，預制節段長度設計為2.5 m，設計單位需開展不同預制梁段長度下的結構耐久性分析[4]。

圖2 剛構橋箱型斷面參數（單位：mm）

4 有限元分析

4.1 模型構建

項目采取ANSYS 軟件構建三維有限元模型，其中箱梁結構主要采取熱單元（Solid70）模擬，且不同梁段拼裝機邊界支撐采取Link 33 單元模擬。單元溫度計算則采取水化熱荷載施加，單步運行1 h，對前100 h 進行計算來獲取；結構受力分析則需要將上述模擬熱單元進行結構分析的轉換，將單元溫度作為荷載進行結構施加，最終獲取箱梁不同變形效果。箱梁匹配段、拼裝段模型構建如圖3 所示。模型中混凝土等級C50，配合比設計為水泥：水：砂：石：外加劑=495：155：702：1051：3.85；混凝土泊松比設計為0.17，彈性模量3.6×1010N/m2；混凝土澆筑溫度22 ℃，混凝土熱力學參數如下：比熱容925 J/（kg?℃）；熱膨脹系數0.7×10-5/℃；導熱系數9.6 kJ/（m?h?℃）。依據相關統計資料表明，區域混凝土最高生熱率在20 h 時為最大值[5]。

圖3 預制有限元模型示意圖

4.2 邊界條件

短線法預制澆筑混凝土階段需要開展結構熱分析，對結構不同溫度梯度分布情況進行研究。拼裝混凝土澆筑溫度為22 ℃，環境溫度為22 ℃，澆筑混凝土水化熱提供全部熱量，并且進行周圍熱傳導；環境風速較慢，為1 m/s；混凝土養護覆蓋膜厚度2.5 mm。則通過計算可知混凝土熱分析邊界條件如下：新澆筑拼裝段混凝土散熱系數22.1 kJ/（m2?h?℃），匹配段混凝土散熱系數36.5 kJ/（m2?h?℃）。

4.3 結果分析

4.3.1 溫度分布

有限元模型熱力計算經100 h 模擬可獲取匹配段、拼裝段結構溫度分布情況。研究結果表明，混凝土澆筑10 h 后結構達到終凝狀態，且預制節段最高溫度為41 ℃，出現在結構內部，結構外表面最高溫度則為35 ℃；混凝土澆筑時間達到15 h時，出現混凝土最高溫度，結構內外溫度最大值分別為55 ℃、48 ℃[6]。

4.3.2 變形分析

短線法匹配梁段和新澆筑梁段產生的溫度差會形成弓形變形，變形主要產生在新澆筑梁段的混凝土終凝前。圖4 為不同時間段向量頂板位置縱向變形發展情況，結果表明，隨著距離澆筑時間的不斷增大，頂板變形也在不斷增大，其中澆筑10 h 達到混凝土終凝時具備最為平緩的結構縱向變形，且當時間超過10 h 時，其弓形變形較為明顯，且變形幅度得到有效減緩；結構至20 h 時存在的最大縱向變形達到了2.6 mm，變形空隙最大則達到了0.7 mm。

圖4 不同時間段向量頂板位置縱向變形發展情況

4.3.3 寬長比

項目為分析不同預制節段長度對耐久性影響，設定箱梁截面不同寬長比結構模型，對其開展混凝土澆筑后10 h 達到終凝狀態下的頂板縱向變形分析。其中，項目寬長比分別為4、5、6、7，初始設計寬長比w/l為6，圖5 為10 h 頂板縱向變形及結構空隙隨寬長比變化發展情況。研究結果表明，寬長比越小，結構變形也小，弓形變形越不明顯；變形空隙值隨寬長比增大而不斷增大，寬長比在4～5 內時，變形空隙相對較小，且變化幅度較為平緩。由此可知，短線法預制梁段寬長比盡量控制在4～5 之內，此時具備較小的頂板縱向變形及頂板變形空隙，有助于施工階段線性平順及結構耐久性[7]。

圖5 10 h 頂板縱向變形及結構空隙隨寬長比變化

5 結語

我國大跨度橋梁建設多穿越江河、丘壑等復雜地質，此時，相較于一般施工技術，節段預制拼裝技術具備施工簡便、成本較少等應用優勢。節段預制拼裝橋梁耐久性分析是一個重要研究課題，梁段預制階段水化熱是影響橋梁耐久性的重要因素，本文依托具體工程項目開展短線法預制節段水化熱溫度梯度分析，并且對不同寬長比下結構變形情況進行對比，獲取有效結果，即預制梁段寬長比控制在4～5 時具備良好的頂板變形及較小的變形空隙。本文所做研究為結構耐久性防護提供理論支撐。