基于BIM的鐵路預應力混凝土連續梁拱拱腳設計與施工深化研究

高 峰，苗永抗，宋樹峰，邸 昊，孟繁增

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

預應力混凝土連續梁拱橋是一種外形美觀、結構新穎、受力合理的組合橋型,是一種比較適合于現場凈空較為緊張的大中跨徑鐵路橋梁設計方案[1-5]。

拱腳及其附近區域從構造角度來看,既是拱腳與梁體交界處,也是橫隔板與腹板的交界處,并且主梁頂緣處于縱向、橫向、豎向三向預應力鋼筋的高應力區,主梁底緣設置大噸位支座,因此該處構造復雜。從受力角度來看,拱肋產生的巨大推力都要通過該區域傳遞給梁段,同時相鄰梁段對該區域也會產生作用力,使其處于彎剪壓狀態。基于上述因素可知,該區域結構構造與受力復雜,且較易出現局部應力集中,其受力性能對全橋承載能力和跨越能力至關重要,是設計與施工的關鍵部位[6-8]。拱腳由鋼管拱肋向混凝土的過渡段落,局部結構構造復雜,拱腳設計中選用合理的鋼筋布置間距、位置、大樣及數量等是拱腳能夠滿足復雜良好受力狀態的重要保證。

近年來,在鐵路預應力混凝土連續梁拱施工過程中,由于拱腳部位鋼筋及預應力管道密布、結構復雜、體積大再加上部分施工人員經驗缺乏以及鋼筋綁扎與振搗不到位,拱腳部位出現較多的如混凝土開裂[9-11]等質量問題。原英杰[12]針對鋼管混凝土梁拱組合體系結構中存在的拱腳混凝土開裂問題,通過建模分析計算詳細研究了開裂模型與正常模型在不同施工階段中拱肋、拱內混凝土、系梁等構件的應力差值與位移差值,發現拱腳混凝土開裂會影響拱肋承載能力使用率,使得拱肋的安全儲備降低10.2%。

國內外越來越多的工程實踐證明,BIM技術能夠運用多維模型和數據庫技術實現數字化、可視化的建造,其翔實的數據信息為設計方法、創新施工工藝、后期運營維護提供技術支撐,具有巨大的應用價值和廣闊的應用前景[13-16]。近年來,針對鐵路工程領域的BIM研究,已經發布部分標準規程規范并在工程項目中逐步得到實踐應用[17-19]。由于普通鋼筋、預應力鋼束及預埋件在連續梁拱拱腳中密集分布,原有的二維設計手段已難以支撐全面考察拱腳內部各構件之間的復雜空間關系,而針對該方面的研究目前還較少,所以利用BIM技術對預應力混凝土連續梁拱拱腳進行研究,建立具備施工圖精度的連續梁拱模型,優化普通鋼筋、預應力束及預埋件布置方案,避免因鋼筋網之間錯位布置影響混凝土的下落和振搗棒的插入,同時就拱腳混凝土澆筑與振搗施工方案進行分析并提出建議。

1 工程概況

以某高鐵跨越通航河道(90+180+90) m預應力混凝土連續梁拱為研究對象。主梁采用單箱雙室直腹板箱形截面,中墩處梁高11 m,邊跨與跨中直線段梁高5 m。主梁頂寬一般段13.2 m,中支點處考慮拱腳影響線性變化至15.9 m,中支點附近頂板厚1.12 m,底板厚1.7 m,腹板厚0.47～0.7 m變化。主梁中支點0號段長17 m,除0號梁段及邊跨現澆段在支架上施工外,其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑。

拱肋采用豎直平行鋼管混凝土啞鈴拱,拱肋中心距為11.9 m,矢跨比為1/5,拱肋高3.1 m,拱管直徑1.1 m,拱管與腹腔內均灌注混凝土。

拱腳橫向寬1.9 m,縱向長12 m,橫向兩側邊緣距離拱管0.4 m。拱座區域拱管外側適當焊接拱軸方向的肋板,以便與拱座鋼筋連接,肋板及拱肋腹板上開設規則排列鋼筋孔。總體三維模型如圖1所示。

圖1 主梁、拱肋與拱腳三維模型Fig.1 Three dimensional model of beam, arch rib and arch foot

該橋采用“先梁后拱”的總體施工方案,即先施工連續梁體系,然后以此為平臺搭設拼裝拱肋、泵送拱肋弦管與腹板內混凝土、按序張拉吊桿、施工橋面及附屬設施、吊桿力終調,最終形成拱梁組合體系[20-21]。

2 拱腳深化設計

經調研,Tekla平臺具有普通鋼筋與預應力鋼束建模的開放性、高效性及鋼結構深化應用上的優勢[22],基于該平臺建立連續梁拱零號塊與拱腳精細化BIM模型,包含混凝土主體、縱向預應力、橫向預應力、豎向預應力、普通鋼筋、鋼管拱肋、拱腳預埋件等各類構件信息,為優化鋼筋、預應力鋼束及預埋件布置提供指導,整體模型如圖2所示,拱腳主要鋼筋與預埋件布置如圖3所示。

圖2 鐵路連續梁拱零號塊與拱腳整體BIM模型Fig.2 BIM model of zero block and arch foot for continuous beam-arch

圖3 拱腳主要鋼筋與預埋件布置Fig.3 Layout of arch foot reinforcement and embedded parts

2.1 預應力束深化設計

借助BIM可視化檢查功能,對拱腳模型進行碰撞檢查,因拱腳內部無縱向與橫向預應力束,重點查找豎向預應力束與拱腳預埋件之間的碰撞問題,并調整設計。拱腳作為拱肋與主梁之間的傳力通道,為防止由于拱腳至主梁的截面突變而影響傳力整體性,可將主梁墩頂的部分豎向預應力鋼束伸入拱腳內,增強其抗拉和抗剪性能。如圖4所示,豎向預應力束與拱肋預埋段根部斜向圓形撐板干擾。

圖4 預應力束與拱肋預埋段根部撐板干擾Fig.4 Interference between the prestressed beam and the root brace of the embedded section of arch rib

在滿足豎向預應力束間距、數量、保護層厚度等條件的基礎上,在模型中精確調整預應力束布置,如圖5所示,以避開拱肋預埋段根部斜向圓形撐板,保證結構安全。

圖5 調整后的豎向預應力束布置Fig.5 Adjusted vertical prestressed beam arrangement

拱肋與拱腳交界處,由于拱肋鋼管直接與拱座混凝土接觸,兩者強度和剛度相差較大,且為截面特性突變較大的區域,應力集中現象比較明顯,易引起混凝土開裂或壓潰,所以在交界處斜截面上采用預埋鋼板并與拱管焊接的方式予以過渡,并在拱肋與鋼板間焊接順拱肋方向的加勁縱肋。豎向預應力束與拱肋拱腳交界處的拱肋外圍預埋鋼板發生干擾,如圖6所示。

圖6 交界處預埋鋼板與豎向預應力束干擾Fig.6 Interference between the embedded steel plate and the vertical prestressed beam at the junction

將交界處預埋鋼板由矩形輪廓調整縮減為圓形輪廓,同時對豎向預應力束進行位置與長度的調整,如圖7所示。一方面可避免兩者之間的干擾且滿足豎向預應力的施工空間,保證預應力束施工質量;另一方面可避免該區域混凝土出現局部開裂現象,也為混凝土振搗預留更多的空間。

圖7 調整后的交界處預埋鋼板與豎向預應力束Fig.7 Adjusted embedded steel plate and vertical prestressed beam

2.2 普通鋼筋深化設計

利用BIM的三維可視化功能,重點查找拱腳內部各類鋼筋與縱向、橫向、豎向預應力束之間的干擾問題,并調整設計。由于拱肋的力要逐漸傳給混凝土,且受水平推力和彎矩的影響,拱管與拱座正面接觸處及周圍存在較大的主壓應力與主拉應力,所以在與拱肋垂直的拱腳正面與拱腳背面布置G1、G1′、G2系列三層縱向鋼筋并與橫向鋼筋形成鋼筋網且伸入梁內一定長度。如圖8所示,拱腳前后兩端直徑為φ32 mm的G1、G1′、G2系列鋼筋網與零號塊頂板縱向預應力束發生干擾。

圖8 拱腳前后兩端鋼筋網與縱向預應力束干擾Fig.8 Interference between longitudinal prestressed beam and steel fabric at front and back ends

通過調整拱腳前后兩端鋼筋網的橫向間距,以避開縱向預應力束,保證鋼筋網能夠更好地抵抗拱腳與拱肋交接處,以及拱腳背面的混凝土拉應力,如圖9所示。同時將拱腳內外側鋼筋網調整為與上述鋼筋網一致的間距,保證混凝土良好的流通通道,有助于振搗密實,減少混凝土開裂。

圖9 調整后的拱腳前后兩端鋼筋網Fig.9 Adjusted steel fabric at front and back ends

由于受拱腳水平推力和彎矩的影響,拱腳與主梁零號塊頂面交界處存在較大的主拉應力,所以在縱向截面布置G5、G6、G10垂直拱肋方向與G7順拱肋方向的鋼筋網并伸入主梁內一定長度。垂直于拱肋軸向的拱腳內外層G5、G6、G10鋼筋網與零號塊頂板橫向預應力束發生干擾,如圖10所示。

圖10 拱軸垂向鋼筋網與橫向預應力束干擾Fig.10 Interference between steel fabric perpendicular to the arch axis and transverse prestressed beam

通過調整拱軸垂向鋼筋網的布置間距,以避開橫向預應力束,如圖11所示。若鋼筋加工區綁扎或焊接的該類鋼筋網片的鋼筋間距未能合理避開橫向預應力束,則鋼筋網片現場施工時需對與橫向預應力束干擾的鋼筋進行局部彎折或者截斷后焊接,會影響鋼筋錨固長度與錨固性能,不利于減小拱腳與零號塊交界面的混凝土拉應力。

圖11 調整后的拱軸垂向鋼筋網Fig.11 Adjusted steel fabric perpendicular to arch axis

順拱肋軸向的拱腳內外層G7鋼筋網與零號塊頂板橫向預應力束發生干擾,如圖12所示。

圖12 順拱肋軸向鋼筋網與橫向預應力束干擾Fig.12 Interference between steel fabric along arch axis and transverse prestressed beam

通過調整順拱肋軸向鋼筋網的布置間距,如圖13所示,以避開橫向預應力束,保證鋼筋的錨固長度與錨固性能,降低拱腳與零號塊交界面的混凝土應力水平,加強拱腳與零號塊的整體性,保證更有效的應力傳遞。

圖13 調整后的順拱肋軸向鋼筋網Fig.13 Adjusted steel fabric along arch axis

為加強鋼管拱肋與混凝土拱腳的整體性,采用G9′鋼筋穿過拱肋鋼管加勁縱肋、N12鋼筋穿過拱肋腹板以及在拱管內部沿環向布置一定數量縱筋的方式,且均錨固于拱腳中。拱肋預埋段腹板穿拉筋、加勁縱肋穿拉筋均與豎向預應力束發生干擾,如圖14所示。

圖14 穿拉筋與豎向預應力束干擾Fig.14 Interference between brace and vertical prestressed beam

通過調整腹板與加勁縱肋穿拉筋的布置間距,如圖15所示,以避開豎向預應力束,加強拱肋鋼管與拱腳混凝土的受力整體性,保證應力傳遞的有效性,減小應力集中。與此同時,調整腹板與加勁縱肋預先開孔的位置,一來可避免加勁縱肋因施工現場臨時開孔引起加勁縱肋與拱肋鋼管之間的局部焊縫損傷,保證加勁縱肋能夠有效抵抗預埋拱肋與拱腳混凝土上下接觸區域的應力集中;二來可避免腹板兩側現場開孔需對中的施工難度。

圖15 調整后的穿拉筋Fig.15 Adjusted brace

2.3 預埋件深化設計

為確保拱腳處預埋拱肋的安裝施工質量,拱腳定位支架在設計與施工中應充分考慮支架本身的承載力、拱腳混凝土澆筑時的支架穩定性、預埋段的調整以及固結是否便利等因素。本橋釆用型鋼桁架結構,預埋定位立柱與橫撐采用∠63×10 mm型鋼,拱肋間剪刀撐釆用∠100×10 mm型鋼,為防止拱腳預埋段傾覆,型鋼骨架與拱肋預埋段接觸的部位均應進行焊接,以防混凝土澆筑時產生的浮力使拱肋發生偏位。借助BIM可視化功能,發現預埋拱肋定位立柱與主梁頂部縱向預應力束發生干擾,如圖16所示。

圖16 定位立柱與縱向預應力束干擾Fig.16 Interference between longitudinal prestressed beam and locating column

通過縮短緊貼拱肋的定位立柱并在其外側焊接一根定位立柱伸入主梁內,如圖17所示,以避開縱向預應力束,保證預埋拱肋定位的穩定性與準確性,同時可避免對拱肋外壁與縱向預應力束金屬波紋管產生損傷。

圖17 調整后的定位立柱Fig.17 Adjusted locating column

預埋拱肋定位立柱與主梁頂部橫向預應力束發生干擾,如圖18所示。

圖18 定位立柱與橫向預應力束干擾Fig.18 Interference between transverse prestressed beam and locating column

在滿足支架承載力與穩定性等條件的基礎上,通過調整預埋拱肋定位立柱的布置間距,以避開橫向預應力束,如圖19所示。

3 拱腳施工深化應用

受施工工期調整、現場施工條件等因素制約,拱肋施工由豎向轉體改為原位拼裝,基于此,將拱腳混凝土二次澆筑施工方案優化為一次澆筑。二次澆筑法施工時拱腳鋼筋網會影響部分豎向預應力張拉空間,需截斷之后焊接,如圖20所示。而一次澆筑法施工因豎向預應力束伸至拱腳外表面,能夠顯著改善豎向預應力張拉空間,減少豎向預應力損失,避免鋼筋截斷與焊接,提升結構安全性;而且能夠避免拱腳施工縫的存在與預埋鋼筋、拱肋因保護措施不到位引起的銹蝕,省去拱腳聯接鉸施工與處理。

原二次澆筑施工方案中澆筑分界面設置的共7種鋼筋均可優化為與鄰近位置相同種類的鋼筋,如圖21所示。這7種鋼筋大樣較復雜,且多為長度漸變鋼筋,通過優化可減少拱腳鋼筋大樣種類,降低現場加工難度,提升拱腳施工效率。

圖21 二次澆筑分界面鋼筋網Fig.21 The steel fabric in the secondary pouring interface

基于Tekla中BIM模型可快速得到構件任意節點的精確三維空間坐標,對施工現場拱肋預埋段的固定支架與限位架進行精確定位并嚴格控制垂直度,并且實時監測混凝土澆筑施工過程中拱肋預埋段的軸線坐標原點、拱肋最低點與上弦管內側點等關鍵位置坐標,與BIM模型中對應位置坐標進行校核,以保證預埋拱肋最終的定位精度。

由于拱腳A、B、C三個區域的豎向預應力筋錨槽處于不同斜率的坡面上且坡率較大,再加上拱腳相對于梁頂的最大高度達到5.2 m,拱腳外側豎向預應力施工空間狹窄,如圖22所示。豎向預應力筋與錨墊板的精確定位困難且易出現誤差,進而導致錨固螺母底面與錨墊板頂面之間未緊密貼合出現初始夾角,增大豎向預應力筋回縮量,產生較大的預應力損失。基于BIM模型提取拱腳處豎向預應力筋與錨墊板的三維空間坐標,指導現場施工精確定位,顯著降低豎向預應力損失,保證結構安全與耐久性。

圖22 拱腳三個區域的豎向預應力筋Fig.22 Vertical prestressed beam in three areas of arch foot

為保證零號塊現澆段澆筑質量與拱腳預埋拱肋定位準確,基于拱腳原則上不允許與零號塊分開澆筑,零號塊分為兩步進行施工。第一步澆筑混凝土從底板至過人孔頂半米處(澆筑高度6.5 m),同步埋設拱腳預埋拱肋定位型鋼架;第二步澆筑從上一步澆筑面處直至拱腳(梁高4.5 m,拱腳高5.2 m,共計9.7 m),如圖23所示,以保證零號塊與拱腳結合部位的抗剪強度。可在零號塊與拱腳固結區域一定范圍內采取澆筑鋼纖維混凝土的緩和過渡措施,以增強混凝土抗裂和抗拉性能,緩解該處應力集中。

圖23 零號塊與拱腳混凝土澆筑順序Fig.23 Concrete placement sequence of zero block and arch foot

拱腳施工時,混凝土配合比中粗骨料直徑不宜過大,以確保混凝土在拱腳內的流動性。混凝土澆筑采用橫向分段、豎向分層,防止澆筑時混凝土的浮力將拱肋頂起移位,橫向澆筑順序為從上游到下游,豎向按每層30～40 cm厚分層斜面澆筑。另考慮拱腳高度較高,可采用邊立模邊澆筑的施工方案。由于拱腳內空間有限,可采用小直徑振搗棒進行振搗,對振搗棒不易觸及的位置,在常規振搗的同時,可通過增加側振等多種措施確保各個部位都振搗到位。以上措施亦可有效降低水化熱效應,控制拱腳混凝土開裂。

4 結論

(1)借助BIM技術可視化、參數化優勢,建立施工圖精度的BIM模型,能夠有效查看連續梁拱拱腳內各構件空間關系,進而開展深化設計及施工應用。

(2)在連續梁拱拱腳深化設計方面,基于BIM技術從結構安全層面對關鍵受力位置處預應力束與預埋件優化共計5處,從技術方案層面對重要位置處普通鋼筋優化共計4處,能夠最大限度地減少設計變更,提升工效,有效提升連續梁拱拱腳的設計質量與安全性能,同時可為不同跨度鐵路預應力混凝土連續梁拱的拱腳設計優化提供思路與方向。

(3)在拱腳施工深化應用方面,基于BIM技術在提升拱腳施工質量、效率與結構安全重要關鍵點上優化共計4處,同時分析拱腳混凝土澆筑與振搗細部施工措施并提出建議,更好地提升拱腳施工水平。

研究成果已在昌景黃鐵路、汕汕鐵路等項目中得到實踐應用,有效促進了連續梁拱拱腳設計與施工質量的提升,從而使連續梁拱拱肋與主梁更加高效協同地發揮作用。