变截面连续梁桥支架整体现浇设计与施工

赵胤儒, 刘青松, 秦清波

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010;2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)



变截面连续梁桥支架整体现浇设计与施工

赵胤儒1, 刘青松2, 秦清波1

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010;2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

【摘要】随着桥梁建设的快速发展，施工工期要求越来越高，连续梁桥施工经常会将常规悬臂挂篮施工调整为整体支架现浇施工。针对支架整体现浇施工方法，以南水北调中线工程焦庵村跨渠公路桥(35+60+35)=130 m为例，介绍连续梁支架整体现浇的设计和施工，为同类桥梁支架现浇的设计和施工提供借鉴。

【关键词】整体现浇；预应力混凝土连续梁桥；设计施工

预应力混凝土连续梁桥具有结构刚度大、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简单、宜与周围环境相协调等优点，已成为公路建设中最主要的桥型之一。目前连续梁桥主要的施工方法有悬臂浇筑和拼装、支架节段和整体现浇、顶推法和转体施工等。支架整体现浇与其它方法相比，施工工期短，施工方法简单，主梁线型控制容易保证，整体外观整洁美观。

南水北调中线工程焦庵村跨渠公路桥由于诸多原因导致开工时间滞后，影响南水北调中线工程总干渠通水的进度要求，须对原悬臂挂篮施工方案进行调整以满足渠道通水进度要求。焦庵村跨渠公路桥为渠道挖方后形成，桥址周围地势平坦且桥墩不高，现有交通发达，主梁预计施工季节为春季，综合技术与经济比较后将原悬臂挂篮施工方案调整为支架整体现浇施工方案。

1工程介绍

焦庵村跨渠公路桥位于河南省方城县焦庵村，桥梁桥轴线与南水北调中线总干渠中心线呈60.6°斜交，为减小跨渠建筑物阻水面积、影响渠道过水能力，采用大跨度桥梁跨越总干渠。综合技术和经济后，桥梁结构布跨为35+60+35=130.0 m，桥宽9.2 m，荷载等级为公路-Ⅰ级，单箱单室箱形截面。主梁箱梁截面根部梁高3.6 m，高跨比为1/16.67；跨中梁高1.8 m，高跨比为1/33.33。箱梁顶板宽9.2 m，底板宽5.0 m，翼缘板悬臂长为2.1 m。箱梁变高度节段按1.8次抛物线变化，墩顶根部设置厚200 cm横隔板，边跨端部设厚120 cm的横隔板。箱梁采用双向预应力体系。主梁腹板距主墩中心距离15.0 m以内宽度为70 cm, 其余腹板宽度为50 cm。其桥型布置如图1所示，主梁横断面如图2所示。

图1　焦庵村跨渠公路桥桥型布置(单位: cm)

图2　焦庵村跨渠公路桥主梁横断面

2主梁结构设计

2.1主梁分段设计

由于该桥主梁施工方法的调整主要目的是节约主梁施工工期，所以在满足工程质量的前提下达到节约施工工期的目的，必须考虑主梁浇筑规模和对应的质量风险程度对工期

的影响。主梁节段长度规模和浇筑次数直接影响现浇方案主梁施工周期，若主梁分段越长，则施工风险越高，质量控制越难；主梁分段短，施工风险低，质量控制容易保证。综合现场混凝土供应能力、当地脚手架和劳动力资源、施工季节等因素后，从技术经济角度比较一次浇筑、两次浇筑和多次浇筑和悬臂浇筑后，选择工期最短、技术可行、风险可接受、质量可控的一次性整体浇筑法(表1)。即全桥仅一个混凝土浇筑仓号，仓号长130 m、宽9.2 m，混凝土仓面积为1 196 m2，混凝土总量1 211 m3。

表1　主梁施工方案比较

2.2主梁纵向预应力钢束设计

支架整体现浇施工无法将主梁负弯矩钢束分散锚固于节段截面上，须借助齿块或槽口来锚固部分钢束。为减少齿块数量和增强箱梁整体稳定性，须尽量采用通长钢束并锚固于梁端，同时将部分腹板钢束穿出腹板锚固于箱梁底板槽口内。为抵抗支座处的剪力能力，将部分通长钢束在通过支座一定距离后调为斜向下弯钢束。

根据多年对桥梁病害的观测和统计，连续梁桥在1/4或3/4桥跨处腹板易出现45°的斜裂缝，其主要原因是截面主拉应力过大[1]。斜裂缝的出现会损伤结构强度和刚度，缩短结构寿命，降低结构耐久性。设计上要预防这种结构性裂缝，最直接有效的办法就是在1/4或3/4桥跨附近范围内布置下弯钢束或设置竖向预应力，提高箱梁的抗剪能力，限制腹板中的主拉应力，阻止腹板斜裂缝产生和发展[2]。主梁纵向钢束布置如图3所示。

图3　1/2跨主梁纵向钢束布置

钢束张拉须待主梁混凝土强度及弹性模量均达到设计值的90%后进行张拉。钢束设计张拉顺序为：顶板负弯矩预应力钢束→腹板纵向钢束→顶板通长束→中跨底板钢束→竖向预应力。同一批钢束张拉顺序为：先长束后短束且对称同步张拉。

2.3主梁竖向预应力筋设计

近年来实践证明单纯靠竖向预应力钢筋来克服主拉应力的做法是不可靠的[3]。溯其原因主要由于箱梁的高度有限，竖向预应力筋的长度短，高强度精轧螺纹粗钢筋的伸长量有限，施工时张拉控制措施不到位，在锚固时稍有不慎会造成回缩量偏大，预应力损失较大。在双向应力作用下，腹板主应力计算公式如下[3]：

主梁腹板在考虑竖向预应力后的应力莫尔圆如图4中的实线，竖向预应力提供的竖向应力σy失效后主梁的应力莫尔圆会变成图4中的虚线，将会导致混凝土主梁主应力出现拉应力，当主拉应力超出容许值，主梁将会出现裂缝。因此在纵向受力计算时，建议不考虑竖向预应力筋的作用，仅把竖向预应力筋作为应力储备，能有效防止腹板裂缝的产生。

图4　主梁腹板应力莫尔圆

在腹板内设置一组竖向预应力筋，桥纵向间距50 cm设置一组，竖向预应力筋采用标准抗拉强度785 MPa、直径为32 mm的精轧螺纹钢。竖向预应力筋采用单端张拉，控制张拉力536.6 kN。

2.4裂缝控制措施

超出设计许可的结构裂缝会对主梁的耐久性和承载力构成很大的威胁，因此应在设计和施工中进行控制，预防裂缝产出和阻止产生后的裂缝发展。预应力混凝土连续箱梁裂缝按其形成主要有：荷载裂缝、温度裂缝、收缩裂缝、基础变形裂缝和钢筋锈蚀裂缝[3],主要表现如下：一是主梁弯剪作用下腹板的45°斜裂缝；二是后张预应力齿块锚固区齿块劈裂作用产生的裂缝；三是预应力弯曲转向时在弯曲径向力效应引起法向混凝土表面裂缝；四是由于混凝土早期水化热引起的温度裂缝和后期收缩裂缝。

根据JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[4],截面抗剪承载力主要由斜截面混凝土和箍筋提供的抗剪承载力、弯起普通钢筋和弯起预应力三部分组成。设计除增加腹板厚度外，还可将钢束下弯至箱梁底板，以增强截面抗剪能力，预防45°斜裂缝产生。

在齿块范围内设置一定数量的普通钢筋来抑制钢束对齿块劈裂拉力形成的齿块劈裂裂缝。通过沿钢束波纹管弯曲平面内外法向设置防崩钢筋，防崩钢筋须做成“U”形箍筋，用卡住在弯曲平面内外法向的最外缘钢筋方式可以预防钢束弯曲径向效应裂缝产生。

通过选择低水化热的水泥和加强后期保温保湿养护，防治混凝土早期产生温度应力裂纹。在不降低混凝土强度的前提下，通过骨料降温和优化混凝土配合比控制混凝土水化热，同时在水化热严重的主梁根部区域设置直径为6 mm的钢筋焊网片，增强混凝土表面的抗裂性[5]。

3施工方案设计

3.1支架基础处理

须在搭设脚手架范围内的原地面进行整平碾压，然后填筑25～40 cm厚的级配碎石，分层摊铺碾压。碾压方式由两侧向中间碾压，遵循先轻后重、先慢后快的原则，每次碾压横向重叠宽度不小于40 cm，纵向横缝搭接不小于2 m，要求级配碎石压实度大于96 %，碾压后表面应平整。碾压完毕后的地基承载力不应小于200 kPa，在其表面浇筑15 cm厚的C20混凝土垫层进行找平，设置±2 %的横向排水坡度，并在支架搭设范围外分别设置截水沟。

3.2支架方案

支架应构造简单、受力明确，并且安装和拆除方便。本桥采用常规定型碗扣式钢管支架，满堂红方式布置。支架须按1.2倍所承受的梁体和模板重量进行预压，预压荷载的分布应模拟实际受力情况，支架预压应消除支架体系的非弹性变形，检验支架体系的强度、刚度和稳定性。预压荷载分三级加载，即0.6、0.8和1.0倍预压荷载，预压荷载加载完后须静压24 h且每隔4 h观测变形值不大于2 mm，方可视为稳定。

支架预压遵循整体均匀受力的原则，即预加荷载时应整体、均匀、分层进行叠加，严禁从支架一端开始堆高、加载，防治支架偏心受压，造成支架变形甚至支架倒塌的安全事故。支架拆除遵循由跨中向桥墩对称同步拆除。

3.3模板施工方案

箱梁外模采用定型钢模板，横梁和内模采用小角钢与竹胶板组合模板。施工时应保证模板支架的强度和刚度，防止变形。外露面底板和侧面的模板，特别是预应力张拉齿块模板应按要求安装附着式振动器，以确保混凝土的浇筑质量。模板与混凝土接触面应涂刷隔离剂，保证模板板面光洁平整、接缝严密不漏浆。

3.4混凝土水化热控制措施

大体积混凝土中的水泥胶凝材料用量是水化热大小的主要因素，因此在设计配合比时应在保证混凝土强度和耐久性的前提下尽量降低水泥用量，以缓解水化热。大体积温度裂缝形成和扩展的主要因素有：水泥品牌及使用量、配合比设计、外加剂、设计配筋、施工工艺和养护条件。

水泥品种选用水化热低的矿渣水泥,适度掺入粉煤灰和其它外加剂的“双掺”技术置换相同质量的水泥。骨料选用级配良好的较大粒径骨料。优化混凝土配合比，控制对水灰比、最大水泥用量，骨料降温，以降低混凝土水化热[11]。

降低骨料出仓温度，混凝土的搅拌采用二次投料的水泥砂浆裹料的搅拌工艺，以降低搅拌时的初始温度和水灰比，并控制混凝土入模温度在40℃以下。加强混凝土监控，监测内部温度场变化情况，建立温度控制预警系统，以便采用相应的降温措施，确保不产生过大的温度应力。

在水化热较大的主梁根部设置表面钢筋网，以减缓混凝土的收缩，限制裂缝的发展。

3.5混凝土浇筑方案

混凝土入模时间选择在全天最低温，养生期间配合专用水车和人员保证保温保湿养护。仓面内的混凝土浇筑顺桥向由低向高、多工作面分层浇筑作业，横桥向应对称平衡浇筑[5]。主梁混凝土采用纵向分段和竖向分层浇筑，每相邻混凝土浇筑时间间隔应小于前段混凝土初凝时间。

4结束语

连续梁大节段支架现浇方法设计与施工必须密切配合，综合人力、物力和财力，兼顾桥址地理位置、桥梁规模、施工措施选择节段浇筑规模。支架现浇与其它施工方法相比，主要以下几点特征：

(1)施工工期短，施工难度低，施工措施简单但繁杂，主梁线性容易保证。

(2)占用大量的临时用地，一次性投入大量人力、物力和财力，养护面大，支架地基须处理。

(3)常规挂篮施工支点负弯矩钢束采用节段截面张拉，而一次性整体支架现浇部分钢束须借助齿块进行锚固，因此须加强齿块的设计，防止齿块劈裂裂缝。

(4)一次性整体现浇与两次现浇或多次现浇方法的选取主要根据现场混凝土的供应能力、仓面面积、主梁施工时的日昼温度变化幅度等综合考虑。

参考文献

[1]朱汉华，陈孟冲，袁迎捷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治[M].人民交通出版社，2006.

[2]石雪飞，杨琪，阮欣.已建大跨径PC梁桥过量下挠及开裂处治技术[M].人民交通出版社，2010.

[3]凌广.整体现浇大跨度连续梁桥设计要点[J].交通科技，2012, 251(2)：54-57.

[4]JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5]鲍卫刚,周泳涛.预应力混凝土梁式桥梁设计施工技术指南[M].北京：人民交通出版社，2009.

[6]苏国明.一联多孔连系梁大节段快速施工设计[J].铁路标准设计，2013(9)：50-53.

[作者简介]赵胤儒(1982～),男,工学硕士,工程师，主要从事桥梁设计与咨询；刘青松(1981～)，男，工学硕士，工程师，主要从事桥梁与隧道设计、咨询；秦清波(1980～)，男，工学硕士，高级工程师，主要从事桥梁设计与咨询。

【中图分类号】U445.469

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-10-26