瓯江北口大桥南引桥上层节段梁施工方案优化分析

王 敏，肖 林，郑和晖，夏崟濠

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430014； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430014； 3.交通运输行业交通基础设施智能建造技术研发中心，湖北 武汉 430014；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430014)

1 工程概况

瓯江北口大桥南引桥上层采用等高单箱单室预应力混凝土连续节段梁，上下行分幅布置，跨径布置为5×50m，立面布置如图1所示。箱梁全宽16.25m，中心梁高3.0m，标准横断面布置如图2所示。全桥箱梁顶板厚均为28cm，跨中箱梁截面腹板厚45cm，底板厚27cm，根部截面腹板厚70cm，底板厚50cm，混凝土强度等级为C55。箱梁采用纵、横双向预应力体系，其中纵向预应力采用体内和体外相结合的形式，体内预应力束包括腹板束、跨中底板束和一联内相邻两跨间底板束，体外预应力束为全桥合龙后张拉的合龙束。

图1 南引桥上层节段梁立面布置

图2 标准横断面布置(单位：cm)

箱梁采用隐横梁构造，横梁长19.2m，与箱梁等高，中横梁宽2.5m，端横梁宽2.2m，均与箱内横隔板位置对应。隐横梁包含预制壳体和现浇部分，其中现浇部分由箱内横隔板现浇段(含腹板部分)和横梁外伸段组成，隐横梁结构形式如图3所示。

图3 隐横梁结构形式

原节段梁施工方案主要流程如下：①搭设临时支架，架桥机吊装首跨节段，包括横梁预制壳体；②张拉首跨简支状态下体内束，放置在临时支架的临时支座上；③架桥机前移至下一跨安装位置，吊装本跨节段梁并张拉体内束；④重复以上步骤，直至本联全部节段安装完毕，形成支撑于临时支架的5跨简支梁状态；⑤浇筑隐横梁现浇部分混凝土，达到设计强度后张拉横梁精轧螺纹钢；⑥张拉整联体外束；⑦逐墩张拉横梁横向预应力束，横梁就位于墩顶永久支座上，拆除临时支架。

原施工方案临时支架的安全风险较高，临时支架除承受相邻两半跨节段梁自重外，同时用于前支腿站位，由于临时支架直接支撑于底层梁梁面，施工期底层梁梁面及支座位置开裂风险大。由于临时支架内部净宽有限，运梁车需频繁通过，因碰撞支架引起坍塌风险较高。台风季节施工时，临时支架受风荷载影响较大，倾覆风险大。此外，原施工方案架桥机安全风险较高，由于墩身截面尺寸较小，架桥机支撑架设计难度大，且墩顶人员操作空间狭小，高空作业风险高[1-4]。故若按原方案施工，临时支架和架桥机的安全风险较高，为保障节段梁按期且安全建设完成，需优化施工方案及结构。

2 施工方案及结构优化

2.1 优化后施工方案及优化效果

为降低临时支架和架桥机安全风险，将原方案先简支后连续的施工工艺变更为逐跨连续工艺。优化后的主要施工流程如下：①搭设临时支架及模板，完成墩顶块的现浇；②混凝土达到设计强度后张拉墩顶块横向预应力束，拆除临时支架；③架桥机悬挂一跨内的节段梁，节段间靠临时预应力拉紧；④浇筑位于墩顶块两侧的湿接缝，待强度形成后张拉本跨体内束；⑤架桥机前移至下一跨安装位置，重复以上步骤直至本联全部节段安装完毕；⑥张拉整联体外束。

优化后的施工方案，临时支架仅用于支撑墩顶块自重，架桥机支腿支撑于张拉后的墩顶块上，大幅降低临时支架和架桥机的安全风险。此外，逐跨连续施工工序得到简化，全现浇墩顶块整体性优于预制壳体+部分现浇，墩顶块两侧设置的湿接缝有利于调整节段梁安装线形[5-6]。

2.2 纵向体内束墩顶块内交叉锚固

墩顶块由于整体现浇，节段梁的腹板束无法在内部锚固，节段梁体内腹板束在墩顶块的锚固形式需重新设计，且由于墩顶块自身预应力体系较复杂，布置空间有限，预应力布置需开展细化研究。基于设计及施工两方面的考虑，提出了如下节段梁腹板束锚固端设计原则：①预应力束竖弯及平弯半径不小于最小弯曲半径限值6m，且预应力束保护层厚度不低于100mm；②穿过墩顶块的腹板束不与墩顶块自身预应力束位置冲突，也不与墩顶块内部体外束孔道位置冲突；③腹板束在墩顶块上的锚点与箱梁内部轮廓应隔开一定距离，以保证预应力张拉设备足够的工作空间。

基于上述原则，提出如图4所示的交叉锚固方案，相比原锚固形式，进行如下调整：①本跨腹板束锚固在相邻跨箱梁内部墩顶块表面，相邻两跨腹板束在墩顶块内部形成交叉锚固的形式；②ZF1束在横梁内部仅有平弯，使横梁表面的锚点无仰角，确保预应力束的张拉空间，其余钢束在横梁内部既有平弯又有竖弯；③墩顶块两侧锚点采用非对称布置，竖向上错开，以避免在两侧腹板束空间位置冲突。

图4 腹板束布置形式对比

基于CAD三维建模功能分析墩顶块区域体内束分布情况，体内束分布模型如图5所示。结果表明各组件间未发生碰撞干涉，且预应力束保护层厚度均≥100mm，交叉锚固方案可实现合理布束。

图5 墩顶块区域体内束分布

2.3 墩顶块体内束布置及人孔尺寸优化

原墩顶块跨中段体内束均靠近下缘布置，在墩顶块现浇完成的施工阶段，一次张拉全部体内束必然导致墩顶块顶面拉应力超限。由于墩顶块数量多，分次张拉工艺不利于缩短工期，且操作难度大，需优化设计现浇墩顶块体内束，优化前后体内束布置对比如图6所示。中部墩顶块在上层增设6根16φs15.2体内束，端部墩顶块在上层增设4根16φs15.2体内束，新增体内束中心距离顶面30cm。此外墩顶块下部预应力束锚点附近平直段下移47cm，可满足施工全过程及运营期墩顶块上下缘均不出现拉应力的受力需求。

图6 优化前后墩顶块体内束布置及人孔尺寸

施工方案变更后，当一联内相邻两跨体内束张拉完，架桥机前移过程后支腿倒运时，架桥机中支腿传递到墩顶块的竖向力有10 050kN，此外墩顶块还承受相邻两半跨节段梁的自重，墩顶块受力较不利。为降低由于人孔处挖空引起的应力集中，在满足施工期及运营期人员与设备通行的前提下，将人孔尺寸由120cm×140cm减小到80cm×100cm。

2.4 墩顶块现浇质量及进度保障措施

墩顶块改为现浇后，为降低现浇墩顶块收缩的不利影响，保障施工进度，提出以下措施：①墩顶块存放至少3个月后连接架设节段梁；②现浇作业时加强监控原材料、混凝土拌合、入模和浇筑温度，并采取墩顶块内部布设冷却水管、分层浇筑及拆模后覆膜养护等措施，解决温度引起的大体积混凝土开裂问题[7]；③墩顶块钢筋骨架采用胎架上绑扎+整体吊装入模工艺，既保障钢筋绑扎质量，又有利于提高工效，降低现场高空作业风险；④为减小预应力管道的线形偏差，按设计线形准确放样，并安装定位钢筋网片，在曲线及接头处加倍设置。

3 优化方案计算分析

3.1 主梁应力分析

为分析施工方案及结构优化后主梁在施工过程、成桥状态及恒荷载+活荷载+温度组合工况的受力情况，利用MIDAS Civil建立整联纵向分析模型，交叉锚方案整联模型如图7所示。

图7 交叉锚方案整联分析模型

模型中模拟交叉锚方案的总体施工工艺及体内和体外预应力束布置，其中成桥状态考虑10年的收缩徐变效应，活载按4车道公路-I级荷载标准施加，温度荷载考虑整体升降温20℃、梁截面正负温差及上述工况组合。交叉锚方案主梁在成桥及恒荷载+活荷载+温度组合工况下，上下缘应力如下：①成桥状态 主梁上缘最大、最小应力分别为-0.8，-7.5MPa，主梁下缘最大、最小应力为-2.3，-8.9MPa；②恒荷载+活荷载+温度 主梁上缘最大、最小应力为-0.5，-12.4MPa，主梁下缘最大、最小应力为-0.9，-11.1MPa。主梁上下缘在2种工况下均无受拉情形，最大压应力发生在恒荷载+活荷载+温度组合工况一跨跨中上缘，压应力12.4MPa，应力值在混凝土抗压强度设计值范围内。

3.2 墩顶块应力分析

经分析，墩顶块施工及运营全过程中，最不利受力工况分别对应主梁上缘和下缘压应力储备达到最小：①工况1 墩顶块全部预应力束一次张拉完；②工况2 相邻两跨张拉完，架桥机后支腿倒运时，中支腿传递到墩顶块的荷载为10 050kN，此外墩顶块还承受相邻两半跨节段梁自重13 100kN，工况2墩顶块受力状态如图8所示。

图8 工况2墩顶块受力状态

由于梁单元分析模型无法考虑人孔处挖空对应力分布影响，也无法考虑墩顶块与两侧已安装节段间的相互作用，故基于ANSYS三维实体模型对墩顶块开展相应的数值计算。两工况有限元模型分别如图9，10所示。混凝土采用Solid92单元模拟，预应力束采用Link8单元模拟，采用初始张拉应力施加预应力，预应力束与混凝土采用节点自由度耦合的方式连接，模型边界条件按相应工况实际边界施加[8]。

图9 工况1有限元模型

图10 工况2有限元模型

工况1模型中施加的荷载包括重力及墩顶块自身预应力荷载，工况2模型的实体模型包括墩顶块及相邻4个节段(两侧各2个节段)，模型中包含主梁及墩顶块的全部预应力束，在模型两端各设置1个耦合点与端面所有节点自由度耦合，耦合点上施加与同工况梁单元模型相同位置处提取的节点力，提取节点力弯矩为4 907kN·m，轴力-38 175kN，剪力为1 413kN。

两工况墩顶块横向应力分布如图11所示。由图11a可知，工况1墩顶块顶面主拉应力基本为负值，表明墩顶块顶面未受拉，最大主拉应力发生在支座边缘，底面最大主压应力约16.6MPa。由图11b可知，工况2墩顶块底面基本未受拉，顶面最大主压应力约14.3MPa，人孔周边应力集中程度低，拉应力也基本在限值范围内。锚固区、支座区域及人孔附近是主拉应力较高区域，需在该区域加强配筋预防裂缝的产生。

图11 墩顶块主拉应力云图(单位：MPa)

4 结语

瓯江北口大桥南引桥上层节段梁原施工方案主梁及架桥机安全风险较高，为保障节段梁按期且安全建设完成，对施工方案及结构进行优化，并计算分析优化方案后的主梁及墩顶块应力，对墩顶块最不利受力工况开展局部应力复核计算，结论如下。

1)优化后的施工方案不仅大幅降低临时支架和架桥机安全风险，且施工工序得到简化，全现浇墩顶块整体性更好。

2)成桥状态主梁上缘最大压应力为7.5MPa，下缘最大压应力为8.9MPa，主梁无受拉情形发生。在荷恒载+活荷载+温度组合工况下，主梁上下缘均无拉应力，主梁上缘最大压应力为12.4MPa，下缘最大压应力为11.1MPa，均在抗压强度设计值范围内。

3)通过在墩顶块上层新增横向预应力束、下层预应力束锚点下移、减小人孔尺寸等措施，使墩顶块在最不利工况下，顶面及底面均不出现拉应力，主压应力基本在限值范围内，锚固区、支座区域及人孔附近是主拉应力较高的区域，需在该区域加强配筋预防裂缝的产生，结构优化后的墩顶块受力基本安全。