预应力砼变截面连续箱梁挂篮悬臂浇筑与支架现浇施工设计对比分析

史隽健SHI Jun-jian

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

1 工程概况

漳武线永定至南靖高速公路南靖段工砵程鸿大桥位于漳州市南靖县，上跨地方路，原设计主桥采用（40+60+40）m预应力砼挂篮悬浇变截面连续箱梁。开工后为加快施工进度，上部结构由挂篮悬浇变更为支架现浇施工。

2 结构设计

2.1 主梁构造

虽然悬臂浇筑和支架现浇施工方法不同，但成桥后均为连续梁受力体系，故两者采用相同的主梁构造尺寸。

主梁全长=2×[10.94m（边跨直线段）+27.75m（变截面段）+2.5m（中横梁）+27.75m（变截面段）+1m（1/2中跨直线段）]=139.88m。主梁采用直腹板单箱单室截面，中支点梁高3.6m，边支点梁高1.9m，箱梁顶宽12.75m，悬臂长3m，腹板厚50～70cm，顶板厚28cm，底板厚0.28+0.22（X/27.75）^1.8m。主梁断面如图1所示。

图1 主梁断面

2.2 主梁纵向预应力钢束

采用悬臂浇筑和支架现浇施工时，纵向预应力钢束布置分别如表1、表2所示。

表1 悬臂浇筑钢束型号一览表

表2 支架现浇钢束型号一览表

2.3 造价对比分析

变更前后主要工程量变化如表3所示。

表3 工程量及造价对比表

悬臂浇筑和支架现浇施工，虽采用相同的主梁构造，但因支架现浇施工节段少、搭接钢筋少、齿块布置少，故混凝土及普通钢筋工程量较悬臂浇筑均有减少。支架现浇施工一次张拉全桥预应力钢束，因此配有较多通长钢束，钢绞线工程量有所增加。经施工图预算分析，在考虑挂篮、支架等施工措施费用后，支架现浇方案较悬臂浇筑方案造价减少约46万元。

3 施工步骤

3.1 悬臂浇筑施工

原设计采用悬臂浇筑施工，墩顶0号节段长12m，6个悬浇段（2个长3.5m、4个长4m），边跨现浇直线段长8.94m，边、中跨合拢段长2m。节段划分如图2所示。具体施工步骤如下：①完成下部结构施工后，拼装主墩墩旁托架、临时支撑及边跨直线段支架并预压，施工0号节段。②安装悬臂施工挂篮，施工1号节段。③挂篮前移，按步骤②流程依次施工2～6号节段。1～4号节段竖向预应力筋均延后两个节段张拉，5号、6号节段与合拢段、直线段一起张拉。④5号节段施工时，安装边跨支座及临时支垫，施工边跨直线段。⑤挂篮拆除，边跨合拢段安装劲性骨架后，施工边跨合拢段。⑥拆除临时支撑及支架，临时锁定活动支座，主梁落于支座上。⑦中跨合拢安装劲性骨架，施工中跨合拢段。释放临时锁定的活动支座。待达到张拉件后，张拉中跨合拢段预应力钢束并压浆。拆除支架。⑧进行铺装及附属结构施工，全面成桥。

图2 悬臂浇筑施工节段划分

3.2 支架现浇施工

变更为支架现浇施工后，为保证混凝土浇筑质量，全桥划分为5个施工节段，1号段（变截面段）长58m，2号段（边跨直线段）长10.94m，3号段（中跨跨中直线段）长2m。节段划分如图3所示。具体施工步骤如下：

图3 支架现浇施工节段划分

①施工下部结构并搭设加强立柱、支架并预压。安装主墩支座并临时锁定。浇筑1号段混凝土并养护。②浇筑2号段混凝土并养护。③浇筑3号段混凝土并养护。混凝土强度达到后，解除主墩纵向活动支座临时固定。待满足钢束张拉条件时，张拉钢束并压浆。④进行铺装及附属结构施工，全面成桥。

3.3 施工对比分析

悬臂浇筑搭设支架少，工期对桥下道路交通影响较小，但节段划分、施工步骤较多，工期较长。

支架现浇工法简单，大节段浇筑混凝土，一次张拉全桥预应力钢束，工期短。但需在被交路行车道两侧搭设支架，施工期间需进行适当的交通管制，对交通有一定影响。

4 主要荷载分析

4.1 永久作用

恒载：主梁结构容重按26kN/m3。

二期恒载：包含铺装、护栏等附属设施重量，取值69.6kN/m。

不均匀沉降：墩、台不均匀沉降考虑10mm。

预应力设计参数：管道采用塑料波纹管成孔，管道摩擦系数u=0.17；管道偏差系数K=0.0015。

混凝土收缩徐变：相对湿度取80%，收缩徐变时间3650天。

4.2 可变作用

温度梯度：如表4所示。

表4 温度梯度

均匀温度：体系整体均匀升温25℃，均匀降温为23℃。汽车荷载：采用公路Ⅰ级汽车荷载等级。

5 结构计算

主梁结构离散为梁单元模型，共分134个单元，采用桥梁博士3.6版建模计算。主梁按全预应力构件进行设计。

5.1 悬臂浇筑施工

计算按施工0号节段、挂篮悬臂施工悬浇段、浇筑边跨直线段、对称合龙边跨、合龙中跨、二期恒载、收缩徐变等划分施工阶段，对结构进行验算。主要计算结果如下。

①承载能力极限状态强度验算。主梁边跨跨中下缘最大正弯矩39852kN·m，对应抗力55062kN·m；中跨跨中下缘最大正弯矩57065kN·m，对应抗力63770kN·m；中支点上缘最大负弯矩200933kN·m，对应抗力299375kN·m，结构正截面抗弯承载力满足规范要求，且有一定富余。

②持久状况下的正常使用极限状态最大正应力、最大主应力验算主梁。

③持久状况下的正常使用极限状态最小正应力、最小主应力验算。

主梁跨中上、下缘最小正压应力分别为0.34MPa和1.01MPa，支点上、下缘最小正压应力分别为0.05MPa和5.92MPa，均未出现拉应力，满足规范要求。主梁最小主拉应力为，满足规范要求。

④施工阶段短暂状况应力验算。

本桥预应力张拉要求混凝土强度达到标准强度的90%，故在施工荷载作用下截面边缘混凝土压应力，拉 应 力，均满足规范要求。

5.2 支架现浇施工

计算按分批浇筑1～3号段混凝土、一次张拉预应力钢束等施工流程划分计算阶段，对结构在施工阶段及运营阶段均进行了验算。主要计算结果如下。

①承载能力极限状态强度验算。主梁边跨跨中下缘最大正弯矩46482kN·m，对应抗力64571kN·m；中跨跨中下缘最大正弯矩75120kN·m，对应抗力99035kN·m；中支点上缘最大负弯矩191329kN·m，对应抗力234689kN·m，结构正截面抗弯承载力满足规范要求，且有一定富余。

②持久状况下的正常使用极限状态最大正应力、最大主应力验算。

③持久状况下的正常使用极限状态箱梁最小正应力、最小主应力验算。

主梁跨中上、下缘最小正压应力分别为1.79MPa和1.69MPa，支点上、下缘最小正压应力分别为0.06MPa和5.82MPa，均未出现拉应力，满足规范要求。主梁最小主拉应力为，满足规范要求。

④施工阶段短暂状况应力验算。

本桥预应力张拉要求混凝土强度达到标准强度的90%，故在施工荷载作用下截面边缘混凝土压应力，拉应力，均满足规范要求。

5.3 计算结果对比分析

两种施工方法的主要内力、应力指标对比如表5、表6所示。

表5 主要内力指标对比表 单位：kN·m

表6 主要应力指标对比表 单位：MPa

通过对比发现，采用支架现浇施工时，中支点上缘负弯矩减小，边、中跨跨中下缘正弯矩增大。这是由于采用支架现浇施工时，梁体受支架承托支撑，结构处于超静定状态，且悬臂末端设有加强立柱，故悬臂结构同时存在正负弯矩；采用悬臂浇筑施工时，挂篮悬浇阶段，悬臂各节段结构始终承受负弯矩。故两种施工方案的成桥状态弯矩有所不同。

两种施工方案，因预应力钢束布置不同，抗弯承载力也有所不同。采用支架现浇施工时，中支点上缘抗弯强度较小，边、中跨跨中下缘抗弯强度增大。这是由于采用支架现浇施工时，预应力体系腹板束均采用通长钢束，跨中下弯钢束多，为跨中提供更多抗力。采用悬臂浇筑施工时，因悬浇节段多，可以根据负弯矩分布在每个节段依次设置顶板束、腹板束，预应力效率更高，为中支点上缘提供更多抗力。

在应力方面，支架现浇因施工节段少，可以配置更多的通长钢束。在工程量基本相同的情况下，最小应力有更大的富余量，结构受力情况更为简单明了。在施工图设计时，支架现浇方案采用通长钢束配合部分加强短束，应力指标更好控制，便于设计人员调整。

6 结束语

当主跨跨径较小、墩高较矮、地形平坦、无不良地质情况时，同时可采用挂篮悬臂浇筑和支架现浇施工两种工法。本文通过鸿砵大桥（40+60+40）m预应力砼变截面连续箱梁两种施工方法的设计对比，对设计过程中的主梁构造、施工步骤、结构受力等情况分析进行了详细介绍，可为今后同类型桥梁工法选择提供一定依据。

①预应力砼变截面连续梁支架现浇与挂篮悬臂浇筑两种工法相比，构造尺寸设计基本相同，但因两者工法不同，结构受力有所差异，特别是在施工阶段、钢束配置、梁体节段划分、受力验算等方面。②相较于悬臂浇筑施工，支架现浇施工因梁体节段划分少，可采用通长钢束配合部分加强短束，应力储备更加充裕，受力情况更具优势。同时，各项指标更有利于设计人员调整。③在地质条件较好、地形平坦处，支架搭设便利，支架现浇施工方法简单，梁体节段少，纵向预应力钢束一次张拉，故能大大缩短工期。若地形地貌复杂、存在不良地质情况，对支架基础和支架要求较高，具有一定施工安全风险，且会造成施工费用增加。④支架现浇施工需在桥下地面大量搭设支架，若桥下存在道路等控制因素，施工期间需进行交通管制，对交通有一定影响。桥下道路等级高、交通量大时，采用对桥下地面控制因素影响小的悬臂浇筑施工更加合适。⑤综合对比两种施工方案，主梁工程量相当。设计阶段还需要充分考虑工期、地质条件、地形地貌、桥下控制因素等情况等多方面因素，合理选择桥梁方案。