斜弯桥渐变段脊骨梁施工方案综述

廖刘算, 杜晓雷

(浙江数智交院科技股份有限公司, 杭州 310030)

随着高速公路建设越来越完善,互通设置越来越多,互通分合流处斜弯桥梁建设也相应增加[1]。传统设计中,斜弯桥梁往往采用预制梁板或现浇箱梁结构形式。预制梁板可通过调整湿接缝宽度、梁板长度及梁端角度适应斜弯桥的变化[2],但需要额外定制多套预制模板,增加了施工成本,更降低了施工效率;现浇箱梁采用现场立模浇筑施工,能较好地适应斜弯桥的空间形状变化[3-4],但存在箱式内腔,施工模板复杂且营运期维护检修较为困难。在保证工程质量的前提下,当务之需是探寻一种对斜弯桥有良好的适应性,便于运营期间养护、检测的桥梁结构形式。

20世纪70年代初,脊骨梁出现在美国城市公路高架中[5-6],又称翼结构(Wing Structure),20世纪90年代后我国开始立项研究[7],并最早应用于上海内环线工程[8],起初是带大挑臂的单脊梁或双脊梁板式结构,结合纤细的柱式墩,使桥梁结构轻巧美观。脊骨梁桥适合处理斜交桥与弯桥等情形,其结构轻盈、造型美观、墩台基础量少,节约桥下空间,特别适合城市立交桥[9-11]。山区高速公路桥梁一般位于城市外,施工时桥下空间利用受限少,可选择的施工方法多,因此更能拓展现浇脊骨梁的应用。文献[12-15]指出大挑臂脊骨梁比其他箱梁的纵横向剪力滞效应更明显。为此,本文介绍一种采用开放性实体断面形式的新型预应力混凝土现浇脊骨梁,其小挑臂结构的设计,可进一步减小剪力滞效应,主梁沿纵向采用了无横肋设计,极大简化了现场施工模板,对斜弯桥有良好的适应性,便于运营期间养护、检测。

1 工程概况

浙江西部某典型山区高速公路的分水互通主线桥长899.05 m,其第16～18跨位于分水江左岸,位于曲线上,且跨径、斜交角度均沿路线变化,设计时考虑设置预应力混凝土现浇连续脊骨梁。

脊骨梁平面位于半径1 550 m圆曲线上,左幅斜交角度分别为90°、90°、75°、70°,长30+2×24.264=78.52 m,宽13.795 m～12.50 m,采用双脊梁断面,见图1。右幅斜交角度分别为90°、90°、75°、65°,长30+2×26.54=83.08 m,宽20.944 m～16.858 m,采用三脊梁断面,见图2。脊骨梁脊梁底宽1.0 m,顶宽1.3 m,外侧悬臂长2.0 m,内侧通过调整脊梁间距控制桥面宽度,顶板厚0.3 m。脊骨梁内布置纵横双向预应力体系,纵向预应力设置腹板束和顶板束,均为通长布置,桥面板沿纵向每50 cm布置横向预应力。脊骨梁下部结构采用常规的柱式墩、桩基础。

(a) 平面

(a) 平面

2 施工流程及关键工序

分水互通主线桥脊骨梁位于平坦农田,梁底距地面高度约13 m,桥跨下无通行需求,宜采用满堂支架法进行现浇施工。脊骨梁纵向预应力钢束按照通长布置,锚头均在脊骨梁腹板端部,因此需先进行脊骨梁施工,再施工相邻跨的桥梁。

2.1 测量放样

依托工程的脊骨梁位于互通区渐变段,其纵横坡、平面线形均沿着里程变化,为了精准控制其空间结构线形,相较于普通结构,其对施工测量的要求更高,需在搭设支架时就精确控制支架标高,从而控制最后的成桥桥面标高。在施工过程中应随时测量放样,对结构的变形过程进行随时监测和记录,从而及时对支架标高进行调整。

2.2 基础处理

1) 基础分区域细化设计

脊骨梁采用开放式断面设计,即横断面呈多个连续的T形,其脊梁处单位面积混凝土浇筑方量大,而翼板处单位面积混凝土浇筑方量较小,使得施工支架荷载分布极不均匀,脊梁处支架对基底承载能力要求较翼板处更高。为了防止支架基础产生不均匀沉降,以致影响脊骨梁混凝土浇筑质量,需分区域对基础进行加强。常规的支架基础为等强设计,整个场地承载力相同,若脊骨梁采用常规方法,则翼板支架处基础工程造价存在浪费。为此,对脊骨梁支架基础进行了精细化设计,采取框格基础方式加固处理脊梁、隔板位置,见图3,同时加密脊梁处支架数量,增强基底受力的均匀性。

图3 右幅支架立杆布置示意

2) 基础处理

清除表层耕植土,开挖至满足地基承载力要求的标高处,填筑宕渣,要求密实度达95%,再浇筑15 cm厚C25混凝土场地硬化,脊梁、隔板下方设置条形基础,混凝土浇筑厚度不小于30 cm,必要时增加钢筋网加固基础;对于斜坡地段,支架地面做成台阶状,在支架周边设置排水沟截水,避免基底被水浸泡出现松软现象。

3) 基础受力分析

依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)及《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015),对脊骨梁支架基础加固处理前后的基地应力进行计算,结果见表1。从表1可知,对支架基础分区域细化设计后,其梁肋处基底应力与翼板处的基底应力较接近,整个基础受力较均匀。因此,整个基底土层可按同一指标进行处理,以有效减少基础工程成本,节约投资。

表1 基底应力计算

2.3 支架施工

支架系统采用盘扣式钢管支架,其立面、断面布置见图4。支架立杆采用Φ48×3.2 mm钢管,纵向间距为0.9 m;根据施工荷载分布的极不均匀性,支架横向间距按立柱受力情况分为2种:0.6 m和1.2 m,其中脊梁处加密支架取0.6 m,翼板下取1.2 m,使得基础受力更为均匀;竖向标准步距为1.5 m。为了使脊骨梁空间线形满足互通区斜弯渐变段的空间位置精度要求,立柱顶部采用可调顶托,可调整支架高度值为60 cm。顶托上架设10#槽钢作为横向分布梁,槽钢上铺设10 cm×10 cm方木,方木上铺设1.5 cm厚竹胶板面板作模板。

(a) 立面

不同于现浇箱梁,脊骨梁翼板、脊梁横断面上呈多个T形,为了避免盘扣式钢管支架立杆高度不一,增加不必要的施工支架复杂性,在脊梁支架的托顶横梁上设置小钢管支架来支撑翼板底模,保证盘扣式钢管支架施工尽可能保持标准化作业。小钢管支架立杆纵向间距90 cm,横向间距100 cm,步距60 cm。

支架搭设前必须再次复核各点设计标高,包括纵断面、横断面、超高渐变等组合的高程值,确保各控制点标高准确。

2.4 模板施工

脊骨梁模板要有足够的强度和刚度,以保证成桥的形状、尺寸的准确性。

1) 新型脊骨梁结构特点

(1) 采用开放式断面,无需设置内模;(2) 纵向预应力钢束按照通长布置,锚头均在脊骨梁腹板端部,无外露齿块;(3) 采用小挑臂设计,无需设置横肋;(4) 模板结构简单,易于加工及拆装。

但由于桥梁位于路线曲线段,且桥宽、斜交角度均沿路线变化,不同位置模板尺寸不一,钢模成形要求极高,不利于脊骨梁施工质量,因此,施工模板采用δ=15 mm厚的竹胶合板,在弧面成型上适应能力好,强度、刚度也能满足使用要求。

2) 模板质量要求

(1) 模板表面平整光滑。平整确保浇筑梁体外形美观,光滑确保新浇梁体避免受模板温度变形产生裂缝。

(2) 模板接缝应严密、不漏浆、不变形,确保混凝土内实外光,否则需用砂轮机打磨混凝土表面。模板不变形,即可控制浇筑质量,又可避免梁体圬工量与设计出入较大。为防止模板变形,可在腹板中设对拉螺杆予以固定。

3) 模板施工要求

(1) 模板施工中需按照设计设置预拱度;(2) 根据预压情况调整模板标高,并在后续施工过程中随时监测和记录模板变形情况,以便及时调整偏差;(3) 因有纵坡,在立脊骨梁模板时,横梁的模板要注意保持竖直。

2.5 支架系统预压

为消除支架非弹性变形及地基变形、观测支架各处挠度变形量,提供设置施工预拱度的依据,支架与模板在脊骨梁施工前需进行压载试验。由于脊骨梁自身特点,预压荷载分布极不均匀,脊梁处预压重量较大,而大吨位预压易将竹胶板模板压损变形,影响脊骨梁外观质量,经综合考虑,采用优质竹胶板上加铺保护性模板(旧竹胶板)的施工方法,见图5。

图5 混凝土压重块布置示意

压载荷载分布与施工荷载分布一致,脊梁处荷载最大,约6.5 t,翼板处荷载次之,约0.9 t。相较于现浇箱梁,脊骨梁采用无底板设计,因此不存在一个平坦的底模,如若完全采用沙袋或水袋压重,如此数量的压重材料将对脊梁侧模形成较大的挤压力,易使侧模变形,因此脊骨梁压重采用混凝土预制块进行压重。混凝土块较沙袋或水袋更易加或卸载,卸载后亦可作为工地临时隔断、路基压重用。预制块尺寸1 m×1 m×1 m,内部设置Φ25起吊钢筋笼,单块重量约2.6 t,脊梁处预制块堆叠放置,并放置砂袋,使得预压重量精确地满足设计要求,翼板等位置摆放砂袋以满足预压重量要求。

当纵向加载时,宜从混凝土结构跨中开始向两侧支点处进行对称加载;当横向加载时,应从混凝土结构中心线向两侧进行对称布载。

2.6 钢筋、波纹管施工

1) 钢筋施工

加工场制作钢筋,现场绑扎成型,钢筋安装分2次:第1次为脊梁、端横梁及隔板;第2次为翼板,将其绑扎固定后再绑扎底板上层钢筋、倒角钢筋等。

2) 波纹管施工

预埋预应力管道应准确定位,并用“井”字形限位钢筋将波纹管与钢筋骨架焊(或绑扎)在一起,直线段间距不大于0.5 m,曲线段适当加密,确保预应力管道位置正确、稳固。

由于脊骨梁纵向预应力按通长布置,钢束较长,除了应在固定端接好通气孔外,在其中间和最高点位置处亦应设置压浆通气管道。通气孔可用塑料管,并将其引出梁顶面400 mm～600 mm,在施工时要用木塞塞紧。

2.7 混凝土浇筑

现浇脊骨梁混凝土为C50,采用逐孔浇筑进行施工。考虑一联圬工方量大,以右幅为例,一跨浇筑的混凝土方量约为445 m3,混凝土分上下层2次浇筑,先浇脊梁,再浇顶板。

浇筑脊梁的步序:1) 浇筑竖向支架刚度最为薄弱区域(远离桥墩支撑)的混凝土;2) 浇筑刚度较大区域(桥墩附近)混凝土,浇筑过程中需防止墩顶位置出现竖向裂缝;3) 在脊梁混凝土浇筑完成后,及时凿除脊梁顶面混凝土,以保证新老混凝土粘结良好;4) 混凝土浇筑必须连续不断,不设施工缝,施工过程中应注意观测支架变位,通过支架上的标高控制辅助调整措施纠正标高,以满足设计要求。

脊骨梁桥面平整度主要靠桥面标高的精确控制和桥面板、翼缘板浇筑工艺是否完善。主要控制措施:1) 在腹板钢筋上增加定位控制筋,先用滚筒浇筑法浇筑桥面板,后用座式磨光机进行整平;2) 混凝土浇筑完成、收浆后及时启用自动喷淋养护装置进行养生,保持混凝土面始终处于潮湿状态。

2.8 预应力施工

脊骨梁中的预应力也是质量控制的重点之一,其施工顺序如下:

1) 预应力钢束穿束

由于脊骨梁顺桥向钢束均为通长钢束,钢束较一般现浇箱梁长且管道拐角数量多、角度大,可借助一根Φ5长钢丝作为引线,用卷扬机进行穿束。为便于穿束,将穿入端用铜焊制成锥体状,且加以包裹,以防穿坏波纹管。穿束前用压力水冲洗孔内杂物,观察有无串孔现象,再吹干孔内水分。为减少张拉时的摩阻力,对长、曲束钢绞线在进孔前涂中性肥皂液,涂沫时钢束两端留出2 m勿涂。

2) 预应力张拉

当梁体混凝土强度及弹性模量达到设计的90%,且龄期达到14 d后,严格根据设计确定的张拉顺序进行预应力筋的张拉施工。张拉按先长束后短束、左右平衡对称张拉的原则进行。预应力钢束张拉完毕,孔道应尽早压浆。

2.9 支架拆除

在脊骨梁预应力钢束张拉结束后,同步养生的试块强度达到要求强度时,可进行支架拆除作业。拆除顺序为先拆除跨中处支架,再拆除桥墩处支架。

3 结论

1) 新型预应力混凝土现浇脊骨梁及施工技术能很好地适应桥梁变宽、变角度,较现浇箱梁具有模板简单、施工难度低、维护方便等优点。

2) 新型预应力混凝土现浇脊骨梁采用开放式实体断面设计,可通过调整脊梁数量及脊梁间距控制桥面宽度;通过小挑臂设计和钢束通长布置设计替代了常规脊骨梁横肋设计及现浇箱梁外露齿块设计。

3) 新型预应力混凝土现浇脊骨梁与现浇箱梁施工流程类似,但因脊骨梁纵向钢束锚头均在腹板端部,须早于相邻桥跨的施工。

4) 新型预应力混凝土现浇脊骨梁施工荷载极不均匀,对模板支架、支架基础、支架系统预压进行分区域细化设计,有效降低了施工成本。