基于現澆箱梁頂面設置預制場場址的結構承載力驗算分析

張文平（平潭綜合實驗區交通投資集團有限公司，福州350400）

基于現澆箱梁頂面設置預制場場址的結構承載力驗算分析

張文平
（平潭綜合實驗區交通投資集團有限公司，福州350400）

本文以沈海高速公路機場連接線為工程實例，介紹了預制場場址選擇方案，重點分析了預制場在選址及臺座布設上對現澆箱梁結構的影響及橋梁主梁基礎承載力驗算，進而在此基礎上闡述了現澆箱梁上加工預制場的應用優點，為同類工程提供參考。

現澆箱梁預制場受力驗算應用優點

1 工程概況

沈海高速公路泉州機場連接線工程位于晉江市長興路以北，沿現狀和平路向北，并延伸至江濱南路，與泉州田安大橋相接，路線全長約6km。本項目共分兩個標段，本工程為第一標段，全長2.37km，其中高架主線橋橋梁范圍為K0+182.381～K2+386.346，長度2204m。

主線橋上部結構為預應力連續箱梁，結構采用單箱多室斷面，按照A類預應力結構設計。邊腹板為斜腹板，中腹板為直腹板。箱室凈寬不大于4m，懸臂2.5m。在頂板設置橫坡，梁高1.8m。全橋共計23聯，其中第22聯上跨沈海高速公路，為減少施工過程對高速的影響，U22聯設計為現澆預應力混凝土預制箱梁，梁高1.8m，梁長35m，最大重量為121t，全橋共計42榀。

2 預制場場址選擇

依據節約臨時征地、少占農田的原則，本項目采用在主線橋箱梁頂面設置預制場。然而預制場址的選擇受較多因素影響，其中橋面橫坡、運距以及材料進場因素為需要考慮的三個首要因素。

主線橋箱梁頂面設置橫坡，橫坡值在0.36%～3.8%之間。考慮臺座澆筑方便及門吊軌道安全，橫坡盡量選擇比較小的位置，主線橋箱梁橫坡分布情況見表1。橫坡較小的梁段可作為預制場址的候選場所，其中U01～U04以及U18～U19比較適合作為預制區。

考慮運輸距離的影響，預制場址離目的距離越近越便于后期運輸。而主線橋第22聯即為預制箱梁，因此可以擇優選擇U18-U19作為箱梁預制區。

本項目鋼筋加工場位于U18～U19聯左幅50m處，同時上橋匝道已具備上橋條件，便于鋼筋材料的進場，為最有利位置。

綜合以上因素分析可知，預制區選擇主線橋U18～U19聯為最優位置，同時將U20聯作為存梁區。

表1 主線橋箱梁橫坡分布情況

3 臺座和軌道梁設計

3.1 臺座數量及布置

根據小箱梁總數量及工期要求，設置9條制梁臺座，存梁臺座采用15cm×20cm的枕木墊放箱梁頂面，數量根據施工需求可調整。預制臺座采用C25混凝土澆筑而成，臺座頂面兩側安裝角鋼，再鋪一層6mm鋼板，制梁區臺座間間距在滿足施工要求的情況下盡量布置在縱向腹板位置，存放區臺座位于箱梁橫梁位置，存放時嚴禁將箱梁疊放。

3.2 起吊設備及軌道梁

軌道梁頂寬及高均為30cm，頂、底面縱向各布置4根12mm螺紋鋼筋、8mm箍筋間距20cm，梁頂面居中安裝鋼軌，軌道通過梁頂預埋的12mm螺紋鋼筋固定。軌道梁混凝土強度等級為C30。

小箱梁單榀最大設計混凝土方量為46.5m3，故每榀小箱梁自重：G1=46.5×26=1209kN。起重80t龍門吊自重30t，每端通過二個滾輪支承于鋼軌上，前后二支輪間距6.5m，預制梁板由二臺龍門吊抬吊，最大梁板重量約121t，則龍門吊單端每個支輪作用于軌道梁上的荷載為：（30×10+60.5×10）/4=226.3kN，軌道梁受力示意圖如圖1，龍門吊在起吊箱梁過程中得布置示意圖如圖2。

圖1 軌道梁受力示意圖（單位：kN）

圖2 小箱梁吊裝縱斷面示意圖（單位：m）

圖3 小箱梁吊裝運輸過程中彎矩包絡圖（單位：kN·m）

圖4 小箱梁吊裝運輸過程中剪力包絡圖（單位：kN）

圖5 兩車道荷載下小箱梁彎矩包絡圖（單位：kN·m）

4 橋梁主梁及基礎承載力驗算

4.1 存梁區驗算

小箱梁的存梁區存梁臺座布置在墩頂端橫梁處，小箱梁存放好之后箱梁重量對現澆大箱梁的彎矩以及剪力等影響不大，主要考慮運輸過程中對現澆箱梁的內力影響。考慮到U20聯主梁抗彎承載力相對較小，將針對U20聯的右幅橋梁進行荷載效應分析。分析小箱梁吊裝過程中的荷載，主要分析吊裝運輸過程中支輪作用于軌道梁上的荷載。考慮到龍門吊在運輸過程中的動力效應，本研究考慮動力系數1.2，則龍門吊單端每個支輪作用于軌道梁上的荷載為：

再考慮輪載作用在下部箱梁上的荷載沖擊效應，并偏安全取沖擊系數為1.3，由此龍門吊單端每個支輪作用于軌道梁上的設計值為：

考慮龍門吊在現澆箱梁上移動過程對現澆箱梁的最不利影響，通過分析可以得到現澆箱梁的彎矩和剪力包絡圖如圖3和圖4所示。

與此同時，可以將小箱梁吊裝過程中的的荷載效應包絡圖與結構正常設計時的車道荷載下的彎矩和剪力包絡圖進行比較，如圖5和圖6所示。

由圖3～圖6可知，箱梁運輸過程中，現澆箱梁的最大彎矩為3266kN·m，最大剪力659kN，而在兩車道荷載作用下，最大彎矩為5161kN·m，最大剪力為1058kN。可見，在僅考慮小箱梁以及龍門吊自重荷載下，荷載效應小于正常使用階段的結構荷載效應。因此，不需要對現澆箱梁進行承載能力以及截面抗裂、抗剪等驗算。

4.2 預制場箱梁結構驗算

小箱梁與制梁臺座布置在U18、U19聯的現澆箱梁上，考慮右幅制梁臺座布置數量大于左幅，本研究重點針對對右幅進行分析計算。考慮最不利工況為所有臺座均有剛澆筑的小箱梁，同時龍門吊運輸已經預制好的小箱梁通過該預制場區域。

小箱梁以及預制臺座自重作為均布荷載加載于現澆箱梁上（U18聯），單榀小箱梁自重：G1=46.5×26=1209kN，小箱梁長度為35m，等效均布荷載為34.5kN/m，同時臺座的等效均布荷載，共計44kN/m，考慮所有臺座均布置有剛澆筑的小箱梁，均布荷載的最不利布置如圖7所示。

在均布荷載作用下，通過分析得到結構彎矩和剪力如圖8所示。其中第一跨的最大彎矩為7365.4kN·m，最大剪力為1443.8kN。

同時結構驗算中，還需要考慮其它荷載組合效應，包括現澆箱梁結構自重、橋面鋪裝、中央分隔帶模板堆放荷載、預應力荷載、以及小箱梁以及預制臺座自重等等。龍門吊（含預制完成的小箱梁）：按照特種車輛荷載處理，荷載取值與存梁區驗算分析一致。溫度效應按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）確定。此時需按照短期效應組合進行內力驗算，通過分析得到內力結果如圖9所示。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004），按A類預應力混凝土結構對現澆箱梁進行驗算分析，在最不利工況下，鋼束最大應力為1197MPa≤1209 MPa，正截面最大拉應力為0.00MPa≤1.83 MPa，斜截面最大拉應力為1.29 MPa≤1.325MPa，均滿足規范要求。

圖6 兩車道荷載下小箱梁剪力包絡圖（單位：kN）

圖7 均布荷載（小箱梁與臺座）最不利加載工況（單位：kN）

圖8 小箱梁以及預制臺座自重作為均布荷載加載

圖9 短期效應組合下結構彎矩、剪力圖

可見通過設計，預制箱梁結構滿足應力檢驗要求。但與此同時，還需要嚴格按照施工組織安排執行施工計劃。并且不得隨意改動小箱梁預制臺座的位置，臺座應盡量布置在現澆箱梁腹板區域，同時要求模板、材料存放位置遠離懸臂外側。

4.3 橋面板驗算

在U18R、U21L、U21R平面是變寬段，直線形的龍門吊運行鋼軌局部區段作用在橋面板跨中，該區段橋面板受力為薄弱部位，如圖10所示，因此需要進行橋面板的結構驗算。

圖10 橋面板受力示意圖（單位：cm）

在臺座布置時采用在底部加大基礎接觸面的措施將該區段龍門吊運梁支點的反力傳遞到相鄰腹板上，為了有效降低龍門吊運梁支點對橋面板的不利作用，基礎底寬B’≥0.8m。進一步考慮橋面鋪裝的對應力的擴散作用，按擴散角為45°考慮，橋面鋪裝厚度為0.18m，因此龍門吊運梁支點反力作用在現澆箱梁橋面板的寬度為B= 0.8+0.18×2=1.16m，偏保守取B=1.1m。

橋面板驗算時考慮的荷載主要有龍門吊運梁支點反力、溫度荷載（按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）考慮）、橋面鋪裝等荷載。其中龍門吊運梁支點反力在橫橋向均布寬度B=1.1m內，q=354kN/m。鋪裝厚度0.18m，重度取25kN/m。橋面板受力分析時，順橋向長度取：。其中為箱室橫向跨徑。通過分析可以得到荷載作用下的橋面板彎矩包絡圖如圖11所示。

通過分析可知，最大負彎矩發生在邊腹板頂面處，橋面板最大正彎矩發生在箱室跨中處，依據規范，可以獲得在最大最小彎矩作用下，橋面板的裂縫寬度分別為0.169mm，0.166mm，滿足規范要求。

4.4 橋梁樁基及支座承載力驗算

本文同時針對存梁數最多的U20聯下部樁基以及支座進行了驗算。基于前述荷載分析可知墩頂處的最大支反力為F=16900+7020=23920KN。

考慮U20聯樁基均為摩擦樁，樁長42.5～50m，取最不利位置處，樁長42.5m即P58墩處，樁基承載力計算公式如公式（1）所示。

圖11 箱梁頂面受力作用下彎矩包絡圖（單位：kN·m）

公式中，參數符號意義如表2所示。

表2 樁身參數計算

樁側摩阻力計算公式如公式（2）所示：

查地質柱狀圖可知其土層厚度如表3所示。

表3 各土層厚度重度計算

樁尖處土的極限承載力計算公式如公式（3）所示：

樁底位置各參數如表4所示。

表4 樁端端阻力部分計算

通過分析可以獲得樁基承載力5062.06kN。P58#墩橫梁處下部基礎為鉆孔灌注樁基礎，共有8根。根據單根承載力5062.06kN可知，其總承載力8×5062.06= 40496.48kN，大于存梁施工時的最大支反力F=23920kN，滿足要求。

對于球型支座，P58#墩橫梁下設四個10000kN的支座，總承載力達40000kN。也滿足最大反力23920kN的要求。

5 結語

本文以沈海高速公路泉州機場連接線為背景，介紹了在現澆箱梁頂面設置預制場的施工應用以及結構檢驗。通過研究得到主要經驗和結論如下：

（1）現澆箱梁上設置預制場場址的選擇，應主要考慮運距、縱坡、進料便捷性以及現澆箱梁的結構性能綜合確定。

（2）現澆箱梁上設置預制場應針對存梁區、預制場區、橋面板、下部基礎等關鍵部位進行力學性能復合，在滿足性能要求的前提下實施。

（3）現澆箱梁上設置預制場的施工方法，可以有效利用已施工箱梁的資源，減少建造預制場施工場地的建造費用，降低設備、人員投入，極大地提高施工效率，縮短施工周期，在條件適宜的情況下，可以進行推廣應用。

[1]李國平.預應力混凝土結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2009.11.

[2]賀栓海.橋梁結構理論與計算方法[M].北京：人民交通出版社，2003.8.

[3]中華人民共和國交通運輸部.JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.6.

[4]中華人民共和國交通運輸部.JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2015.10.