變寬變箱室-連續剛構橋梁特殊施工方式探討

■趙 娜

（中鐵上海設計院集團南京設計院，南京 210000）

隨著基礎交通網絡的日趨發達，經常出現新修線路需要跨越既有道路的情況，此時只能采用下穿或者上跨的結構形式。 如果既有道路寬度較寬，結構形式就要考慮截面為變高度的懸臂澆筑結構[1-2]。有時由于特殊原因導致邊跨無法和中跨一起采用對稱的懸臂澆筑，就要采用邊跨為現澆結構、中跨為懸澆的單懸臂澆筑的施工方式。

本研究以實際的項目為背景，分析了采用單懸臂施工的結構在成橋后的受力情況，以及在施工到第幾階段時拆除邊跨現澆梁滿堂支架，即支架的拆除階段對結構施工階段應力的影響，分析結果可為類似項目提供重要參考。

1 工程概況

本項目位于常州市經濟開發區，為既有長虹東路（G312）改擴建工程。 既有長虹東路為雙向四車道，規劃為雙向八車道，拓寬至42 m。長虹東路自西向東依次與在建南沿江城際鐵路、S38 常合高速公路交叉。 本項目F 匝道橋梁跨越既有常合高速公路（規劃寬度為42 m），斜交角度為37°。

1.1 結構形式

本項目橋梁跨越既有道路寬度42 m，斜交角度37°。 橋梁上部結構形式采用（42.7+83+40.3）m 連續剛構，結構高度為2.6～5.6 m，高度變化方式采用圓曲線。 其中起點側邊跨為變寬度的單箱室斷面，截面寬度13.72～10.5 m；終點側邊跨為等寬度的雙箱室結構，截面寬度12.64 m，中跨斷面為等寬度的單箱室結構，截面寬度10.5 m，橋位圖及橋型布置圖見圖1 和圖2。

圖1 橋位平面布置圖

圖2 橋型布置圖

1.2 主要材料

（1）預應力系統：預應力鋼束采用高強度低松弛鋼絞線，鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1860 MPa，彈性模量Ep=195 000 MPa,公稱直徑15.2 mm，公稱面積140 mm2。 縱向鋼束控制張拉應力σcon=0.75 fpk=1 395 MPa。 （2）普通鋼筋：HRB400 鋼筋。 （3）混凝土:主梁采用C50 混凝土，主墩采用C35 混凝土，承臺、樁基采用C30 混凝土。

1.3 主要技術標準

（1）設計基準期及設計使用年限：100 年；（2）橋梁設計安全等級：一級，結構重要性系數γ0=1.1；（3）設計時速：匝道：40～60 km/h；（4）橋梁荷載標準：公路-I 級；活載提高30%；（5）地震動參數：地震動峰值加速度0.1 g，地震基本烈度7 度，特征周期0.45 s。

模擬施工時， 全橋共分為33 個施工階段。 其中， 兩側邊跨及0# 塊采用支架現澆的方式最先施工，中跨共分為8 個施工節段采用懸臂澆筑的方式依次施工，最后進行中跨段的施工。 下部結構僅中跨兩個剛構墩按實際下部尺寸模擬，邊跨兩個過渡墩按支座模擬。 其中第1 個剛構墩采用等寬板式墩，墩高18.0 m；第2 個剛構墩采用變寬板式墩，墩高20.0 m， 墩底設置10 m 高平直段， 倒圓半徑10 m；兩橋墩均為啞鈴形截面。 基礎均采用樁基礎，均為7 根樁徑150 cm 的鉆孔灌注樁， 設計采用摩擦樁。 橋孔布置及施工節段劃分見圖3 和圖4。

圖3 橋梁平面布置圖

圖4 橋梁立面布置圖

1.4 規范限值

1.4.1 施工階段應力限值

根據JTG 3362－2018 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[3]7.2.8 條，預應力混凝土受彎構件，在預應力和構件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力應符合下列規定：

（1）壓應力： σtcc≤0.70 fck′；

（2）拉應力：對于受拉的混凝土，由于混凝土抗拉強度離散型較大，若施工階段拉應力過大，會造成截面不可預計的開裂，因此抗拉強度限值本文取規范的低值，即σtcc≤0.70 fck′。

本研究混凝土強度為C50，施工階段混凝土強度取0.9 倍的混凝土強度標準值， 故施工階段壓應力限值σtcc≤0.7×0.9×32.4=20.4 MPa，拉應力限值σtcc≤0.7×0.9×2.65=1.67 MPa。

1.4.2 其他限值

結構持久狀況承載能力極限狀態及正常使用極限狀態限值和持久狀況應力限值按JTG 3362－2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[3]執行。

2 有限元建模

2.1 施工階段模擬

施工階段模擬時， 先施工下部結構， 然后澆筑左、右邊跨及0#塊混凝土，施工天數為20 d。 再張拉邊跨及0#塊預應力，張拉完成后安裝掛籃進行中跨懸澆施工。中跨每個節段澆筑期按10 d 計，每個節段澆筑完成后張拉相應節段預應力及掛籃前移， 最終進行中跨合攏，全橋施工完成。 在施工階段模擬中，邊跨現澆滿堂支架的拆除時機是不同的， 根據不同的拆除時機，對比分析采用不同的施工工況（表1）。

表1 全橋對比工況匯總

2.2 有限元模型建立

本研究采用有限元軟件MidasCivil 進行建模與計算分析，共建立10 個對比模型，分別對應表1 中不同工況。 每個模型共有單元153 個，節點270 個。全橋結構模型見圖5。

圖5 全橋結構有限元模型

3 有限元計算結果

不同的施工工況不會影響持久狀況承載能力極限狀態、正常使用極限狀態和持久狀況應力計算結果。 驗算表明，成橋階段各項驗算結果滿足規范要求，采用合理的施工工況，施工階段應力也滿足規范要求，因此本結構設計合理。

3.1 持久狀況承載能力極限狀態計算結果

由圖6～7 可見，持久狀況承載能力極限狀態結果滿足規范要求。

圖6 持久狀況正截面抗彎驗算包絡圖

圖7 持久狀況斜截面抗剪驗算包絡圖

3.2 持久狀況正常使用極限狀態抗裂驗算結果

正常使用極限狀態下，結構抗裂驗算結果如表2 所示（正值代表拉應力，負值代表壓應力）。

表2 抗裂驗算結果

由表2 可見，持久狀況正常使用極限狀態結果滿足規范要求。

3.3 持久狀況應力驗算

持久狀況下，結構壓應力驗算結果如表3 所示（正值代表拉應力，負值代表壓應力）。

表3 壓應力驗算結果

由表3 可見，持久狀況應力結果滿足規范要求。

3.4 邊跨支架不同的拆除時機對施工階段最值應力的影響

表1 中不同的施工工況下，橋梁截面上、下緣施工階段的最值應力，匯總結果見表4（正值代表拉應力，負值代表壓應力）。

表4 施工階段結構上、下緣最大拉應力及最大壓應力匯總（單位：MPa）

應力結果見圖8 和圖9，本研究涉及的模型較多，無法一一列舉，先列出0# 塊張拉完成后及中跨合龍后拆除邊跨現澆支架截面下緣拉應力結果。

圖8 0# 塊張拉預應力后拆除邊跨支架截面下緣拉應力結果

圖9 中跨合龍后拆除邊跨支架截面下緣拉應力結果

從表4 可知，邊跨支架的拆除時機不同，截面壓應力全部滿足施工階段的應力要求，且不同的工況對結構施工階段最大壓應力的影響不大。 但是拆除時機對結構施工階段最大拉應力的影響很大，尤其的下緣的拉應力。 如在0#、1#、2# 塊張拉完預應力就拆除邊跨支架，將導致施工階段截面下緣的拉應力超出限值。 因此，本橋的邊跨支架拆除時機不應早于3#塊預應力張拉完成后。

3.5 邊跨支架不同的拆除時機對全橋各施工階段應力的影響

對于某一指定的工況，全橋各個施工階段結構下緣最大拉應力及最大壓應力的變化情況，并對所有的工況進行了匯總。 由于4# 塊張拉完成后拆除邊跨支架后，全橋的施工階段應力滿足要求且相對較小。 因此只匯總邊跨支架拆除時機不早于4# 塊張拉完成后的結果，見圖10 和圖11。

圖10 各施工階段結構下緣最大拉應力匯總

圖11 各施工階段結構下緣最大壓應力匯總

通過計算結果對比分析可知，4# 塊張拉后及其以后拆除邊跨支架， 對于同一工況的不同施工階段， 截面下緣的最大拉應力均呈現先升后降的趨勢；截面下緣的最大壓應力均呈現上升趨勢，且壓應力在拆除吊架時達到最大。 對于某一特定的節段，下緣拉應力最值均出現在本節段預應力張拉完成后拆除邊跨現澆支架，下緣壓應力最值均出現在最后的施工階段，說明上緣預應力對本節段的截面下緣拉應力影響顯著。

對于不同的工況，邊跨支架拆除的越晚，越會延緩全橋最大拉應力的出現階段，但最大拉應力的數值會略微增大。

4 結論

成橋狀況下，結構各項指標滿足規范要求，結構設計合理。 （1）對于本研究中的結構，結構的最大拉應力及最大壓應力均出現在截面下緣。 邊跨支架的拆除時機不應早于3# 塊預應力張拉完成后，且在4#、5#、6# 塊預應力張拉完成后拆除邊跨支架為最優，此時施工階段下緣最大拉應力最小。（2）在邊跨支架拆除時機不變的情況下，截面下緣拉應力呈現先升后降的趨勢， 壓應力呈現上升趨勢，拉應力及壓應力需關注不同的施工階段。 （3）對于某一特定的節段， 下緣拉應力最值均出現在本節段預應力張拉完成后拆除邊跨支架，施工時，應根據具體采用的工況， 關注不同階段截面的應力情況。