城市橋梁預(yù)制裝配式下部結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計

姚 凱，張金康，周 青，傅晨曦

（1.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇南京210000；2.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京210014）

1 概 況

G312（南京繞城高速—仙隱北路段）改擴建工程西起南京市仙隱北路，東至棲霞互通，路線全長7.345 km，為典型的市政工程項目，見圖1。通過對功能需求、運輸限制條件、可施工性、質(zhì)量保障等因素進(jìn)行綜合分析，選型大挑臂倒T 型蓋梁下部結(jié)構(gòu)的型式及關(guān)鍵節(jié)點的連接構(gòu)造。現(xiàn)以本工程為背景，介紹合理選型方法及要點，為類似工程提供參考借鑒。

2 市政橋梁裝配式下部結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計

調(diào)研目前常見的下部結(jié)構(gòu)類型，分別總結(jié)墩柱及蓋梁的適用場景，研究選擇合理型式。

2.1 選型

城市橋梁下部結(jié)構(gòu)選型需要考慮上部結(jié)構(gòu)型式、占地面積、傳力與受力需求、經(jīng)濟性及抗撞要求等。少支座和多支座上部結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)差異較大，以下分別敘述。

圖1 線路圖

對于少支座橋梁：大斷面墩柱適用于抗撞要求較高的場景；采用無蓋梁的柱式墩柱可實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益；減少墩柱間距或合并墩柱可以提高橋下空間利用率；為增加上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性，在合并墩柱的基礎(chǔ)上，可以演變?yōu)榛ㄆ渴剑蛟鲈O(shè)T 型蓋梁以增大支座間距。少支座上部結(jié)構(gòu)適配的裝配式下部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 少支座上部結(jié)構(gòu)適配的裝配式下部結(jié)構(gòu)選型

對于多支座橋梁：采用柱式墩柱加整體式蓋梁，可以獲得較好的經(jīng)濟效益；立柱數(shù)量及位置受橋下河流或交通影響，通過調(diào)整蓋梁的尺寸適應(yīng)受力需求；對于橋下空間要求較高的工程，將蓋梁受力部位隱藏在主梁中，減少外露尺寸，隱式蓋梁的墩柱布置原則與常規(guī)蓋梁相同，根據(jù)外露尺寸，可分為半隱式的倒T 型蓋梁與全隱式蓋梁。多支座上部結(jié)構(gòu)適配的裝配式下部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 多支座上部結(jié)構(gòu)適配的裝配式下部結(jié)構(gòu)選型

背景工程項目位于南京市，建造難點有：對施工效率、環(huán)境保護(hù)都提出了較高的要求；附近道路、建筑等構(gòu)筑物多，土地資源緊張；擴建起點與擴建終點與既有道路相接，橋梁建筑高度受限。

燃?xì)廨啓C燃燒室、高溫透平葉片等關(guān)鍵熱部件沒有自主設(shè)計和制造能力，不僅影響設(shè)備造價水平，而且投產(chǎn)后核心部件的運行維護(hù)被供應(yīng)商壟斷，檢修維護(hù)費用仍然居高不下，影響企業(yè)生產(chǎn)成本，也在一定程度上制約了燃?xì)獍l(fā)電在國內(nèi)的發(fā)展。

上部結(jié)構(gòu)基本上采用30 m 標(biāo)準(zhǔn)跨徑，可用型式有小箱梁、節(jié)段連續(xù)梁等。連續(xù)小箱梁需要澆筑縱向濕接縫并張拉縱向預(yù)應(yīng)力，節(jié)段梁需要采用特殊架橋設(shè)備對周圍環(huán)境擾動大，故最終選用簡支小箱梁。

同樣為減少對土地的占用，采用雙柱式蓋梁，且雙柱宜根據(jù)路面線形居中布置或布置于兩側(cè)，蓋梁承受的彎矩效應(yīng)大，蓋梁也相對較高，為解決對橋下空間的占用問題，設(shè)計為倒T 蓋梁型式，下方設(shè)置矩形墩。為提高行車舒適性，采用橋面連續(xù)構(gòu)造，每隔3孔設(shè)置伸縮縫。根據(jù)橋梁主線不同、橋?qū)挷煌⒍罩贾梅绞讲煌苍O(shè)置A~D 共4 類蓋梁，其中A 類蓋梁下部結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 蓋梁型式

2.2 設(shè)計

倒T 型蓋梁牛腿的設(shè)計參數(shù)由抗震與抗沖切共同控制，根據(jù)規(guī)范，防落梁a≥70+0.5L，L 為計算跨徑，則本工程a≥85 cm；綜合抗沖切要求，選定a 為95 cm，b 最小控制值為 100 cm（見圖5）。

圖5 牛腿參數(shù)

確定牛腿參數(shù)后，對總體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以A 類蓋梁示例，倒T 型蓋梁的寬度B 與高度H 之間存在耦合關(guān)系。通過承載力分析對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計算荷載組合最大負(fù)彎矩效應(yīng)約為73 519 kN·m（蓋梁自重按中位數(shù)考慮）。考慮相同配束數(shù)量，按受彎構(gòu)件計算得到在相同承載力情況下的蓋梁寬度、高度關(guān)系見圖6。

圖6 蓋梁尺寸優(yōu)化

高寬與高度基本上呈線性關(guān)系，在對凈空有進(jìn)一步要求的情況下，可通過增加寬度的方式降低高度。但應(yīng)當(dāng)注意，高度降低0.57 m，寬度需增加1 m，材料用量增加顯著，經(jīng)濟性欠佳。綜合下部凈空要求，選定寬度3.1 m、高度3.8 m 的參數(shù)。

A 類蓋梁屬于典型的懸臂受力結(jié)構(gòu)，根據(jù)彎矩分布情況設(shè)置預(yù)應(yīng)力束，共設(shè)置4 排鋼束，編號N1~N4，每排設(shè)置3 束鋼束，每束鋼束由15 根鋼絞線組成，見圖7。

圖7 預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：cm）

3 劃分及連接

3.1 劃分

由于蓋梁尺寸大、重量大，需切分運輸，現(xiàn)場組裝。初期方案考慮由稍遠(yuǎn)處的預(yù)制廠提供預(yù)制構(gòu)件，需通過實證道路運輸。后期更改方案，在現(xiàn)場建設(shè)臨時預(yù)制廠，運輸條件改善。

（1）初期方案

首先，采用具有多軸同步轉(zhuǎn)動的模塊車進(jìn)行運輸，考慮轉(zhuǎn)彎半徑對尺寸的限制，市政道路所遇到最小轉(zhuǎn)彎半徑為15 m，對應(yīng)轉(zhuǎn)彎道路寬度7 m，根據(jù)式（1）計算最大運輸長度限制為22.7 m。

式中：R 為轉(zhuǎn)彎半徑；D 為車道寬度；B 為道路寬度。

其次，需要考慮沿線橋梁載重影響，以運輸荷載的內(nèi)力效應(yīng)小于活載的內(nèi)力效應(yīng)為基準(zhǔn)，對沿線橋梁的載能進(jìn)行評估，得到單軸控制荷載為200 kN，除去空載軸重30 kN 外，以中央最大截面計算的最大容許運輸長度為7.5 m，按等重控制。

（2）后期方案

后期方案以最大吊裝重量進(jìn)行控制，控制重量266 t/塊，考慮中央預(yù)留2 m 濕接縫進(jìn)行調(diào)差連接，見圖8。

圖8 劃分示意圖（單位：cm）

本方案在墩頂取消接縫的優(yōu)勢在于，可以將蓋梁支立于橋墩之上，左右力矩能夠相互抵消，對于下方的臨時支撐要求降低，能夠提高施工的安全性。

3.2 連接

連接型式以濕接縫及干拼縫為主，濕接縫連接較為可靠，但施工周期長，便利性差，應(yīng)盡量減少設(shè)置。干拼縫應(yīng)優(yōu)先選擇定型產(chǎn)品，以減少拼縫的質(zhì)量控制風(fēng)險。但定型產(chǎn)品容差小，造價高，部分次要部位可考慮采用替代產(chǎn)品。

經(jīng)綜合比較，在本項目采用的接縫型式主要有：

（1）蓋梁挑臂區(qū)域接縫采用剪力鍵+ 膠拼縫，依靠鋼束將塊段連接為整體；墩柱間蓋梁塊段之間采用濕接縫連接，主要是為了增加墩柱間對施工誤差的可調(diào)節(jié)性，并盡可能提高蓋梁整體性；

（2）蓋梁與墩柱之間采用灌漿波紋管，灌漿波紋管為φ85 型，可以起到調(diào)整部分連接容差的作用，同時經(jīng)濟性較好；

（3）墩柱與承臺的連接采用灌漿套筒連接型式，套筒型號為GTZQ4 40 型，提高安裝效率與安裝質(zhì)量，保障底部的連接性能。

灌漿套筒及灌漿波紋管的布置尺寸見圖9。

圖9 灌漿套筒及灌漿波紋管的布置尺寸（單位：cm）

4 結(jié) 論

以G312（南京繞城高速—仙隱北路段）改擴建工程為背景，分析研究城市橋梁預(yù)制裝配下部結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計方法，主要結(jié)論有：

（1）明確市政工程立體交通的復(fù)雜性，以減少占地面積、增加凈空、提高美觀性要求，選擇少墩柱、大挑臂倒T 型蓋梁的合理方案型式；

（2）在相同承載力情況下，倒T 型隱式蓋梁的寬度B 與高度H 之間近似線性耦合關(guān)系，應(yīng)平衡經(jīng)濟性與橋下凈空的控制要求確定合理尺寸參數(shù)；

（3）根據(jù)道路運輸能力及現(xiàn)場吊運條件進(jìn)行構(gòu)件的劃分，提出不同運輸條件的劃分原則；

（4）根據(jù)可靠性、施工調(diào)差要求、施工效率要求，比選提出蓋梁膠拼縫與濕接縫混合連接，蓋梁與墩柱灌漿波紋管連接，墩柱與承臺灌漿套筒連接的方案。