裝配式高架橋蓋梁輕型化研究初探

胡自忠，何 科，郭鋼江

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

近年來隨著綠色建造的理念不斷深入，裝配式橋梁因能夠加快施工速度，改善施工期間的交通，降低施工對居民和環(huán)境的影響，收獲良好的經(jīng)濟和社會效益，在實際工程中應用越來越廣泛。在裝配式橋梁各項技術指標中，構件的重量是一項重要的考察因素，在常規(guī)橋梁工程可拆解可拼裝的預制構件中，蓋梁無疑是相對最重的單體構件，由其自重而制約的運輸?shù)跹b問題常常成為裝配式結構和施工方案如何實施甚至能否實施的關鍵。

受運輸和吊裝條件的約束[1]，針對高架主線橋蓋梁超重，實際工程中多采用分段預制甚至現(xiàn)澆，如果能通過降低蓋梁自重實現(xiàn)蓋梁的整體預制并運輸、安裝，將大大方便施工，大幅提高預制拼裝效率和效益。因此有必要對蓋梁設計進行輕型化研究，推動預制拼裝技術的發(fā)展。

1 裝配式蓋梁現(xiàn)狀

公路和城市道路典型結構是跨徑30 m 的小箱梁，雙向六車道規(guī)模，橋面寬度B=26 m 左右。蓋梁往往都采用雙柱大懸臂結構，以方便地面車行道的布置，節(jié)約城市用地，同時橋下空間也顯得通透，整體景觀效果好（見圖1）。

圖1 大懸臂蓋梁效果圖

雙向六車道高架橋標準段上部結構由6～8 片小箱梁組成，橋墩為雙立柱+大挑臂T 型蓋梁結構，立柱中心距一般在約5.5 m，見圖2。蓋梁截面一般采用矩形或近似矩形（矩形切角），中心高度約為2.6 m，端頭高度約為1.0 m，寬度（順橋向）2.2 m 左右。單片蓋梁即便是最經(jīng)濟的設計其混凝土用量也達到100 m3，重約260 t，若整片預制后運輸，含車重約350 t。國內(nèi)已建高架橋標準段蓋梁整片預制案例很少，基本上位于運輸距離短、交通條件好、既有路橋設施承載力高的新城區(qū)。

圖2 分段預制蓋梁典型結構圖及安裝圖（單位：mm）

目前，大部分已建橋梁預制蓋梁采用分段預制。分段預制的蓋梁總體尺寸略大于整段預制，一般分兩段預制，中間留1.5 m 長后澆混凝土帶。單個蓋梁節(jié)段混凝土用量約48 m3，重約125 t，一般場地都具備運輸條件。相對整片預制，分段預制另一個優(yōu)勢就是其適用于橋寬或跨徑稍微不一致的非標段，這也使得分段預制在實際工程中應用廣泛。

2 裝配式蓋梁輕型化的目的和意義

由于常規(guī)單片蓋梁整段預制過重，對運輸車輛（軸重、車長等）、線路條件及交通管理都很苛刻，甚至無法實現(xiàn)，楊煒等[2]經(jīng)過對現(xiàn)澆式蓋梁、整體預制蓋梁和分段式預制蓋梁的對比，最終選擇了分段式預制蓋梁。

但是蓋梁分段預制和安裝存在以下問題：

（1）兩次運輸、安裝影響快速化施工。

（2）后澆段混凝土質(zhì)量不如廠內(nèi)整體預制質(zhì)量，并且需要現(xiàn)場等待齡期和強度到達要求后方可進行下一步施工，影響施工速度。

（3）半片蓋梁自身難穩(wěn)定、平衡，無論是運輸、吊裝還是墩頂上安裝都需要大梁臨時支架和壓重平衡，加大施工措施費，并影響道路保通要求。

（4）分體結構對預應力穿束精度要求高。后澆混凝土顏色與預制結構顏色也有差異。

（5）閆興非等[3]針對分段預制的大懸臂預應力蓋梁，做了模型試驗，試驗結果標明，分段預應力蓋梁的拼接縫是蓋梁的薄弱環(huán)節(jié)。

綜上，蓋梁整段預制安裝可克服上述不利影響，故進行蓋梁輕型化研究，降低預制蓋梁重量能夠加快施工速度，提高工程質(zhì)量，降低現(xiàn)場作業(yè)難度，節(jié)約造價以及提高蓋梁外觀觀感有著積極作用。

同時蓋梁降低重量，不但能降低自身造價和運輸安裝費用，還能降低墩柱、基礎的承載力，降低墩柱和基礎的方量，進一步節(jié)約造價。

3 裝配式蓋梁輕型化研究方向和內(nèi)容

解決結構輕型化問題，主要有兩個方向，其一是采用輕質(zhì)高強的材料，其二是優(yōu)化結構構造形式（包括斷面形式）。

現(xiàn)階段用于結構主體輕質(zhì)高強的材料主要就兩種：鋼材和超高性能混凝土（UHPC）。若全線采用鋼結構蓋梁，其造價大大超出常規(guī)造價甚至與全線采用鋼梁或鋼混組合梁的造價相當。高性能混凝土（UHPC）改善力學性能，減小結構尺寸，提高結構耐久性有明顯優(yōu)勢。李立峰等[4]已經(jīng)對采用UHPC 材料的薄壁蓋梁進行了1∶2 的模型試驗，但也僅處于初期研究階段。誠然UHPC 有著非常多的材料性能上的優(yōu)勢和應用前景，但就目前階段，其相對于普通混凝土（含高標號混凝土）優(yōu)勢主要體現(xiàn)在應力集中區(qū)域、受拉部位、疲勞和易損部位、接縫位置以及與鋼結構形成疊合截面，單獨與鋼筋或預應力形成共同截面以抵抗外力上不具備明顯優(yōu)勢，諸如在蓋梁這類大實體構件中，發(fā)揮不出應有的性能優(yōu)勢，并且造價昂貴。

綜合以上分析，本文對蓋梁輕型化研究方向為優(yōu)化結構構造形式，材料上依然采用普通預應力混凝土。

（1）蓋梁橫斷面采用T 形截面（見圖3）

圖3 T 形截面蓋梁結構圖（單位：mm）

注意到矩形截面在蓋梁結構局部區(qū)段未發(fā)揮應有的功能，頂面因需要支承上部結構而需保證必要的寬度，故對矩形截面下半部分兩側進行“切割”形成T 形截面。陳德銘[5]已于1997年設計并使用了T形截面蓋梁，但后續(xù)國內(nèi)并沒有大量推廣使用。

（2）蓋梁采用矩形空心截面

基于同樣的思路，蓋梁結構局部區(qū)段未發(fā)揮所有截面功能，但是考慮到截面下緣需要一定受壓寬度來平衡力矩，同時為保證外輪廓的“干凈整潔”，對矩形截面進行“挖空”形成空心截面（見圖4）。

圖4 矩形空心截面蓋梁結構圖（單位：mm）

空心截面其內(nèi)膜采用一次性PVC 材料（輕質(zhì)高強），與鋼筋一體成型同步放置在蓋梁模架上。

上述兩種截面優(yōu)化方向本質(zhì)上是一致的，一種是“外挖空”，另一種是“內(nèi)挖空”，本次研究的重點也是盡可能“多挖冗余混凝土”形成較小面積的截面，進而降低蓋梁自重。

由于T 形截面和空心截面蓋梁，減少了常規(guī)蓋梁部分“冗余混凝土”，減輕了自重，故可相應的減少蓋梁配筋和預應力，減少蓋梁造價；而自重的降低，又進一步減少了現(xiàn)場運輸和吊裝的重量，相對于分段預制的常規(guī)蓋梁更進一步的降低了造價。

4 計算分析

標準蓋梁采用預制預應力混凝土（C 60）構件，上部結構為30 m 跨徑小箱梁，立柱間距5.2 m，分別建立T 形截面蓋梁和矩形空心截面蓋梁有限元計算模型（見圖5），采用橋博V 3.6.0 軟件，并根據(jù)現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）[6]（以下簡稱規(guī)范）來復核計算結果。矩形空心截面蓋梁計算結果如下：

圖5 標準矩形空心截面蓋梁計算模型

（1）正截面抗裂驗算（見圖6、圖7）

圖6 準永久組合上下緣最小正應力（單位：MPa）

圖7 頻遇組合上下緣最小正應力（單位MPa）

（2）斜截面抗裂驗算（見圖8）

圖8 頻遇組合主拉應力（單位：MPa）

準永久組合下未出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求：頻遇組合下拉應力為0.61 MPa，未超過規(guī)范要求最大允許拉應力0.7 ftk=0.7×2.85=1.995 MPa；頻遇組合下主拉應力最大為0.86 MPa，未超過規(guī)范要求最大允許拉應力0.7 ftk=0.7×2.65=1.995 MPa，滿足規(guī)范要求。

（3）持久狀況混凝土應力驗算

由圖9、圖10 可知，驗算結果滿足規(guī)范最大正應力不超19.25 MPa，主壓應力不超23.1 MPa 的要求。

圖9 標準組合上下緣最大正應力（單位：MPa）

圖10 標準組合主壓應力（單位：MPa）

（4）持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算

如圖11、圖12 所示，蓋梁極限抗彎滿足要求。

圖11 最大抗力及對應內(nèi)力（單位：kN/m）

圖12 最小抗力及對應內(nèi)力（單位：kN/m）

T 形截面蓋梁計算結果基本類似，均能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，故不再列舉。

通過兩種形式的結構計算，在合理的鋼束配置條件下，T 形截面和空心截面蓋梁受力性能與常規(guī)蓋梁類似，均能滿足結構的承載力要求，表示這兩個方案均可行。

5 結論

本文僅對輕型化蓋梁構造了合理的截面及對應的構造形式，解決蓋梁承載力計算問題；后續(xù)需進一步研究頂?shù)装濉⒅С屑倪B接方法及構造形式，并需通過試驗與仿真分析對比研究新截面蓋梁的局部受力及整體承載力性能，進而反饋并修正設計計算成果，最終確定構造形式，鋼束和鋼筋布置形式。