預應力砼變截面連續箱梁掛籃懸臂澆筑與支架現澆施工設計對比分析

史雋健SHI Jun-jian

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

漳武線永定至南靖高速公路南靖段工砵程鴻大橋位于漳州市南靖縣，上跨地方路，原設計主橋采用（40+60+40）m預應力砼掛籃懸澆變截面連續箱梁。開工后為加快施工進度，上部結構由掛籃懸澆變更為支架現澆施工。

2 結構設計

2.1 主梁構造

雖然懸臂澆筑和支架現澆施工方法不同，但成橋后均為連續梁受力體系，故兩者采用相同的主梁構造尺寸。

主梁全長=2×[10.94m（邊跨直線段）+27.75m（變截面段）+2.5m（中橫梁）+27.75m（變截面段）+1m（1/2中跨直線段）]=139.88m。主梁采用直腹板單箱單室截面，中支點梁高3.6m，邊支點梁高1.9m，箱梁頂寬12.75m，懸臂長3m，腹板厚50～70cm，頂板厚28cm，底板厚0.28+0.22（X/27.75）^1.8m。主梁斷面如圖1所示。

圖1 主梁斷面

2.2 主梁縱向預應力鋼束

采用懸臂澆筑和支架現澆施工時，縱向預應力鋼束布置分別如表1、表2所示。

表1 懸臂澆筑鋼束型號一覽表

表2 支架現澆鋼束型號一覽表

2.3 造價對比分析

變更前后主要工程量變化如表3所示。

表3 工程量及造價對比表

懸臂澆筑和支架現澆施工，雖采用相同的主梁構造，但因支架現澆施工節段少、搭接鋼筋少、齒塊布置少，故混凝土及普通鋼筋工程量較懸臂澆筑均有減少。支架現澆施工一次張拉全橋預應力鋼束，因此配有較多通長鋼束，鋼絞線工程量有所增加。經施工圖預算分析，在考慮掛籃、支架等施工措施費用后，支架現澆方案較懸臂澆筑方案造價減少約46萬元。

3 施工步驟

3.1 懸臂澆筑施工

原設計采用懸臂澆筑施工，墩頂0號節段長12m，6個懸澆段（2個長3.5m、4個長4m），邊跨現澆直線段長8.94m，邊、中跨合攏段長2m。節段劃分如圖2所示。具體施工步驟如下：①完成下部結構施工后，拼裝主墩墩旁托架、臨時支撐及邊跨直線段支架并預壓，施工0號節段。②安裝懸臂施工掛籃，施工1號節段。③掛籃前移，按步驟②流程依次施工2～6號節段。1～4號節段豎向預應力筋均延后兩個節段張拉，5號、6號節段與合攏段、直線段一起張拉。④5號節段施工時，安裝邊跨支座及臨時支墊，施工邊跨直線段。⑤掛籃拆除，邊跨合攏段安裝勁性骨架后，施工邊跨合攏段。⑥拆除臨時支撐及支架，臨時鎖定活動支座，主梁落于支座上。⑦中跨合攏安裝勁性骨架，施工中跨合攏段。釋放臨時鎖定的活動支座。待達到張拉件后，張拉中跨合攏段預應力鋼束并壓漿。拆除支架。⑧進行鋪裝及附屬結構施工，全面成橋。

圖2 懸臂澆筑施工節段劃分

3.2 支架現澆施工

變更為支架現澆施工后，為保證混凝土澆筑質量，全橋劃分為5個施工節段，1號段（變截面段）長58m，2號段（邊跨直線段）長10.94m，3號段（中跨跨中直線段）長2m。節段劃分如圖3所示。具體施工步驟如下：

圖3 支架現澆施工節段劃分

①施工下部結構并搭設加強立柱、支架并預壓。安裝主墩支座并臨時鎖定。澆筑1號段混凝土并養護。②澆筑2號段混凝土并養護。③澆筑3號段混凝土并養護。混凝土強度達到后，解除主墩縱向活動支座臨時固定。待滿足鋼束張拉條件時，張拉鋼束并壓漿。④進行鋪裝及附屬結構施工，全面成橋。

3.3 施工對比分析

懸臂澆筑搭設支架少，工期對橋下道路交通影響較小，但節段劃分、施工步驟較多，工期較長。

支架現澆工法簡單，大節段澆筑混凝土，一次張拉全橋預應力鋼束，工期短。但需在被交路行車道兩側搭設支架，施工期間需進行適當的交通管制，對交通有一定影響。

4 主要荷載分析

4.1 永久作用

恒載：主梁結構容重按26kN/m3。

二期恒載：包含鋪裝、護欄等附屬設施重量，取值69.6kN/m。

不均勻沉降：墩、臺不均勻沉降考慮10mm。

預應力設計參數：管道采用塑料波紋管成孔，管道摩擦系數u=0.17；管道偏差系數K=0.0015。

混凝土收縮徐變：相對濕度取80%，收縮徐變時間3650天。

4.2 可變作用

溫度梯度：如表4所示。

表4 溫度梯度

均勻溫度：體系整體均勻升溫25℃，均勻降溫為23℃。汽車荷載：采用公路Ⅰ級汽車荷載等級。

5 結構計算

主梁結構離散為梁單元模型，共分134個單元，采用橋梁博士3.6版建模計算。主梁按全預應力構件進行設計。

5.1 懸臂澆筑施工

計算按施工0號節段、掛籃懸臂施工懸澆段、澆筑邊跨直線段、對稱合龍邊跨、合龍中跨、二期恒載、收縮徐變等劃分施工階段，對結構進行驗算。主要計算結果如下。

①承載能力極限狀態強度驗算。主梁邊跨跨中下緣最大正彎矩39852kN·m，對應抗力55062kN·m；中跨跨中下緣最大正彎矩57065kN·m，對應抗力63770kN·m；中支點上緣最大負彎矩200933kN·m，對應抗力299375kN·m，結構正截面抗彎承載力滿足規范要求，且有一定富余。

②持久狀況下的正常使用極限狀態最大正應力、最大主應力驗算主梁。

③持久狀況下的正常使用極限狀態最小正應力、最小主應力驗算。

主梁跨中上、下緣最小正壓應力分別為0.34MPa和1.01MPa，支點上、下緣最小正壓應力分別為0.05MPa和5.92MPa，均未出現拉應力，滿足規范要求。主梁最小主拉應力為，滿足規范要求。

④施工階段短暫狀況應力驗算。

本橋預應力張拉要求混凝土強度達到標準強度的90%，故在施工荷載作用下截面邊緣混凝土壓應力，拉 應 力，均滿足規范要求。

5.2 支架現澆施工

計算按分批澆筑1～3號段混凝土、一次張拉預應力鋼束等施工流程劃分計算階段，對結構在施工階段及運營階段均進行了驗算。主要計算結果如下。

①承載能力極限狀態強度驗算。主梁邊跨跨中下緣最大正彎矩46482kN·m，對應抗力64571kN·m；中跨跨中下緣最大正彎矩75120kN·m，對應抗力99035kN·m；中支點上緣最大負彎矩191329kN·m，對應抗力234689kN·m，結構正截面抗彎承載力滿足規范要求，且有一定富余。

②持久狀況下的正常使用極限狀態最大正應力、最大主應力驗算。

③持久狀況下的正常使用極限狀態箱梁最小正應力、最小主應力驗算。

主梁跨中上、下緣最小正壓應力分別為1.79MPa和1.69MPa，支點上、下緣最小正壓應力分別為0.06MPa和5.82MPa，均未出現拉應力，滿足規范要求。主梁最小主拉應力為，滿足規范要求。

④施工階段短暫狀況應力驗算。

本橋預應力張拉要求混凝土強度達到標準強度的90%，故在施工荷載作用下截面邊緣混凝土壓應力，拉應力，均滿足規范要求。

5.3 計算結果對比分析

兩種施工方法的主要內力、應力指標對比如表5、表6所示。

表5 主要內力指標對比表 單位：kN·m

表6 主要應力指標對比表 單位：MPa

通過對比發現，采用支架現澆施工時，中支點上緣負彎矩減小，邊、中跨跨中下緣正彎矩增大。這是由于采用支架現澆施工時，梁體受支架承托支撐，結構處于超靜定狀態，且懸臂末端設有加強立柱，故懸臂結構同時存在正負彎矩；采用懸臂澆筑施工時，掛籃懸澆階段，懸臂各節段結構始終承受負彎矩。故兩種施工方案的成橋狀態彎矩有所不同。

兩種施工方案，因預應力鋼束布置不同，抗彎承載力也有所不同。采用支架現澆施工時，中支點上緣抗彎強度較小，邊、中跨跨中下緣抗彎強度增大。這是由于采用支架現澆施工時，預應力體系腹板束均采用通長鋼束，跨中下彎鋼束多，為跨中提供更多抗力。采用懸臂澆筑施工時，因懸澆節段多，可以根據負彎矩分布在每個節段依次設置頂板束、腹板束，預應力效率更高，為中支點上緣提供更多抗力。

在應力方面，支架現澆因施工節段少，可以配置更多的通長鋼束。在工程量基本相同的情況下，最小應力有更大的富余量，結構受力情況更為簡單明了。在施工圖設計時，支架現澆方案采用通長鋼束配合部分加強短束，應力指標更好控制，便于設計人員調整。

6 結束語

當主跨跨徑較小、墩高較矮、地形平坦、無不良地質情況時，同時可采用掛籃懸臂澆筑和支架現澆施工兩種工法。本文通過鴻砵大橋（40+60+40）m預應力砼變截面連續箱梁兩種施工方法的設計對比，對設計過程中的主梁構造、施工步驟、結構受力等情況分析進行了詳細介紹，可為今后同類型橋梁工法選擇提供一定依據。

①預應力砼變截面連續梁支架現澆與掛籃懸臂澆筑兩種工法相比，構造尺寸設計基本相同，但因兩者工法不同，結構受力有所差異，特別是在施工階段、鋼束配置、梁體節段劃分、受力驗算等方面。②相較于懸臂澆筑施工，支架現澆施工因梁體節段劃分少，可采用通長鋼束配合部分加強短束，應力儲備更加充裕，受力情況更具優勢。同時，各項指標更有利于設計人員調整。③在地質條件較好、地形平坦處，支架搭設便利，支架現澆施工方法簡單，梁體節段少，縱向預應力鋼束一次張拉，故能大大縮短工期。若地形地貌復雜、存在不良地質情況，對支架基礎和支架要求較高，具有一定施工安全風險，且會造成施工費用增加。④支架現澆施工需在橋下地面大量搭設支架，若橋下存在道路等控制因素，施工期間需進行交通管制，對交通有一定影響。橋下道路等級高、交通量大時，采用對橋下地面控制因素影響小的懸臂澆筑施工更加合適。⑤綜合對比兩種施工方案，主梁工程量相當。設計階段還需要充分考慮工期、地質條件、地形地貌、橋下控制因素等情況等多方面因素，合理選擇橋梁方案。