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[技术] 城市高架桥的"新欢" [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-4-1 11:19:32 |显示全部楼层 |          |
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城市高架桥的"新欢"——便捷、经济的装配式波形钢腹板组合箱梁

文/ 汤意 王燕 孙东生

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城市高架桥是现代交通系统的重要一环,为缓解城市交通压力起着不可或缺的作用。目前, 城市高架桥大量使用满堂支架现浇施工方法,该方法会造成桥下断行,阻碍地面交通,对城市生产生活产生了不少影响。因此,高架桥的建设方案需要综合考虑质量、保通、工期、美观、环保等方面的要求,宜采用预制装配式桥梁结构。

波形钢腹板组合梁,是用波形钢板代替混凝土腹板形成的一种钢-混组合结构。由于采用了轻质高强的波形钢板,彻底根除了预应力混凝土箱梁桥腹板容易出现裂缝的问题,从而极大地提高了箱梁桥的耐久性能指标,具有“安全、适用、经济、美观、耐久、环保”的优点。与传统混凝土箱梁相比,减轻了上部结构自重,提高了预应力的使用效率,同时也减小了下部结构尺寸, 且这种结构外形美观,抗震性能好。另外,与装配式预应力混凝土箱梁相比,装配式波形钢腹板组合箱梁具有吊装工作量少、构件轻、整体刚度大、抗震性能好等一系列优点,具有更好的经济性与施工便易性。

城市高架桥采用全跨逐梁预制,会受到施工场地、运输条件的制约。因此,考虑采用少支架施工方案(图1):桥梁跨中部分采用一段或多段预制波形钢腹板工字梁,通过设置临时墩架设波形钢腹板工字梁,再浇筑顶、底板湿接缝进行连接。桥墩梁高变化段,通过搭设少量支架浇筑横梁形成连续箱梁体系。这样可减少预制波形钢腹板工字梁的长度,方便了运输和吊装工作,又能保证施工中桥下交通不断行。桥墩采用隐形盖梁,上部横梁和墩身作为单独构件,可设计成所需要的造型进行预制或现浇,满足了城市桥梁景观的需要。

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图1 少支架装配式波形钢腹板桥施工方案


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少支架装配式波形钢腹板连续箱梁结构设计特点

横向拼装设计

城市高架桥现浇箱梁多采用单箱多室截面,而装配式波形钢腹板箱梁采用分离式多箱单室截面。每片预制波形钢腹板工字梁为1个独立预制构件,两两波形钢腹板工字梁预制构件组合形成1个单箱(图2),再由多个单箱组合成箱梁截面。

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图2 装配式波形钢腹板组合箱梁装配示意图

工字梁组合单箱的合适宽度在3.5~4.5m。在净空不受影响的地区,可适当增大梁高。如波形钢腹板高度增加1.2 倍,在混凝土数量基本不增加的情况下,箱梁截面抗弯强度可提高近2倍,跨径越大其技术和经济优势越突出。

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纵向拼装节点

少支架法施工在纵桥向上设置少量支架或临时墩,即可将一跨主梁分为多段装配梁。从连续梁的弯矩图上可以看出,纵向上拼接点就是连续箱梁弯矩零点。如图3所示, 通过在P1、P2、P3、P4处设置临时墩,对结构形成连续体系的影响最小,也最易分阶段施工控制和实现。


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图3 连续梁弯矩图


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预制波形钢腹板工字梁,预应力张拉后会出现上拱,若各片梁上拱值差别较大,会引起后浇筑湿接缝的错台。为解决这个问题,可采用二次预应力张拉体系。即通过预应力分批次张拉,使梁在预制第一次张拉时出现的上拱值较小,可以不设置反拱,各片梁在施工湿接缝时位移基本相等,各片梁处于同一平面,从而使新老混凝土粘结部位基本处于临近零应力状态。现浇湿接缝后,再张拉第二批束。在二期铺装荷载和活载作用下,预制梁所受的弯矩一定。使得预制梁的配束趋于固定,满足桥梁正常使用状态下的挠度要求。

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波形钢腹板节段之间的连接

波形钢腹板采用1600型,波形钢腹板纵向节段之间采用三排高强螺栓栓接(图4),既方便施工也满足波形钢腹板的抗剪要求。

图4 波形钢腹板间的连接方式图


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预应力体系

少支架装配式波形钢腹板工字梁采用体内预应力二次张拉体系。在混凝土底板内对称或交叉设置有一次张拉预应力孔道和二次张拉预应力孔道,其内分别穿设一次张拉预应力钢束和二次张拉预应力钢束。这样设置的优点在于将原波形钢腹板预制梁体内的预应力钢束改为两次张拉, 在预制梁体时先张拉一次预应力钢束,待组合后主梁架设完毕再张拉二次预应力钢束,减少了波形钢腹板梁因收缩徐变所产生的反拱,降低了施工难度,简化了桥梁结构, 提高了结构的使用性能。具体施工时,一次张拉预应力钢束既可以采用先张法工艺,也可以采用后张法工艺。

在墩顶设置墩顶负弯矩钢束(图5),预应力的二次张拉可更好地实现在纵向上的连接。


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图5 体内预应力和墩顶负弯矩立面布置图

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少支架装配式波形钢腹板连续箱梁主要计算成果

波形钢腹板工字梁稳定性问题

稳定计算是确定临界荷载,提高抗失稳能力。预制波形钢腹板工字梁,由于其侧向刚度较小,在预应力张拉时存在压屈失稳问题。其侧向稳定性与波形钢腹板的波高, 混凝土顶、底板宽度,端横梁厚度及横隔板数量有关。波形钢腹板工字梁的端横梁不仅能起到横向扩散荷载的作用,还起到保证结构稳定及传递预应力荷载的作用。跨中横隔板提高了工字梁的抗失稳能力和抗扭刚度。

50m跨径波形钢腹板工字梁预制阶段临界稳定安全系数为3.72,其抗失稳能力满足要求(图6)。


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图6 波形钢腹板工字梁整体稳定模态图

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装配式箱梁的应力重分布

预制波形钢腹板工字梁是预应力结构,横向拼装合成箱梁,其现浇顶、底板湿接缝是钢筋混凝土结构。与整体施工的箱梁相比,前者的预应力是作用在部分断面上,而后者的预应力是作用在全断面上。对于横向预制拼装合成箱梁的受力情况,采用有限元软件进行了计算模拟分析, 以下以50m装配式波形钢腹板连续箱梁为例说明分析结果。

顶、底板湿接缝在已架设的工字梁上浇筑,处于0应力状态,但是在收缩徐变影响下,预制段混凝土和现浇混凝土应力发生重分布。成箱后在二次张拉预应力的作用下, 混凝土均处于受压状态。由计算结果得知,成桥状态跨中截面预制段混凝土顶板应力为-5.2~-6.5MPa,现浇段为-3.0MPa;预制段底板应力为-9.2~-11.04MPa,现浇段为-2.7MPa。

成箱后,二期荷载由整体箱梁截面承受,表明预制混凝土和现浇混凝土两者能共同受力,处于弹性工作状态范围。在施工阶段标准值组合下,箱梁上缘最大压应力为13.4MPa,下缘最大压应力为12.9MPa,满足施工阶段混凝土压应力计算要求。箱梁上缘最大拉应力值为0.45MPa, 下缘最大拉应力值为0.4MPa。

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图7 装配式波形钢腹板连续箱梁成桥阶段应力云图(单位:MPa)


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图8 装配式波形钢腹板连续箱梁成桥阶段内力图及承载能力包络图(单位:MPa)

某城市高架桥技术方案比较

设计方案

某城市高架桥原设计方案是(40+60+40)m变截面现浇波形钢腹板箱梁,单箱四室,宽25.3m,梁高墩顶至跨中由3.8m按抛物线渐变为2.2m。现浇节段长3.2~6.4m。

由于高架桥跨越交通流量大的城市主干道,满堂支架对桥下通行干扰影响大。为减小城市拥堵,拟改为少支架装配式波形钢腹板箱梁方案。桥宽25.3m,分为3个分离式单箱截面,梁高中跨由墩顶3.8m按抛物线渐变为2.8m,边跨由3.8m按抛物线渐变为2.2m(图9)。

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图9 少支架装配式方案立面及断面图


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技术经济分析

       装配式波形钢腹箱梁减少了底板混凝土数量,结构自重相比现浇箱梁减轻15%,相应减少了箱梁自重内力和上部结构混凝土、钢筋、预应力钢筋的用量,其造价降低约5%~10%(见表1)。箱梁自重减轻还可相应减少下部基础的工程量。

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表1(40+60+40)m跨径每平米桥面材料指标表

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单片波形钢腹板工字梁吊装重量约150吨,常规起重设备就可安装。相比于满堂支架现浇,施工难度降低,施工方便快捷,施工质量也更易保证;对桥下通行能力的影响较小,对原有路面的损害也减小。

由于预制波形钢腹板工字梁与高架桥下部结构、桥墩附近现浇段支架搭设、钢筋绑扎等工序平行施工,使装配式波形钢腹板梁在工期上得以缩短(见表2)。

表2(40+60+40)m跨径波形钢腹板施工工期对比表


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在墩顶两侧支架现浇与原方案外形尺寸一致的变截面梁体,既解决净空和盖梁问题,又满足了景观的要求。

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应用前景展望

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       装配式波形钢腹板组合箱梁充分利用了装配式桥梁的特点,预制部分通过采用工厂化、标准化预制,既保证了高架桥上跨道路正常通行,又有利于保证高架桥工程质量,加快施工进度,降低工程造价;桥墩现浇段满足了城市景观的要求,又可减少预制梁的长度,方便了运输和吊装施工。装配式波形钢腹板组合箱梁桥符合资源节约、环境友好的桥梁建设转型发展方向,是城市高架桥的合理经济桥型。2 `0 Y8 S( ]: o! a: h- c* p

(作者单位:河南省交通规划设计研究院股份有限公司)

(编辑:陈晨)


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