懸臂拼裝法在城市節段橋梁中的應用

鐵道部第四勘測設計院 王傳素

　　摘　要： 通過對滿堂支架法和懸臂拼裝法中影響橋梁設計和施工因素的對比分析，探討懸拼法在城市橋梁中應用的可能性及其在技術上、經濟上的優越性。

　　關鍵詞： 連續梁橋；預應力混凝土結構；懸臂拼裝架橋
　　
1　引　言

　　預應力混凝土(以下簡稱PC)連續梁正是廢棄了昂貴的滿堂支架施工方法而代之以經濟有效的高度機械化施工方法，才使連續梁方案獲得了新的競爭力。現在，跨度在40～60 m范圍內的橋梁，PC連續梁已占有絕對的優勢，而且可以采用多種經濟快速方法施工。我國自80年代中期以來，陸續修建了不少城市立交橋(跨線橋)，其中PC連續梁(剛架)占了相當大的比例，為城市交通的改善起了很大作用，也為城市增色不少。然而，這些連續橋梁的施工方法仍大都采用滿堂支架現澆，造價較高，工期較長，與國外城市橋梁的狀況相比，PC連續梁未能顯示出經濟上的優越性。因此，有必要尋找其他施工方案，以使我國的城市橋梁趕上世界先進水平。
　　相對于現澆橋梁，節段橋梁已廣泛應用于PC連續梁、剛架、斜拉橋及拱橋的建設，我國在設計和施工方面也取得了不少經驗。本文就懸臂拼裝法施工的節段橋梁在城市橋梁中的應用作出初步分析和探討。

2　滿堂支架施工法的設計和施工特點

　　采用滿堂支架施工的PC連續梁，通常一聯為整體澆注混凝土而成，與設計線形較為吻合，施工工序亦較簡單。
　　設計方面，截面通常采用箱形，預應力鋼束一般布置在腹板內，在壓力線范圍內基本可布置成吻合索，有效地減少了調束及計算等工作量，設計工作簡便快捷，混凝土的收縮徐變對結構的影響主要限于力筋的預應力損失，不會對結構產生二次內力。采用這種方法施工的PC連續梁缺點也很明顯，由于力筋布置的構造要求，腹板往往較厚，通常都超過65 cm，有時不得不增加腹板數量，形成單箱多室截面，致使結構自重大大增加；鋼束布置成吻合索后轉角之和較大，鋼束基本都是長束(很多長度都超過100 m)，使孔道摩阻損失相當大，根據一些橋的實測資料及計算結果，僅摩阻損失一項就占全部預應力損失的60%以上；對聯長較長的橋梁，即使采用超張拉工藝，仍克服不了預應力損失過大的缺陷，不得不加短束，鋼束的高強性能得不到充分利用，施工過程中鋼束定位也較困難。
　　施工方面，需消耗大量的支架和模板，凈空較大的橋梁(如多層立交)還需對支架采取措施以防止失穩，搭架前必須進行適當的地基處理，搭架后還必須進行預壓，以克服不均勻沉降帶來的不利影響。既有道路上的跨線橋，為了不阻斷交通，還需用大量鋼管和型鋼搭建門式支架。即使這樣，仍可能發生交通阻塞，甚至發生交通事故，使道路通行能力大大下降，影響經濟效益和社會效益。

3　懸拼橋梁的設計和施工特點

　　節段橋梁的施工方法很多，但就城市橋梁而言，懸臂拼裝法是具競爭力的方案，即主梁在預制場地分段預制，留好預應力孔道，下部結構施工完成后，把梁段運到工地拼裝，同時張拉所需的鋼束。整個過程的結構體系為先是懸臂結構，合龍后形成連續體系。節段橋梁的分段長度可根據結構的受力要求及施工機具靈活劃分。
　　設計方面，可采用高標號混凝土，預應力體系可多種多樣，計算機的使用已使橋梁的結構分析及撓度控制十分簡便。與滿堂支架法相比，結構由簡支到連續，存在結構體系轉換問題，預應力及徐變引起的次內力已不容忽視。鋼束既可布置在腹板內，也可布置在頂底板內，結構自重大大降低，跨越能力增強。
　　施工方面，可以節省大量的支架、型鋼和模板，混凝土質量可以得到保證。對城市橋梁而言，不必用掛籃進行張拉鋼束等作業，只需簡單的移動支架即可。節段的預制可與下部構造同時進行，一方面大大加快了施工進度，另一方面可減少徐變帶來的負面影響，充分發揮力筋的高強性能。節段的安裝可充分利用機械化設備，安排在車流量較小的時段進行，對交通影響較小。
　　但是，節段式橋梁的技術要求較高，影響結構的因素較多，施工控制也很嚴格，對小跨度橋梁由于梁高較低，無工作面張拉連續力筋，不適宜采用節段橋梁。

4　節段橋梁設計和施工的關鍵問題

4.1　次內力
　　影響節段橋梁設計和施工的關鍵因素是次內力、節段間的連接、體系轉換及高程控制等。節段橋梁的預應力筋可分懸臂力筋和連續力筋。結構的次內力主要為預應力產生的次內力和徐變次內力。懸臂力筋只是產生徐變次內力，而不產生彈性次內力，連續力筋則產生彈性次內力，當有多次體系轉換時，也會產生徐變次內力。次內力(矩)的凈效增加了中間支點處的負彎矩和跨中正彎矩，對結構產生不利影響。但次內力并非完全不利，連續結構中，可以把次內力有效地使用，從而增加結構的經濟性。事實上，在懸臂拼裝階段，支點處的負彎矩隨懸臂長度增加逐漸增大，剛合龍時跨中正彎矩很小。正是徐變次內力引起內力重分配使支點負彎矩減小，而跨中正彎矩增加，隨著時間的增長及其它荷載的加入，結構整體受力趨向合理。預應力產生的次內力可用力法或等效荷載法計算。精確計算徐變次內力比較困難，與計算過程中的有關假設與實際出入較大有關，但不管采用什么方法，即使計算結果偏差較大，也不會對結構產生重大影響。
　　設計中，只要優化跨度及鋼束布置，合理安排合龍程序，就可充分利用次內力的有利方面。

4.2　預應力鋼束布置
　　節段橋梁的配束由懸臂力筋和連續力筋兩部分組成，懸臂力筋布置在頂板、腹板及上梗肋內。頂板內鋼束常布置成直線形，直接錨固在節段拼裝面上，腹板內鋼束一般為曲線形狀，使鋼束承擔部分剪力。但有的大跨度橋梁只在頂板布束而不彎入腹腔板內，這給施工帶來極大便利。連續力筋布置在底板內，在箱內底板上留鋸齒塊張拉錨固鋼束。懸臂拼裝的節段橋梁，鋼束一般布成短束，彎起力筋只有2個彎折點，節段從預制到安裝，大部分徐變已發生，因此預應力損失大大減少，可有效地增大永存預應力，使鋼束的高強性能充分發揮。
　　懸臂拼裝階段，梁體需布置大量懸臂束，而體系完成后并不需要那么多鋼束，為避免浪費，往往需設臨時束。體外預應力體系是一種有效嘗試。由于鋼束布置在箱內(箱形梁)可以將截面做得更薄，通過控制張拉力，有效地控制及調整施工中的撓度和預拱度。但體外預應力結構極限承載能力稍低，如何合理地使用，尚需進一步研究。

4.3　安裝定位及撓度控制
　　節段的拼裝常做成企口縫。腹板企口縫用于調整高程，頂板企口縫可控制節段的水平位置，使拼裝迅速就位，并能提高結構的抗剪能力。有的在預制節段的底板處設預埋件，用以固定拼裝時的臨時筋；也有的在腹板拼裝面設連續的凹凸榫，頂板上僅留有2個水平半圓形和2個垂直梯形槽口的接榫供安裝定位用。
　　安裝就位時，宜在拼裝面涂環氧樹脂，使拼裝面粘接較好。撓度控制往往是設計和施工的關鍵問題，所設的預拱度必須根據施工情況及徐變情況作精確分析和計算，并及時調整，一般可通過張拉力筋或控制力筋張拉力調整，必要時可用千斤頂調整，接觸面的接縫間可嵌入較軟金屬(如銅)。城市橋梁由于搭移支架方便，也可在局部布置臨時支架進行調整。撓度控制不好，不僅影響線形，而且合龍難度較大，必須精心設計和施工。

4.4　合龍段的設計和施工
　　懸臂拼裝的節段橋梁常在跨中留有1.5～2.0 m的合龍段，在主梁標高調整后將梁連成整體。一般采用現澆或節段拼裝合龍，現澆比拼裝施工工期長，工序復雜，但便于調整，而拼裝對節段預制和拼裝的精度要求較高。
　　多跨PC連續梁的合龍次序不同，對結構內力影響顯著；但由于懸臂力筋預加力和一期恒載的反向作用，大幅度降低了由不對稱施工程序導致的對稱面中內力的非對稱程度，在許多情況下，并不至于影響對稱截面的設計。即合龍順序的不同僅在施工階段對內力有影響，連續體系形成后影響不大，故可以根據施工情況靈活選擇合龍次序。合龍時間應該選擇在當日溫度最低時進行。

5　結　語

　　采用懸臂拼裝的PC連續梁，在技術上可行、經濟上合理，機械化程度應用高，有利于工廠化生產，可滿足業主對工期和質量的要求及日新月異的城市發展需要，具有較大的優越性，而且在同等造價條件下可以增大跨度，節省下部工程量。懸臂拼裝法也適用于曲線梁。