在传统的桥梁盖梁施工中, 盖梁大多采用现浇工艺, 施工人员要在现场绑钢筋、立模板、浇筑混凝土, 这种施工方法不但施工速度较慢, 且现浇混凝土会产生扬尘, 对周边交通通行产生一定影响。而盖梁节段拼装则无须进行现场混凝土浇筑作业, 像拼接积木一样, 直接把节段拼装在一起, 只需在刚接点位置浇筑混凝土, 施工工效远高于现浇法, 且更加绿色环保。

白沙罗·沙阿兰高架高速车道 (简称DASH) 是一条长20.1km的双向4车道高架快速路, 位于吉隆坡市区, 距吉隆坡双子塔直线距离仅5km。桥梁基础为4根1 350钻孔灌注桩, 桥梁下部结构为6.45m×6.45m承台, 上接3.6m×1.6m墩身, 盖梁为盖梁节段预制, 分5个节段, 分别为S1, S2L, S2R, S3L, S3R。DASH-CA3项目主线盖梁尺寸为31.4m (长) ×3.45m (宽) ×4.2m (高) , 总重达452t, 受运输条件及起吊设备的影响, 452t重预制盖梁很难一次性安装完成, 且不经济。若将大型盖梁分成横向5节拼装模式, 可大大减小对施工设备和施工场地的要求, 其中中间段长6.34m, 重约64t, 悬臂段分别长4.66, 7.87m, 重分别为84, 110t (见图1) 。匹配预制施工, 拼接面采用环氧树脂胶接缝, 接缝截面形式为剪力键拼缝。节段的换整为零便于运输和吊装, 匹配预制施工可确保接缝的精确贴合, 拼接面采用环氧树脂胶接缝可保证接缝的质量和快速施工。

在盖梁S1与S2接缝处设置12个剪力键, 在S2与S3接缝处设置5个剪力键, 因为剪力键的尺寸对抗剪能力影响较大, 其中剪力键的宽度与剪力键的高度比值是一个关键参数, 宽高比越大抗剪承载力越大, 根据盖梁截面形状, 剪力键采用长条形布置。分别在S1, S2的端模上安装设计好的剪力键模块, 形成预制节段的凹键。在匹配梁接触面不设置端模, 并在已浇筑梁端均匀涂抹Bond Breaker, 方便混凝土之间脱模, 从而精确地在下一节段形成凸键。同时, 为方便预制拆模和拼装对口剪力键多设成有45°～65°倾斜角槽口, 并在剪力键4个边均设置相同槽口。盖梁每个匹配面上剪力键的数量和位置根据节段截面尺寸、预应力孔洞、预留槽口等综合考虑, 最终在施工过程中依靠凹凸键齿型剪力键的相互咬合作用均匀有效地传递接缝间的剪切力, 从而提高主梁的整体抗剪能力 (见图2) 。

针对盖梁节段自重大, 现场车流量大, 既无法搭设满堂支架临时支撑, 也无法在起重机工作状态下张拉预应力钢束, 制定节段之间临时锚固时, 在墩顶安装4根40精轧螺纹钢, 侧边2根40精轧螺纹钢, 在起重机工作状态下立即快速张拉精轧螺纹钢进行临时锚固, 待恢复交通后, 安装张拉挂篮进行预应力钢束张拉。具体步骤如下。

1) 步骤1S1块安装完成且刚接达到48MPa后, 进行S2块的吊装作业工作, 通过500t汽车式起重机进行吊装作业, 在吊装之前在S2块结合面涂抹环氧树脂 (SikaDur31) , 涂抹环氧树脂时须注意应均匀无漏涂, 且在波纹管周围10mm范围内严禁涂抹, 防止环氧树脂受挤压后渗入波纹管, 环氧树脂涂抹完成后缓缓提升节段。

2) 步骤2S1, S2块盖梁顶面、侧面上设置临时张拉支座, 顶部支座预留4个张拉孔, 侧面左、右各留1个张拉孔 (见图3) , 将精轧螺纹钢穿入临时张拉支座。

3) 步骤3用千斤顶缓慢张拉至设计预应力的30%, 让S1, S2节段的顶部先接触, 待顶部接触后, 将顶部2根精轧螺纹钢拉至设计值, 起重机缓慢均匀降低吊重, 让节段在自重作用下贴紧, 此时S1和S2节段的剪力键已匹配, 张拉顶部剩余的2根和顶部的2根精轧螺纹钢至设计值。

4) 步骤4吊装完成后起重机不应立即减重松钩, 应保持30min以上, 让环氧树脂凝固后再松钩。

在临时锚固完成后, 安装张拉挂篮进行预应力钢束张拉。S2, S3块之间临时锚固施工工艺与S1, S2块相似。但C3～C7预应力钢束张拉与之不同, S1, S2块之间预应力钢束同时拉至设计张拉力, 而S2, S3块之间的通长钢绞线需逐个分阶段进行张拉, 主要考虑到钢束线形及钢束相对节段形心的位置关系, 通过下文分析先得出以下步骤: (1) 第1施工阶段S3块吊装完成, 张拉C4钢绞线至设计值; (2) 第2施工阶段吊装N～N-1跨的T梁, 张拉C5钢绞线至设计值; (3) 第3施工阶段吊装N～N+1跨的T梁, 张拉C3钢绞线至设计值; (4) 第4施工阶段

浇筑横隔板及3m范围内的桥面铺装层, 张拉C6钢绞线至设计值; (5) 第5施工阶段浇筑N-1～N+1跨的剩余桥面铺装层, 张拉C7钢绞线至设计值。

影响盖梁成桥线形的因素大体上可被细化为2种类型。

1) 设计、体系等因素通常是指大地坐标和相对坐标两者体系转换的测算误差, 匹配预制测量仪器及控制点敷设准确性导致的测量偏差, 盖梁与墩身变形和结构模型理论测算的差异。

2) 由预制、架设等施工工艺导致的盖梁预制环节上规格偏差过大、盖梁节段间衔接严实性缺乏等误差第1类误差因素所造成的误差值通常<2mm, 可被视为不可规避的误差, 其对线形影响程度较低, 可忽略不计;第2类线形偏差为线形控制的侧重点。施工环节中, 影响成桥后线形的因素可被细化为以下2种类型: (1) 预制环节中盖梁节段线形偏差较大; (2) 安装环节中匹配盖梁节段位置发生变动。

盖梁S1通常是两侧都安装固定端模, S2, S3通常一侧为固定端模, 一侧为活动端模的工艺, 活动端模为内嵌结构, 所以较难固定, 浇筑混凝土时, 在混凝土的水平作用力及混凝土冲击力联合作用下, 活动端模会出现偏移现象, 为了确保节段梁端面咬合紧凑性, 提升预制线形准确性, 全部盖梁节段都应使用匹配预制, 也就是待浇梁一侧以固定端模定位, 另一侧以上一预制节段固定端模端确定方位, 整顿匹配梁的方位并强化其稳固性, 进而强化对待浇盖梁节段位置的准确性 (见图4) 。

S1与S2的轴线理论夹角为:

S2前端实际位置:

将误差角度在S2匹配过程中进行调整, 使其前端指向目标值:

为了防止桥梁在匹配安装过程中或后期使用过程中出现不同机理的挠度过大或接缝处开裂现象, 通过对预应力进行叠加过程中发现一般都因为没有考虑施工过程中临时锚固的精轧螺纹钢的张拉力而导致挠度过大或接缝开裂, 基于挠度控制原则, 通过有限元分析法读取各施工阶段预应力钢束张拉顺序及张拉力, 从而得到各施工阶段盖梁接缝处顶部与底部应力值, 可以做到记录在各施工阶段中钢绞线的张拉编号。

对于临时预应力张拉, 现场操作环境的限制导致不可能同时张拉顶部及底部临时预应力, 所以需对临时预应力的张拉设定合理的张拉顺序及张拉力, 才能保证施工过程中快速合理地完成此项施工工序。为了防止接缝截面产生方向一致的弯矩效应, 导致接缝截面产生拉应力, 不利于环氧树脂固化, 通常做法是顶部临时预应力张拉到一定程度, 再张拉底部预应力至100%, 然后再补张拉顶部预应力至100%。此方案可行, 但工序较繁琐, 有时不能保证在环氧树脂固化时间内完成临时锚固工序。

在临时预应力计算过程中, 吊装节段初期只受到盖梁自重及吊装力作用, 只需考虑起重机中能满足自重及吊装力的竖向力作用。当临时预应力开始施加时, 此时剪力键完全克服重力, 包括轴力、弯矩和剪力。随着接触面压应力的建立, 自重及吊装力克服将逐渐转换为由接缝截面剪力键提供的剪力克服, 最终吊装力和自重将为0。吊点完全退出工作后, 可以“脱钩”, 但在实际施工中, 为了确保安全, 只松钩而不脱钩。

通过计算得出L-J1与R-J1之间的顶部每根临时锚固筋预应力为295kN, 侧边每根临时锚固筋预应力为495kN。L-J2与R-J2之间底部不设临时锚固筋, 顶部每根临时锚固筋预应力为635kN。最终在对底部临时锚固支座位置以及张拉力的优化后, 得出在张拉顶部临时锚固筋至100%后再张拉底部临时锚固筋至100%。这为胶接面的环氧树脂固化提供了良好环境, 同时也保证了后续永久预应力钢束张拉过程中不出现拉应力 (见表1) 。

因盖梁悬臂长接近16m, 在混凝土自重所产生的负弯矩作用下, 盖梁悬挑段产生下挠现象, 为了防止梁体线形变化以及过大弯矩导致梁体出现裂缝, 需进行钢束张拉, 保证盖梁累计挠度在规范范围内, 同时盖梁节段拼装过程中拉应力应≤0, 保证盖梁节段拼装过程中胶接面稳定 (见图5) 。

因盖梁较短且马来西亚当地温差较小, 不同于节段箱梁, 故不考虑混凝土收缩徐变及温度造成的影响, 只考虑风荷载造成的影响;且本文主要目的是进行施工阶段钢束张拉顺序研究, 故不考虑后期使用过程中可变荷载的影响, 如汽车荷载、汽车制动力等因素 (见表2) 。

根据BD 37-01规范要求 (对BS5400未包含预应力钢束或者胶接缝要求的参照规范) , 在施工阶段需考虑3种荷载组合对桥梁进行受力分析: (1) 荷载组合1静载; (2) 荷载组合2静载+风荷载+临时荷载; (3) 荷载组合3静载+温度影响力+临时荷载 (温度影响力已在工后阶段按实际情况进行计算, 故在此不做计算) (见表3) 。

通过分析得出L-J1, L-J2, R-J1, R-J2 4个接缝处的应力, 如图6与表4, 5所示。

在模拟钢束4次时, 发现仅横隔板的荷载无法满足钢束4次的正应力, 通过优化设计增加3m范围内桥面铺装可大大改善节段应力情况, 如图7所示。

由表4, 5及图7可知, 根据上述施工顺序, 在钢束张拉过程中节段接缝处应力均满足设计要求。通过研究分析可根据施工过程中实际施工顺序结构受力变化情况进行建模分析, 得出各施工阶段接缝面应力及挠度结果, 并考虑临时锚固、风荷载等问题, 最终得出施工过程中及工后受力情况与理论线形, 为施工及监控量测提供理论依据。

本研究分析了在盖梁节段匹配安装施工过程中线形控制及精轧螺纹钢临时锚固张拉和预应力钢束张拉顺序对结构变形的影响机理, 通过建立施工各阶段模型, 并利用有限元分析法得出节段接缝处应力变化情况, 主要结论如下。

1) 盖梁节段拼装的线形控制关键是“纠偏”, 只有对已架节段的结果进行测量才能指导下一匹配梁端的预制线形, 通过夹角修正法确定下一节段预制线形。

2) 精轧螺纹钢临时锚固张拉过程中, 只需考虑节段自重作用下顶部和底部接缝处应力变化情况, 从有限元分析结果看出可满足规范要求, 但仿真计算的假设是基于理论荷载数据提出, 现场还应严格按“先顶后底”操作章程来施工, 且盖梁上无其他过大附加荷载, 同时考虑到精轧螺纹钢预应力损失较大, 现场实际操作过程中应超张拉3%为宜。

3) 预应力钢束张拉过程中, 盖梁仅在自重 (荷载组合1) 作用下胶接面完全受压, 盖梁在自重+风荷载+临时荷载 (荷载组合2) 作用下最大拉应力均<0。由此可证明预先制定的钢束张拉顺序的各施工阶段, 在不同荷载组合作用下所有接缝处的应力均处于受压状态, 从而保证预应力钢束张拉过程中胶接面处各点应力平衡, 避免了节段之间胶接面的变形。

盖梁节段拼装实现了承台、墩身与盖梁同时、同步作业, 缓解了工期压力, 特别适合受场地约束的城市高架桥施工。其工厂化预制也保证了产品质量更可控, 其高空作业风险远小于传统支架法施工工艺。目前盖梁节段拼装工艺已在城市高架桥建设中推广使用, 其工艺的成熟运用也将使桥梁建设向着更加环保、高效、安全的方向发展。