逐跨拼装节段预制技术在桥梁施工中的应用

逐跨拼装节段预制技术在桥梁施工中的应用

本文结合一座6×50m跨径连续梁桥的设计，探讨节段预制、架桥机逐跨拼装的预应力混凝土连续梁桥的设计和施工的有关技术问题。

标签：逐跨拼装；节段预制；连续梁；设计；施工

引言

近年来，随着对混凝土内在和外在质量的要求越来越高，在国外广泛应用的节段预制逐跨拼装施工技术越来越受到重视，逐渐在各类预应力混凝土连续梁桥得到应用。设计与施工的标准化，施工速度的快捷，特别是预制安装施工方法和体外预应力技术的完美结合，是其突出的特点。随着体外预应力技术的不断进步，国内也逐渐开始采用这项技术。

1 设计关键技术

1.1 结构设计

某桥一联6×50 m，采用“体内+体外”预应力混凝土等高度连续箱梁。箱梁上缘梁宽15.8 m，下缘梁宽7.2 m，梁高3 m，高跨比为1/16.67；顶板厚0.28 m，底板 厚为0.25～0.65 m，腹 板 厚0.4～0.70 m；翼缘板端部厚0.2 m，根部厚0.55 m。除在墩顶设2.5 m厚中横梁，梁端设2.4 m厚端横梁，其余部位均不设横隔梁。

箱梁节段采用短线匹配法预制、架桥机逐孔拼装工法进行施工，梁 段长2.2 m、3.0 m、3.4 m、3.85 m不等，接缝采用环氧树脂密复式剪力键齿，转向块采用横梁式，每跨设置

15 cm湿接缝。

箱梁为三向预应力混凝土结构，主梁除布置纵向预应力束外，在桥面板内设有横向预应力束，在端横梁设置竖向预应力粗钢筋。箱梁墩顶及跨中体内钢束采用每束15 15.24，控制张拉应力0.72 =1 339.2 MPa，箱梁体外钢束采用每束27 15.24，控制张拉应力0.65 =1 209 MPa。端横梁设置竖向预应力粗钢筋，每根张拉控制应力0.9 fpk=837 MPa。箱梁纵向预应力钢束除部分首跨钢束采用单端张拉外，余均采用两端整束张拉。预应力钢束布置如图1所示。

图1 预应力钢束布置

上部结构采用节段预制、架桥机逐跨拼装工法进行施工，箱梁为预制结构，采用密齿型剪力键，环氧树脂接缝，转向块采用横肋式结构。全桥共1 820块梁段，块件长：2.2 m/3.0 m/3.4 m/3.85 m，自重：90～220t，每跨设2道15 cm湿接缝。

结合施工工艺，体外预应力承担施工阶段全部结构恒载受力。由于体外预应力极限应力低，以及体外预应力钢束偏心距小，为了满足承载能力极限状态下的力学性能，在腹板内配置了部分体内预应力。在结构构造允许的条件下，设计中应尽量多地采用耐久性好的体外预应力。

1.2 横梁锚固计算

体外预应力混凝土连续梁横梁及转向构造是其两个关键受力构件，结构构造及受力情况复杂。横梁梁高3 m，梁段顶板厚28 cm，底板厚65 cm，腹板厚70 cm，端横梁厚2.3 m，横梁上开人孔，人孔尺寸1.2 m×0.8 m。体外索锚固于横梁上，锚垫板间距60 cm。

端横梁内侧会出现较大拉应力。

采用空间有限元程序Ansys对横梁进行受力分析，采用的梁段模型宽15.8 m，体外索索力按照张拉控制应力0.65 =1 209 MPa进行计算，体外束对横梁的纵向作用力均匀作用于锚垫板上。

计算分析显示，在体外束作用下，端横梁内侧截面双向受拉，类似于由顶底板和腹板四边支撑的梁—体受力。端横梁内侧拉应力范围4～8 MPa。仅靠配置普通钢筋配筋太密无法满足施工要求。设计采用了竖向预应力粗钢筋方案，在距离内侧18.2 cm和33.2 cm处布置了2排直径32 mm的精轧螺纹粗钢筋，每排共20根。在增加了竖向预应力后，主拉应力明显减小，配筋量大幅下降。

中横梁厚2.5 m，中横梁上体外预应力短束（单跨锚固）为交叉锚固，成桥阶段相互平衡，不会引起中横梁受拉，但在一跨梁段架设完成以后进行预应力张拉时（施工阶段），仍受到单边预应力锚固力，需对该工况进行受力核算。

1.3 跨中转向结构设计

体外预应力采用横肋式跨中转向结构，每跨布置4道。横肋式转向结构将体外预应力钢束的转向力传递至刚度较大的顶板加腋，从而转至整个结构一起承担。预应力线形布置顺畅，设计施工都很便利。体外预应力转向块处梁高3 m，梁段顶板厚28 cm，底板厚25 cm，腹板厚40 cm，转向肋板上段厚60 cm，下段厚100 cm，转向管道位置开孔。

采用空间有限元程序Ansys对转向构造进行受力分析，采用的梁段模型宽15.8 m，体外预应力按照张拉控制应力0.65 =1 209 MPa进行计算，体外索对转向块竖向作用力根

据体外索实际转角进行计算。转向块压应力高应力区主要集中在转向块底部加宽区孔道上缘和转向块与加宽区连接处，最大值-5.7 MPa。拉应力高应力区主要集中在转向块底部加宽区孔道下方及管道之间，除局部应力集中外，应力范围1～4 MPa。

1.4 体外预应力技术

体外预应力具有简单的力筋布置，防护不依赖于灌浆质量，在腹板中省去了管道又可改善浇筑混凝土的条件。最为重要的是，体外束能够方便地进行检测和更换，并能随时对结构进行简便地加固。

为了更大限度地加快施工进度，经常采用全体外预应力体系或仅使用少量的体内预应力钢束，如图2所示。当整跨所有预制节段在架桥机上安装调位结束后，即可施加体外预应力钢束，形成一整跨的整体结构，架桥机即可前移进行下一跨的施工。

图2 体外预应力体系

体外预应力体系应满足单根更换要求，设计使用寿命不小于30年，采用兩层以上（如环氧+PE）防护体系。张拉端和锚固端钢绞线需采取特殊的防护组件，通过防护帽、密封器将剥去PE保护层的锚固段钢绞线完全保护起来，通过灌注油脂将锚具、夹片、钢绞线全面地浸泡在油脂之中。1.5 构造设计

对于节段预制逐跨拼装施工连续梁桥，要想真正发挥这种结构的优越性、提高结构的耐久性，必须在构造设计过程中注意细节上的处理，比如结构构造尺寸、合龙段现浇施工缝的宽度、剪力键形式、施工临时预应力的构造措施、转向块设置等等。选择合理的构造非常重要。

1.5.1 构造尺寸

为便于节段的工厂预制，减少模板种类，降低设备投入，提高工效，在进行结构构造尺寸的确定时，特别对于采用短线匹配法施工的桥梁，应遵循结构对称、尺寸模数化、尺寸变化少的原则。现浇湿接缝的宽度宜在15～20 cm，宽度太大则不宜采用素混凝土，需设置钢筋；宽度太小，则不利于混凝土浇筑、振捣。

1.5.2 剪力键

剪力键是节段间传递剪力、便于施工定位、保证节段匹配的重要构造措施。一般设在箱梁底板、腹板和顶板上。对于悬臂较宽的箱梁，翼板部分也需设置。剪力键的构造尺寸、设置的数量、位置受多种因素的影响。以往早期的预制结构常采用单键结构，近年啮合密齿剪力键应用较多。密齿剪力键一般在4 cm厚左右，太小则不利于混凝土粗骨料浇筑；太大不便于节段表面钢筋布置。剪力键一般采用钝角边棱，以利于脱模，减少碰损。

1.5.3 接缝形式

接缝一般分干接缝和湿接缝。节段间没有填充物，混凝土预制节段端面直接相贴的接缝为干接缝，干接缝靠剪力键传递剪力。节段间采用现浇混凝土或环氧树脂接缝填涂的为湿接缝。早期采用的预制节段安装结构，依赖接缝间的环氧树脂传递剪力，对环氧树脂的要求较高，而现场施工环氧树脂的配比及工序参差不齐，故可靠性较难以保证。为了改善这种状况，从20世纪80年代初期开始，工程师们逐渐消除了环氧树脂承担传递剪力的结构功能，采用环氧树脂湿接缝主要发挥其对体内预应力束的防腐功能，确保密齿剪力键及节段端面可以均匀、密贴接触。环氧树脂的涂层厚度一般在几个毫米，其黏结性能、强度指标、固化时间及耐久性等对于桥梁结构的性能影响很大。

1.5.4 湿接缝临时压应力

环氧树脂接缝施工期间应张拉临时预应力筋，保证缝隙间压应力不小于0.3 MPa至环氧树脂固化为止，再张拉相应永久预应力悬拼钢束并灌浆。可以通过在节段上浇筑混凝土齿坎或埋置钢齿坎，张拉直螺纹钢筋来施加临时预应力。也有通过大型钢构架作用在整个箱梁截面上来施加临时预应力。应注意截面应力的均匀，注意预留、预埋构造的设计。

1.5.5 转向块

转向块一般采用二次浇筑，体外预应力钢束转向器在二次浇筑过程中安装。因此转向块设计时转向肋板上段与下段之间设置倒角以便于拆模，转向块配筋应与转向器协调。

2 施工方案

2.1 节段预制

（1）箱梁节段预制采用短线法，根据预制场地情况和工期安排，确定底模数量。块件预制采用连续浇注法，即依次浇注相邻块件，已浇好的块件为相邻浇注块件的端模。

（2）底模应考虑设置为可调整标高，以适应桥面竖曲线的变化。

（3）接缝采用环氧树脂密复式剪力键齿槽。

（4）预制箱梁节段时，接缝间必须满涂隔离剂，以利于节段脱离。

（5）节段预制应注意设置支座预埋件、伸缩缝预埋件、护栏锚固钢筋及其他附属设施

的预埋。

（6）节段预制时应注意预留预埋体内预应力管道、节段临时预应力锚固齿坎及吊点等孔洞。

（7）转向块和墩顶横梁节段预制必须按设计要求预埋梳束器和钢管。

（8）混凝土浇筑前应仔细检查保护层垫块的位置、数量和紧固程度。绑扎垫块和钢筋的铁丝头不得伸入保护层内。为保证钢筋定位准确，宜采用定型生产的纤维砂浆垫块。

（9）预制节段应注意模板表面处理。混凝土浇筑完毕，应采取可靠措施及时予以养护，避免水分的蒸发，以确保质量。

（10）预制节段的存梁期应在3个月以上。

2.2 逐跨拼装施工

运送至桥位处，采用架桥机整跨拼装，逐孔架设主梁，架桥机采用可以后部喂梁设计，兼顾无法采用运梁船运梁区段。

2.2.1 拼装施工流程

（1）利用浮吊吊装N1、N2号墩顶0号预制节段就位并临时锚固，在桥位处利用驳船分节段拼装架桥机，利用浮吊吊装架桥机就位，支撑于N1、N2号墩顶0号预制节段。

（2）船运预制节段至现场，架桥机依次吊起整跨全部节段上下密排吊挂在导梁的右半

跨，调整标高，自右向左逐节段试拼；自N1号墩开始自左向右逐块调整就位并将接缝间满涂环氧树脂，张拉临时预应力筋，保证接缝间压应力不小于0.3 MPa至环氧树脂固化。

（3）安装湿接缝段临时定位装置，浇注湿接缝混凝土，待其强度达到设计强度等级的90%时张拉体外预应力，放松临时预应力，调整吊杆逐步落梁，解除N1号墩顶临时锚固装置。

（4）浮吊吊装N3号墩顶0号预制节段并临时锚固，架桥机过孔，前支腿位于N3号墩顶，后支腿位于N2号墩顶，按（2）、（3）步骤架设该跨节段。

（5）按以上步骤施工至第一联最后一孔边跨，完成一联箱梁施工，张拉一联内体内预应力。以上步骤适用于水上施工。

（6）架桥机移至下-联，进行下一联施工，直到该幅桥梁施工完成后，架桥机利用已建成桥梁退回至N1号墩顶，利用横移装置，架桥机横移至另外半幅箱梁，进行施工。施工完成后，拆除架桥机。

（7）待架桥机移走后，即可进行桥面系的施工，如图3所示。

图3 架桥机整跨吊挂

2.2.2 拼装施工要点

1.匹配面涂环氧树脂作为黏结剂，环氧树脂黏结剂的配合比、配制方法、物理力学性能以及固化时间等应由施工单位根据不同的温度等作业条件做相关试验后确定。要注意胶结强度不低于C55混凝土的相应指标，初步固化时间应大于2h，并在24h內完全固化达

到胶结强度，确保涂胶、加压等工序在固化前完成，胶层要均匀，厚度控制在2～3 mm，可利用胶层上下厚度不一或设置垫片等措施调整拼装时的线形误差。

（2）体内预应力管道采用预埋塑料波纹管成孔，在拼接时需妥善处理孔口，可粘贴一块厚约10 mm的经环氧树脂浸泡过的海绵垫圈或其他可靠措施，以防止压浆时漏浆及匹配面处串孔、堵孔现象。

（3）湿接缝段采用定位装置将两侧梁段连接后进行浇筑。焊接定位装置时在预埋件周边混凝土上遮盖湿布或湿麻袋浇水降温，避免烧伤混凝土。

（4）墩梁临时固结体系及体系转换施工。架桥机移动就位前，首先应锁定墩顶支座，使其暂时成为固定支座，并在顺桥向支座两侧设置砂筒和U形预应力进行墩梁临时固结，以保证架桥机的稳定，施工单位应根据架桥机等施工设备及操作情况进行墩梁临时固结设计。

位于临时锚固砂筒底面的墩顶以及与箱梁接触的垫块顶面，必须抹浆刮平，并注意纵坡影响，以确保砂筒与箱梁底面密贴。

3 结语

这种类型的结构受架桥机承载能力的影响，单跨跨度一般不超过50 m，它具有施工速度快、施工简易、施工质量易于控制的优点。同时，由于预制块件小、容易运输，施工时对周围环境影响小，对于长大跨径江河桥梁引桥、城市高架桥等工程，具有很好的推广应用前景。

参考文献：

[1]徐栋.桥梁体外预应力设计技术[m].北京：人民交通出版社，2008.