重庆华岩隧道西延伸段全体外预应力节段箱梁的设计与施工

杜春林，吴世曾，孙 林

（重庆市市政设计研究院，重庆市 400020）

1 工程概况

华岩隧道西延伸段是重庆快速路二联络线的一部分，快速路二联络线西起于绕城高速，向东延伸，穿华岩隧道以后，终点接入快速路三纵线。华岩隧道西延伸段是形成重庆主城城市快速路网体系和完善片区路网结构的重要组成部分。主线高架桥起点桩号为K5+725.596，终点桩号为K7+457.722，主线高架桥全长1731.77 m，标准段桥宽为25.0 m，分左右两幅，两幅桥中间设置隔离栏。其中第三至八、十一至十四联为节段预制拼装箱梁，有3×30 m一联和4×30 m一联两种类型，其余联采用现浇箱梁[1]。

2 主要技术标准

道路等级：城市主干道；

桥梁设计基准期：100 a；

结构设计使用年限：100 a；

设计安全等级：一级；

结构重要性系数1.1；

设计荷载：城—A级；

桥下净空：不小于4.5 m；

地震基本烈度：6度，按7度构造设防；

地震动加速度峰值：0.05g；

抗震设防类别：C类；

环境类别：Ⅰ类环境；

主梁混凝土浇筑温度：17℃～25℃；

均匀温变荷载：按照升降温25℃考虑。

3 节段箱梁结构设计

3.1 节段划分和截面设计

单跨分为A～J共10个节段，节段划分见图1，尺寸参数见表1。主梁采用C50混凝土。

图1 箱梁首跨纵向节段划分（单位：cm）

表1箱梁首跨节段划分参数表

标准段箱梁采用单箱单室截面（见图2），混凝土箱梁顶板宽为12.15 m，底板宽6.15 m，梁高2.0 m，悬臂3.0 m；主梁顶板厚22cm，底板厚25 cm，跨中截面腹板厚35 cm，腹板厚度由跨中向支点渐变2次，分别为由35 cm渐变为56 cm，再由56 cm渐变为70 cm，为方便施工，腹板渐变采用台阶状渐变方式。

图2 箱梁跨中标准段断面（单位：cm）

3.2 剪力键

剪力键的主要作用是在节段拼装时协助镶嵌对接定位，在成桥后传递接缝截面的剪力。剪力键由最初的大尺寸单齿键模式逐渐发展到在箱梁截面的各个部分分散设置多个较小尺寸的剪力键模式（即密齿型剪力键）。本项目采用在腹板、顶板、底板及腹板与顶底板结合区均设置剪力键的密齿型剪力键布置方式，剪力键在各部位均匀布置。剪力键设置为凹凸密接的棱台状，该形状可方便预制时脱模、拼接时镶嵌对接以及挤出多余的环氧胶（胶接缝）[2-3]。

腹板剪力键：每个腹板布置7个剪力键，剪力键的高度（键齿厚度）为40 mm，剪力键的高度与平均宽度的比为0.53，截面编号1、2、3截面（见图3）的剪力键宽度占腹板宽度的比例分别为85%、90.625%、85%。，剪力键的竖向间距为150 mm，为剪力键高度的3.75倍。

图3 2号截面剪力键布置图（单位：mm）

3.3 体外预应力钢束

3.3.1预应力钢束选择

节段箱梁主梁按全预应力结构设计，体外预应力钢束采用填充型环氧涂层钢绞线。腹板钢束采用15-27和15-31两种，负弯矩钢束采用15-19，抗拉强度fpk=1860 MPa，根据受力需要，张拉控制应力采用0.7 fpk和0.6 fpk两种，即1302 MPa和1116 MPa，张拉方式采用单端张拉。体外预应力采用单跨锚固，在中横梁处交叉锚固，锚具采用专用锚具。

3.3.2 全体外预应力结构的优点

（1）由于在箱梁腹板内不设预应力管道，同时体外索又能抵抗腹板的剪力，因而腹板厚度可以得到有效减小，上部结构自重也会随着减轻，相应地则可减少下部结构工程数量，可适当降低造价。同时截面尺寸减小，可相应提高箱梁的压应力储备，提高钢束使用效率。

（2）体外索仅在锚固区和转向块处与结构相连，摩阻损失可以明显减小，提高了预应力的效益。

（3）箱梁体内不设置体外索，使普通钢筋布置容易，因而使施工工艺简化，提高工作效率，并提高工程质量。

（4）不存在灌浆施工工序，有效缩短施工工期。

（5）相比体内索，体外索不存在接缝漏浆或灌浆不饱满从而影响体内钢束耐久性的问题，并且体外索后期可调可换，可有效改善后期由长期收缩徐变产生的下挠，提高箱梁耐久性。

3.4 转向块

体外预应力钢束的转向构造分为块式、横肋式、竖肋式和横梁式[2-4]。本项目采用竖肋式转向块，一跨内设置2个转向块，根据实际受力确定转向块的布置位置，最终确定边跨两转向块间距为12.5 m（见图4），中跨两个转向块距离该跨跨中均为5 m。转向块底部设置了围绕转向器的加强环箍，箍筋纵向间距为10 cm（见图5）。

图4 转向块处梁段基本尺寸（单位：cm）

图5 转向块环形箍筋

3.5 锚固横梁和锚固齿块

本项目采用的体外预应力锚固构造主要有锚固横梁及锚固齿板两种方式，见图6。

图6 锚固构造示意

端横梁锚固块及负弯矩齿板锚固块尺寸分别见图7、图8。其中，端横梁厚度为1.5 m，中横梁厚度为1.8 m。

图7 端横梁锚固区（单位：cm）

图8 齿板锚固区（单位：cm）

3.6 接缝

节段梁的接缝有胶接缝、干接缝及湿接缝三种。干接缝施工较方便。相比干接缝，胶接缝节段梁具有承载能力极限状态性能较好、正常使用阶段接缝受力较均匀，接缝抗环境和化学作用耐久性较好的特点。本项目采用胶接缝和湿接缝两种接缝类型。胶接缝为双面涂胶，每面环氧树脂厚度为2 mm。

4 结构计算

4.1 计算依据和内容

目前国内还没有正式的针对城市节段拼装箱梁的设计规范，本项目设计时以普通预应力桥梁设计相关规范为基本依据，同时参考国内外相关资料进行计算。参考的主要规范有：美国AASHTO《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》（1999）、《公路体外预应力混凝土桥梁设计指南》（送审稿）和《预应力混凝土桥梁预制节段逐跨拼装施工技术规程》（CJJ/T 111—2006）等。

本项目在总结国内外已有经验的基础上，进行了桥梁整体计算分析和局部实体有限元分析，整体计算主要包括持久状况承载能力极限状态计算、持久状况正常使用极限状态计算以及持久状况和短暂状况构件的应力计算等，局部分析主要是围绕剪力键、锚固块和转向块进行。本项目整体计算和局部有限元分析均表明设计受力合理，具有较大的安全储备。

4.2 整体计算关键问题

预制节段箱梁整体计算与整体现浇梁计算大体相同，但也存在一定差异。主要差异有抗弯抗剪强度的折减，接缝截面抗剪承载力的计算。

（1）抗弯抗剪及接缝强度的折减

节段预制拼装箱梁由于有接缝的存在以及普通钢筋在接缝处断开，使得主梁的刚度减小，因此极限状态的强度与整体现浇箱梁有所差异，美国AASHTO《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》（1999），考虑预应力筋的粘结状态和接缝类型给出了普通混凝土和轻质混凝土桥梁的抗弯、抗剪以及接缝强度的折减系数，见表2。

表2 节段预制拼装箱梁折减系数[6]

本项目节段箱梁按照无粘结体外预应力进行设计，接缝为胶接缝，故抗弯折减系数为0.90，抗剪折减系数为0.85。

（2）接缝截面抗剪承载力验算

国内外试验研究表明，在剪力和弯矩的共同作用下，节段梁接缝可能因消压而开展，从而发生剪切破坏[3]，故应对接缝截面的抗剪承载力进行验算。本项目按照《公路体外预应力混凝土桥梁设计指南》（送审稿）给出的接缝截面抗剪承载力公式进行计算。

4.3 局部计算关键问题

（1）转向块的计算

采用有限元模型和简化模型两种方法对转向块进行局部计算分析。其中简化模型方法参照《公路体外预应力混凝土桥梁设计指南》（送审稿），采用拉压杆简化模型计算转向块的上拔抗拉承载力，采用抗剪承载力计算模型计算潜在开裂面的承载力。

（2）锚固横梁的计算

任何锚固横梁的受力均可分为局部承压区的受力特性和横梁内侧的深梁受弯受力特性，因此，锚固横梁的配筋也主要分为局部承压配筋和锚固横梁内侧表面受拉钢筋配置[5]。局部承压的设计方法成熟，且大部分属于构造配筋，而对于锚固横梁内侧表面配筋设计，目前国内外均利用拉压杆模型法进行，拉压杆模型法容易理解且形象直观，被许多规范采用作为配筋设计方法，但其过程仍然比较繁琐。本项目锚固横梁采用基于应力的配筋方法进行配筋计算。采用ANSYS进行分析，将横梁视作由很多薄片（可取0.1 m一片）组成，在模型中可得到横梁内侧各任意截面的拉应力值，偏安全地认为各截面上的最大拉应力在该截面所代表的宽度为横梁宽度、厚度为0.1 m的实体薄片上均匀分布，则可得出各薄片结构在箱梁横向和竖向方向上的拉力，再依据此拉力可以得出钢筋的配置面积。

如图9、10所示，端横梁最内侧处（靠近跨中一侧）竖向拉应力较横向应力大，因此配筋设计时竖向配筋应强于横向配筋，其余部位应类似进行分析。

图9 端横梁最内侧处竖向应力（单位：MPa）

图10 中横梁最内侧处横向应力（单位：MPa）

5 节段箱梁施工

节段箱梁的施工包括节段箱梁的预制和节段箱梁的拼装。

5.1 节段箱梁的预制

本项目中，节段箱梁采用短线法预制（见图11）。预制施工主要流程包括：钢筋笼绑扎、模板调整、钢筋骨架及预埋件安装、浇筑混凝土、拆模及养护、梁段起吊移存等。

图11 预制梁场照片

5.2 节段箱梁拼装主要流程

按照逐跨拼装[7]的方式进行节段梁的拼装，主要施工流程见图12和表3。

图12 节段拼装现场照片

表3 节段箱梁拼装施工流程

5.3 临时预应力

预制节段拼装时，需要在箱梁顶底板设置临时张拉台座，见图13（考虑到箱梁内施工搬运钢台座较为困难，箱内台座采用混凝土台座）。临时预应力筋采用直径32 mm精轧螺纹钢筋。涂胶完成后张拉临时预应力，使得接缝产生0.3 MPa压应力以便于环氧树脂胶的凝固。

图13 临时预应力布置示意（单位：cm）

6 结 语

以重庆首个节段拼装项目华岩隧道西延伸段节段箱梁为例，对3×30 m全体外预应力节段拼装箱梁的设计和施工进行了总结分析，可为工程建设中推广预制拼装技术提供参考和借鉴。预制节段拼装桥梁具有施工快速、质量可靠和耐久、环保等优点，同时采用全体外预应力技术，更具有方便检查、可更换、降低造价和耐久性好等优点。但还没有正式的针对城市节段拼装箱梁的设计规范，为方便和规范该类桥梁的设计，有必要制定国家或行业标准，供工程技术人员参考。