节段预制拼装桥梁耐久性设计要点研究

陈涛

（深圳市市政设计研究院有限公司合肥设计院，合肥 230011）

1 引言

桥梁节段预制拼装技术主要是将梁体进行不同节段的划分，事先进行预制、拼装形成整体结构的施工方法。常见的节段预制拼装技术主要分为预制法、拼装法，前者可分为长线法、短线法预制，拼装法则有悬臂拼装和逐孔拼装两类。对桥梁使用耐久性影响较大的多为预制阶段的节段不同参数，其中，节段匹配预制中的混凝土水化热温度梯度容易产生结构纵向变形，继而造成后续桥梁施工线性、结构稳定性不满足要求。为此，预制阶段结构水化热变形分析对于确保桥梁使用质量具有重要意义。

2 节段预制拼装的耐久性

2.1 节段预制拼装

长线法节段预制则是将不同划分梁端固定在预制场台座模板内进行相邻梁端的浇筑，其台座稳定可靠，梁端成型后具备良好的线性；短线法预制则是先将梁体进行短节段的划分，并且对影响梁体变形的因素进行分析，控制预制台座坐标及优化梁端平面高程标高，采取模板逐块匹配及流水生产方式整体成型，短线法具备场地空间要求小的优点，但是对于施工操作的精度要求较高，是目前应用最广的预制技术[1]。节段拼装则主要采取悬臂拼装和逐孔拼装两种方法，悬臂拼装技术适用于跨径60～120 m 桥梁结构，可具体分为上行式架桥机、悬臂吊机拼装形式，国内较大数量的桥梁结构多采取短线法预制、悬臂吊机安装技术；逐孔拼装则主要使用跨径30～50 m的桥梁结构[2]。

2.2 耐久性分析

梁段匹配预制阶段的混凝土浇筑水化热极为显著，这主要归因于水泥成分内部矿物水化过程中存在较大的能量释放，水化热量难以快速充分排放到混凝土体外，混凝土内部热量积聚而导致温度提升，引发混凝土在温度差下的变形。当结构内部应力超过自身抗拉强度时，则会产生混凝土开裂，造成结构耐久性下降。节段箱梁短线法预制过程中，主要采取前一节段箱梁作为边界模板，后续拼装梁端则需要在侧模、底模、端模、匹配段之间进行浇筑。拼装段新浇筑混凝土水化热极容易造成不同梁段之间的温度梯度，由不同区域温度应力差而造成结构较大的弓形状变形，混凝土浇筑凝结稳定之后，匹配段混凝土的变形较小，而新浇筑段接缝面则表现为弯曲状，如图1 所示[3]。变形产生的结构空隙会造成结构施工线性误差、内部应力集中现象，引发桥梁使用耐久性丧失。

图1 短线法预制变形

3 工程概况

合肥市某三跨连续刚构设计跨径60 m+120 m+60 m，设计全长240 m，双向4 车道设计，设计车速60 km/h，桥梁设计宽度15 m：栏杆（0.5 m）+车行道（2×3.5 m）+车行道（2×3.5 m）+栏杆（0.5 m），桥梁上部结构设计为单箱单室箱梁构造，沿桥梁纵向等截面设计，箱梁顶板宽度设计15 m，底板宽度6 m，高度3 m，具体如图2 所示。项目拟采取短线法进行梁段预制，预制节段长度设计为2.5 m，设计单位需开展不同预制梁段长度下的结构耐久性分析[4]。

图2 刚构桥箱型断面参数（单位：mm）

4 有限元分析

4.1 模型构建

项目采取ANSYS 软件构建三维有限元模型，其中箱梁结构主要采取热单元（Solid70）模拟，且不同梁段拼装机边界支撑采取Link 33 单元模拟。单元温度计算则采取水化热荷载施加，单步运行1 h，对前100 h 进行计算来获取；结构受力分析则需要将上述模拟热单元进行结构分析的转换，将单元温度作为荷载进行结构施加，最终获取箱梁不同变形效果。箱梁匹配段、拼装段模型构建如图3 所示。模型中混凝土等级C50，配合比设计为水泥：水：砂：石：外加剂=495：155：702：1051：3.85；混凝土泊松比设计为0.17，弹性模量3.6×1010N/m2；混凝土浇筑温度22 ℃，混凝土热力学参数如下：比热容925 J/（kg•℃）；热膨胀系数0.7×10-5/℃；导热系数9.6 kJ/（m•h•℃）。依据相关统计资料表明，区域混凝土最高生热率在20 h 时为最大值[5]。

图3 预制有限元模型示意图

4.2 边界条件

短线法预制浇筑混凝土阶段需要开展结构热分析，对结构不同温度梯度分布情况进行研究。拼装混凝土浇筑温度为22 ℃，环境温度为22 ℃，浇筑混凝土水化热提供全部热量，并且进行周围热传导；环境风速较慢，为1 m/s；混凝土养护覆盖膜厚度2.5 mm。则通过计算可知混凝土热分析边界条件如下：新浇筑拼装段混凝土散热系数22.1 kJ/（m2•h•℃），匹配段混凝土散热系数36.5 kJ/（m2•h•℃）。

4.3 结果分析

4.3.1 温度分布

有限元模型热力计算经100 h 模拟可获取匹配段、拼装段结构温度分布情况。研究结果表明，混凝土浇筑10 h 后结构达到终凝状态，且预制节段最高温度为41 ℃，出现在结构内部，结构外表面最高温度则为35 ℃；混凝土浇筑时间达到15 h时，出现混凝土最高温度，结构内外温度最大值分别为55 ℃、48 ℃[6]。

4.3.2 变形分析

短线法匹配梁段和新浇筑梁段产生的温度差会形成弓形变形，变形主要产生在新浇筑梁段的混凝土终凝前。图4 为不同时间段向量顶板位置纵向变形发展情况，结果表明，随着距离浇筑时间的不断增大，顶板变形也在不断增大，其中浇筑10 h 达到混凝土终凝时具备最为平缓的结构纵向变形，且当时间超过10 h 时，其弓形变形较为明显，且变形幅度得到有效减缓；结构至20 h 时存在的最大纵向变形达到了2.6 mm，变形空隙最大则达到了0.7 mm。

图4 不同时间段向量顶板位置纵向变形发展情况

4.3.3 宽长比

项目为分析不同预制节段长度对耐久性影响，设定箱梁截面不同宽长比结构模型，对其开展混凝土浇筑后10 h 达到终凝状态下的顶板纵向变形分析。其中，项目宽长比分别为4、5、6、7，初始设计宽长比w/l为6，图5 为10 h 顶板纵向变形及结构空隙随宽长比变化发展情况。研究结果表明，宽长比越小，结构变形也小，弓形变形越不明显；变形空隙值随宽长比增大而不断增大，宽长比在4～5 内时，变形空隙相对较小，且变化幅度较为平缓。由此可知，短线法预制梁段宽长比尽量控制在4～5 之内，此时具备较小的顶板纵向变形及顶板变形空隙，有助于施工阶段线性平顺及结构耐久性[7]。

图5 10 h 顶板纵向变形及结构空隙随宽长比变化

5 结语

我国大跨度桥梁建设多穿越江河、丘壑等复杂地质，此时，相较于一般施工技术，节段预制拼装技术具备施工简便、成本较少等应用优势。节段预制拼装桥梁耐久性分析是一个重要研究课题，梁段预制阶段水化热是影响桥梁耐久性的重要因素，本文依托具体工程项目开展短线法预制节段水化热温度梯度分析，并且对不同宽长比下结构变形情况进行对比，获取有效结果，即预制梁段宽长比控制在4～5 时具备良好的顶板变形及较小的变形空隙。本文所做研究为结构耐久性防护提供理论支撑。