节段预制拼装桥梁耐久性设计要点研究

丁 巍,喻 钊

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430000）

0 引言

节段预制拼装技术在国内较多的桥梁工程建设中得到了应用，相对于传统的支架现浇技术，节段预制拼装施工能够有效确保施工质量，减少20%以上的施工成本。桥梁工程节段预制拼装技术需要分析结构使用耐久性，尤其在节段预制过程中需要重点考虑水化热温度梯度变化造成的弓形变形，前期较大的温度变形极容易造成后续拼装桥梁结构刚度减弱、内部应力分布不均等耐久性丧失的情况。因此，针对桥梁预制节段构件尺寸、环境散热、水泥类型进行水化热变形影响分析是确保桥梁结构整体工作性能的关键，具有重要的社会经济意义。

1 节段预制拼装桥梁施工

1.1 节段预制

节段预制拼装施工技术需要对梁体进行不同节段的划分，梁场预制之后则需要进行现场梁体拼装、接缝连接、预应力施加，最终形成一体化的桥梁结构。桥梁节段预制工作是后续拼装开展的重要基础，节段预制方法选取需要充分结合施工特点、技术设备、预制场空间等进行，可依据分段长度的不同分为短线法和长线法。长线法是在台座上进行所有梁段的模板浇筑，选取隔离剂对梁段缝面进行涂抹，相邻梁段之间贴合浇筑。长线法预制具备良好的线形，但是场地空间要求较高，预制工作量也较大；短线法则需要事先将梁体进行小段划分，进行成桥整体坐标和局部坐标的转换，依据前段梁开展相邻梁段高程、平面位置的调整，实现不同梁段的匹配预制和流水化生产。短线法不需要较大的场地空间就可以进行操作，且现场不需要移动浇筑设备及模板，施工精度要求较高，操作难度偏大[1]。

1.2 节段拼装

节段拼装依据桥梁跨数及跨径的不同可以采取以下两种方法：悬臂拼装、逐孔整体拼装，前者主要应用于大孔径结构，后者主要适应于50 m以内跨径结构。其中，悬臂拼装技术的使用范围较广，依据安装方式不同，悬臂拼装方法可分为上行式架桥机拼装和悬臂吊机安装两种。

1.3 耐久性

桥梁结构耐久性影响因素较多，桥梁耐久性为桥梁结构在使用寿命内维修养护费用不大于预算情况下，就能够满足其安全性、使用功能、维持外观等能力。桥梁耐久性和预制过程密切相关，结构预制阶段混凝土拌和过程中的水化热直接决定了桥梁整体结构的使用功能。预制水化热如果不及时排出混凝土结构外，则会导致内部混凝土热量快速集中，此时如果不采取内部降热措施，且环境风速较快、混凝土外表面散热速度较大，则会造成混凝土内外热量差异的持续增大，在结构内外温差较大情况下会促使内部混凝土体积膨胀和开裂。梁段预制施工完成之后不采取合理养护，也会造成表层裂缝的深层发展，对于结构性能造成不良影响。预制梁场多采取短线法进行预制匹配，相邻梁段在侧模、底模、端模、匹配段之间开展浇筑。新浇筑混凝土产生的水化热极容易和匹配段之间形成较大的温度差，由此引发的区域变形具有明显变化，匹配段弓形变形也会产生，而新浇筑段在终凝前的形状则会随着匹配段相互适应。新浇筑段模板拆除之后，端模面则保持平整性，接缝面弯曲程度较为明显，最大位移值可达到3 mm以上，超过规范允许平整度误差，对施工安全稳定性影响极大[2]。

2 工程水化热影响分析

2.1 模型概述

武汉市某箱形桥梁结构为连续刚构形式，单室单箱，桥梁跨径4×40 m。项目选取一联跨中节段作为水化热分析结构，该节段箱梁顶板宽度达到了15 m，底板宽度6 m，高度3 m，节段纵向长度3 m，箱梁截面具体尺寸如图1（a）所示。项目采取ANSYS有限元软件预制梁段的瞬态热分析，箱梁模拟单元为solid70三维热单元，边界支撑单元和节段连接单元采取link33，水化热荷载施加每步为1 h，需计算前100 h，最终进行单元温度计算。后续结构受力分析则需要将热单元进行结构分析单元（link10，solid65）的转换，并且将单元温度作为施加体荷载，获取结构应力和变形结果。模型模拟混凝土参数如下：强度等级C60，密度2 350 kg/m3，混凝土弹性模量3.6×104MPa，泊松比0.17，比热容930 J/kg·℃，热膨胀系数0.8×10-5/℃，导热系数9 500 J/（m·h·℃），浇注温度20 ℃，浇筑20 h后达到最高生热率2.3 W/kg[3]。混凝土配合比设计如表1所示，该文构建预制梁段有限元模型如图1（b）所示。

图1 梁段水化热模型

表1 混凝土配合比设计

2.2 边界

ANSYS有限元热分析过程中，设定边界条件如下：环境温度、浇筑入模温度为20 ℃，新浇筑段水化反应提供全部热量，并且由新浇筑段往周围环境、匹配段进行扩散，匹配段、新浇筑段外表面不发热、只散热，匹配段外表面散热系数设定为35 kJ/（m2·h·℃），新浇筑段混凝土表面进行保温层/模板覆盖时，等效散热系数设定为22 kJ/（m2·h·℃）。

2.3 计算结果分析

2.3.1 温度梯度

依据有限元前100 h计算获取的变形和温度分布情况，可知混凝土终凝状态产生在浇筑10 h后，梁段内表面温度达到了40 ℃，外表面最高温度为38 ℃；混凝土浇筑25 h之后，浇筑段混凝土温度达到最大值，内部温度为70 ℃，外表面温度为60 ℃。不同时段的温度梯度变化情况如图2所示，结果表明，10 h纵向温度差值为2 ℃，25 h纵向温度差值达到了50 ℃[4]。

图2 腹板纵向温度变化

2.3.2 变形分析

匹配段和新浇筑段的温度梯度会造成预制节段的弓形变形，新浇筑段混凝土在终凝前的形状会随着匹配段形状产生变化。图3为匹配段顶板不同时间的纵向变形变化情况，节段最终形状由终凝状态变形所决定。该文重点分析10 h浇筑后的节段变形，其节段宽长比15 m/3 m=5，此时终凝弓形变形的空隙值达到了0.6 mm[5]。

图3 匹配段顶板纵向变形

3 节段匹配变形影响因素分析

3.1 宽长比

该文设定节段长度分别为4 m、2 m、1.5 m，保持箱梁宽度15 m不变，对不同宽长比W/L（3.75、7.5、10）下10 h终凝弓形变形进行分析。节段纵向变形随宽长比变化如图4（a）所示，结果表明，节段弓形变形随着宽长比的增大愈加明显；宽长比和变形空隙之间的关系如图4（b），当宽长比小于5时，变形空隙较小，宽长比大于5时，变形空隙增大较为激烈；宽长比为10时，变形空隙为2.3 mm，依据我国相关技术规范可知，节段预制平整度误差最大值不超过5 mm，为此，预制阶段尽量避免采取宽长比过大的节段。

图4 节段纵向变形随宽长比变化

3.2 水泥类型

考虑到混凝土配合比设计采取的普通硅酸盐水泥具备较大的水化热，项目可采取活性掺合料来取代部分水泥，最终降低水化热。该文采取等质量矿渣粉替代水泥，设计比例为：水泥∶矿渣=13.7∶1.9，该设计比例的节段匹配阶段的水化热温度10 h终凝下最高为22 ℃，温度梯度明显要比纯水泥要小，且新浇筑硬化全过程最高温度出现在35 h，要晚于普通水泥10 h，全过程最高温度降低5 ℃；图5为矿渣水泥和普通水泥纵向变形分布对比，结果表明，矿渣水泥能够有效弱化匹配节段弓形变形，且最大弓形空隙小于0.1 mm，可忽略不计，使用矿渣可以有效降低水化热影响[6]。

图5 不同水泥纵向变形

3.3 环境影响

新浇筑节段浇筑完成之后，控制环境温度下降5 ℃，则10 h节段温度分布明显下降；在前基础上控制场地风速10 m/s，10 h终凝节段不同部位温度下降明显。两种环境下10 h腹板附近纵向温度变化如图6（a）所示，结果表明，高风速和环境温度下降都会造成整体温度的减小，扩大温度梯度，温差最大达到了22 ℃[7]；图6（b）为不同环境下10 h节段纵向变形。结果表明，降温、高风速下的弓形变形空隙有所减小，仅降温情况下的弓形变形空隙保持不变。

图6 腹板纵向温度、变形变化

4 总结

随着我国桥梁建设工程的不断发展，预制节段拼装技术得到了大规模应用。该技术主要将桥梁进行不同节段的划分，之后在梁场预制进行现场拼装，继而施加预应力形成整体桥梁结构。箱梁节段预制拼装技术具有重要发展前景，该文依托实际工程开展单箱单室箱形桥梁预制阶段水化热、弓形变形分析，为桥梁结构耐久性控制提供依据。该文获得以下结论：预制节段存在较小弓形变形时，结构内部应力增大较为明显，引发结构整体刚度变化；节段宽长比和变形之间的关系极为敏感，宽长比10会产生较大的变形空隙；掺矿渣水泥能够有效弱化变形及水化热，在新浇筑混凝土凝结过程中，需要做好保温保湿处理。实际预制施工中，需要尽量选取长度合理的节段，优化水泥品种，确保箱梁耐久性。