17刘红卫-南水北调大桥施加预应力方法的比较.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 南水北调大桥施加预应力方法的比较 刘红卫 郝俊瑞 张新 （河北省交通勘察设计研究院 科研分院，河北，石家庄，050011） （石家庄冀星路桥工程技术有限公司，河北，石家庄，050091） 摘 要张石高速公路南水北调大桥为406040m预应力混凝土变截面连续梁，施工图设计过程中，由于种种原因，结构设计多次变化，预应力的施加方法也有较大差别。本文对悬臂浇筑法，满堂支架的分次张拉法及满堂支架的一次张拉法的设计构思及其各种方法的应力、经济性进行综合比较。指出这三种方法各自的优缺点及设计和施工的要点。 关键词预应力混凝土连续梁，悬臂浇筑，支架分次张拉，支架一次张拉，应力状态 1 概述 张（家口）石（家庄）高速公路石家庄段须跨越国家重点工程南水北调工程，桥址处为规划断面，南水北调工程尚未实施。本桥跨径为406040m，按双幅错孔布置。上部结构为预应力混凝土变截面连续箱梁，下部结构为钢筋混凝土Y形墩，肋板桥台，基础均为钻孔摩擦桩。 桥上两侧均为钢筋混凝土墙式防撞护栏，桥面铺装为10cm的沥青混凝土，设计荷载为公路-Ⅰ级。 第一次设计时，考虑到南水北调工程实施的影响，按悬臂浇筑施工方法进行结构设计，后因南水北调工程滞后，建设单位建议改为了满堂支架法。第二次设计时，为减少预应力损失，预应力按两次施加，后由于南水北调工程进度加快的影响，为缩短工期，赶在南水北调工程实施前完成本桥的主体工程，带来了第三次设计，也就是按整体支架法一次浇注一次张拉方案进行。三次设计的箱梁断面均不同，两个支架法的施工方案配索方式也有差别。现分别介绍如下。 2 悬臂浇筑法 箱梁断面采用单箱单室（图1-1、1-2），支点梁高3.5m，跨中梁高1.8m；支点腹板厚0.70m，跨中腹板厚0.55m；支点底板厚0.50m，跨中底板厚0.25m；梁高及底板均按二次抛物线变化；顶板厚度0.28m。 刘红卫，男，1968生 工学硕士，总工程师。 图1-1 跨中截面 图1-2 支点截面 采用三向预应力，纵、横向预应力采用φs15.2mm的高强度、低松弛的1860MPa钢绞线，竖向预应力采用Φ25mm的精轧螺纹钢筋。 0号块长6.0m，悬浇段纵向分6个阶段进行；边跨直线现浇段长9.0m，边、中跨的合拢段长2.0m。 纵向钢束的顶板悬浇束T索采用15φs15.2；腹板束WC索采用15φs15.2，在02号块范围内设置；顶板连续束TS索采用15φs15.2；底板连续束中跨CBS索采用19φs15.2，端跨SBS索采用21φs15.2。均采用YM锚具。 横向钢束采用3φs15.2，采用BM锚具。 竖向预应力钢筋设置在腹板内，间距50cm左右，其中在03号块范围内设置两根，中横梁处亦设置两根。采用YGM-25锚具。 施工阶段完成后中跨跨中截面正应力上缘应力4.583MPa，下缘应力6.651MPa； 使用阶段该截面正应力上缘应力5.365MPa，下缘应力7.637MPa； 3 满堂支架两次张拉法 箱梁断面采用单箱三室（图2-1、2-2），支点梁高3.0m，跨中梁高1.5m；支点腹板厚0.80m，跨中腹板厚0.40m；支点底板0.50m，跨中底板0.20m；支点顶板厚0.55m，跨中顶板厚0.25m；梁高按二次抛物线变化。 图2-1 跨中截面 图2-2 支点截面 采用纵向预应力，预应力采用φs15.2mm的高强度、低松弛的1860MPa钢绞线。 预应力分两次施加，两次浇注的分界线在距离中支点12m（0.2倍的中跨长）处，纵向束采用腹板通长束，在分段处采用连接器接长，中跨底板设置局部底板短束。 腹板通长束中跨F索采用15φs15.2，端跨F索采用17φs15.2，每个腹板设置6束，在这种配束的方式下，仅中跨的下缘应力不够，因此，在中跨底板设置了局部短束D1索15φs15.2，D2索19φs15.2，D3索7φs15.2，均采用YM锚具。 横向采用普通钢筋，横梁也为普通钢筋混凝土构件， 施工阶段完成后中跨跨中截面正应力上缘应力14.6MPa，下缘应力5.34MPa； 使用阶段该截面正应力上缘应力12.4MPa，下缘应力4.11MPa； 4 满堂支架一次张拉法 箱梁断面采用单箱双室（图3-1、3-2），支点梁高3.0m，跨中梁高1.5m；支点腹板厚0.80m，跨中腹板厚0.50m；支点底板0.50m，跨中底板0.20m；支点顶板厚0.55m，跨中顶板厚0.25m；梁高按二次抛物线变化。 图3-1 跨中截面 图3-2 支点截面 采用纵向预应力，预应力采用φs15.2mm的高强度、低松弛的1860MPa钢绞线。 预应力一次施加完成，纵向束采用腹板通长束，中跨底板设置底板束。 腹板束F索采用19φs15.2，每个腹板设置6束；中支点增加顶板负弯矩T索采用9φs15.2；中跨底板增加正弯矩束D1索12φs15.2，D2索15φs15.2，D3索9φs15.2，均采用YM锚具。 本方案中，横梁处也施加了预应力，其中中横梁按全预应力构件设计，共设置13束17φs15.2，采用YM锚具；端横梁按部分预应力B类构件设计，设置了3束5φs15.2的横向直束，采用BM锚具。 施工阶段完成后中跨跨中截面正应力上缘应力9.97MPa，下缘应力10.5MPa； 使用阶段该截面正应力上缘应力9.6MPa，下缘应力7.8MPa。 5 各种方案的比较 各方案的上部结构每平方米桥面主要材料用量表如下 上部结构材料指标表 方案名称 施工方法 混凝土 （m3/m2） 钢绞线 （Kg/m2） 高强钢筋 （Kg/m2） 普通钢筋 （Kg/m2） 方案一 挂蓝悬臂浇筑 0.74 34.57 3.47 148.6 方案二 支架分次张拉 0.82 30.54 - 173.8 方案三 支架一次张拉 0.68 30.69 - 139.8 注立方混凝土钢绞线指标方案一，46.7 Kg/m3；方案二，37.2 Kg/m3；方案三，45.1 Kg/m3。 从上部建筑高度看，方案一的支点梁高3.5m，跨中梁高1.8m；方案二、三的支点梁高3.0m，跨中梁高1.5m，有明显优势。 从材料用量来讲，方案三最佳，方案一最差；从应力状态来看，方案三最佳，方案二最差。从施工方法来看，方案三最简单，施工周期最短，方案一最复杂，施工周期最长；从施工对下部的影响看，方案一、二对下部影响大，施工时，需要搭设影响桥梁下部的支架，方案三对下部影响较小。 由于本桥高度，在南水北调渠道未实施时，桥梁高度11m，当其实施后，则会达到17m左右。因此支架的处理是有些难度的。 各方案全桥的综合建安费用如下表 全桥建安费用表 方案名称 施工方法 建安费用（元） 指标（元/m2） 方案一 挂蓝悬臂浇筑 3013.7 方案二 支架分次张拉 2034.6 方案三 支架一次张拉 2845.9 6 结论 从上述分析看出，当施工条件具备时，采用满堂支架的现浇结构是比较经济的，尤其是采用支架分段张拉的工艺，比悬臂浇筑的和支架一次浇筑减少材料用量，施工比悬臂浇筑简单的多，但应力状态比一次浇筑的要好，是一种首选的方案。诚然，如果施工时确实受到较多的制约和干扰，也可以采用本文中的方案一、方案三。设计人员在进行设计时，应权衡具体项目进度、影响条件、经济性等方面的影响。避免在施工图阶段出现结构方案的变更，造成不必要的设计资源的浪费。