预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁及其施工方法
阅读说明:本技术 预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁及其施工方法 (Prestressed steel beam connected prefabricated small box girder type hidden cover beam and construction method thereof ) 是由 徐声亮 陈巨峰 奚康 于 2021-03-19 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁及其施工方法。预制小箱梁式隐盖梁包括预制小箱梁、现浇隐式盖梁及预应力体系,预制小箱梁的端头与现浇隐式盖梁之间具有呈多突式齿块咬合的预制-现浇界面,预应力体系包括体内预应力体系以及体外预应力体系;体内预应力体系包括若干根体内预应力钢束,各体内预应力钢束的锚固点均设置于预制小箱梁的腹板端部并沿着预制小箱梁的腹板高度方向分布;体外预应力体系包括若干根体外预应力钢束;各体外预应力钢束与预制小箱梁的腹板之间存在倾角α。由此可知,本发明可以提升高架整体高度,满足桥梁局部净空不足,并有效地解决了预制小箱梁与现浇现浇隐式盖梁之间的承载力、变形及耐久性问题。(The invention discloses a precast small box girder type hidden cover beam connected by prestressed steel beams and a construction method thereof. The prefabricated small box girder type hidden cover beam comprises a prefabricated small box girder, a cast-in-place hidden cover beam and a prestress system, wherein a prefabricated-cast-in-place interface in multi-protrusion tooth block engagement is arranged between the end head of the prefabricated small box girder and the cast-in-place hidden cover beam, and the prestress system comprises an in-vivo prestress system and an in-vitro prestress system; the in-vivo prestressed system comprises a plurality of in-vivo prestressed steel bundles, and the anchoring points of the in-vivo prestressed steel bundles are arranged at the end part of the web plate of the prefabricated small box girder and distributed along the height direction of the web plate of the prefabricated small box girder; the external prestress system comprises a plurality of external prestress steel beams; an inclination angle alpha exists between each external prestress steel beam and the web plate of the prefabricated small box girder. Therefore, the invention can improve the overall height of the lifting frame, meets the requirement of insufficient local clearance of the bridge, and effectively solves the problems of bearing capacity, deformation and durability between the prefabricated small box girder and the cast-in-situ hidden cover girder.)
技术领域
本发明公开了一种预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁及其施工方法,属于土木工程设计领域。
背景技术
在国家战略引导、社会及产业发展需求的推动下,桥梁建造技术正朝着装配化、工业化、标准化的方向发展。在城市快速路高架建设中,预制装配式结构逐渐替代现浇结构。一方面,同等跨径下,预制小箱梁的混凝土用量仅为现浇箱梁的50%;在软土地区,预制小箱梁方案的建设成本不到现浇箱梁的75%(下部结构工程量减少,现场地基处理费用取消)(预制小箱梁式的城市高架每平米概算指标约4439元/m2,现浇箱梁每平米概算指标约5944元/m2),具有显著的经济效益(以宁波市为例,2011年竣工的机场路高架,主线上部结构均采用现浇箱梁结构;2015年竣工的南环、北环高架,上部结构75%采用预制小箱梁结构或预制空心板梁,仅曲线段、变宽段、匝道衔接段采用现浇箱梁;2017年启动的机场路高架南延、2018年启动的西洪大桥连接线工程及环城南路西延工程,全线95%采用预制小箱梁(曲线段、变宽段、匝道衔接段均为预制结构),仅通行净空受限段采用现浇箱梁);另一方面,预制小箱梁采用工厂化制造,现场安装的模式,在施工工期、质量控制方面具有显著的优势(工厂制作可以与现场其他结构施工同步,节省工期;工厂采用流水线、标准化作业,较现场作业更容易把控质量)。
然而,预制小箱梁在通行净空方面存在明显的劣势,原因在于常规预制混凝土梁(预制小箱梁)架设在盖梁上,其具体构造参见附图1。当桥面标高一定时,预制混凝土梁方案所需占用净空(预制小箱梁高度+盖梁高度)大于现浇箱梁,故当桥面道路线型确定且桥梁净空受限时,即无法采用预制混凝土梁式体系(除非调整桥面标高,但会影响整个工程道路线型)。
常规的预制混凝土梁结构,在预制小箱梁间设有1道25cm宽的湿接缝,参见附图2。尽管湿接缝与预制小箱梁间无有效的连接,湿接缝位于支座范围内,支座反力呈45°扩散时,大部分反力扩散区位于预制小箱梁区域,故对于常规的预制混凝土梁结构来讲,湿接缝的作用并不用于承担荷载。相反地,对于常规的预制混凝土梁结构来讲,其桥跨部分与横梁部分采用一次浇筑成型,依据大量破坏性试验数据显示,按规范要求设计时,支点附近剪切破坏呈斜截面,故需要依靠密布的箍筋来抑制裂缝开展,参见附图3。
《预制小箱梁中隐盖梁设计关键技术研究》(城市道桥与防洪,2020年第10期)报道了一种预制小箱梁式隐盖梁结构体系,通过有限元分析计算表明,该体系在各类荷载工况下,存在0.42MPa的拉应力,故结构体系需按A类预应力混凝土构件设计。据调查,目前国内城市高架通常按“全预应力混凝土构件”设计,当采用隐式盖梁体系代替现浇箱梁体系时,结构体系的安全状态不应调整。此外,在宁波北环高架建设期间,部分匝道采用基于预制空心板梁的隐式盖梁体系,与上述文献采用相类似的设计方法,在高架运营5年后,隐盖梁接缝区域出现了普遍的竖向裂缝。换言之,如何加强隐盖梁接缝区域承载力,提高隐盖梁接缝区域耐久性,是当前隐式盖梁结构体系在设计阶段必须要加以解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供一种预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁,以提升高架整体高度,满足桥梁局部净空不足,并有效地解决了预制小箱梁与现浇隐式盖梁之间的承载力、变形及耐久性问题。
为实现上述的技术目的,本发明将采取如下的技术方案:
一种预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁,包括沿着顺桥向布置的预制小箱梁、沿着横桥向设置的现浇隐式盖梁以及沿着预制小箱梁腹板方向配置的预应力体系,所述预制小箱梁的端头与现浇隐式盖梁之间具有呈多突式齿块咬合的预制-现浇界面,预应力体系包括体内预应力体系以及体外预应力体系;
所述的体内预应力体系,包括若干根体内预应力钢束,各体内预应力钢束的锚固点均设置于预制小箱梁的腹板端部并沿着预制小箱梁的腹板高度方向分布;
所述的体外预应力体系,包括若干根体外预应力钢束;各体外预应力钢束与预制小箱梁的腹板之间存在倾角α;
当预制小箱梁式隐盖梁处于连续区段时,各体外预应力钢束的中部区域均水平地埋填在现浇隐式盖梁中并沿着现浇隐式盖梁的高度方向分布,且各体外预应力钢束的一端锚固在现浇隐式盖梁一侧的预制小箱梁的底板上,另一端则锚固在现浇隐式盖梁另一侧的预制小箱梁的底板上;
当预制小箱梁式隐盖梁处于简支区段时,各体外预应力钢束的一端锚固在预制小箱梁的顶板上,另一端则锚固于现浇隐式盖梁中。
优选地,当预制小箱梁式隐盖梁处于连续区段时,现浇隐式盖梁的两侧均有预制小箱梁,分别为预制小箱梁a、预制小箱梁b;预制小箱梁a的端头与现浇隐式盖梁之间的预制-现浇界面为预制-现浇界面a,预制小箱梁b的端头与现浇隐式盖梁之间的预制-现浇界面为预制-现浇界面b;
各体外预应力钢束的中部区域均水平地埋填在现浇隐式盖梁中并沿着现浇隐式盖梁的高度方向分布,且各体外预应力钢束的一端分别穿过预制-现浇界面a后,再通过各自对应的转向块a转向,最终锚固在预制小箱梁a的底板上,另一端则分别穿过预制-现浇界面b后,通过各自对应的转向块b转向,最终锚固于预制小箱梁b的底板上;转向块a安装在预制小箱梁a的腹板上,转向块b安装在预制小箱梁b的腹板上。
优选地,所述的转向块a、转向块b均包括腹板外侧钢板、腹板内侧钢板、锚栓钢筋以及张拉垫板;腹板外侧钢板安装在预制小箱梁的腹板内侧,腹板内侧钢板通过锚栓钢筋与腹板外侧钢板连接,张拉垫板与腹板内侧钢板连接,体外预应力钢束穿过张拉垫板上所开设的通孔设置。
优选地,当预制小箱梁式隐盖梁处于简支区段时,各体外预应力钢束的一端依次穿过预制-现浇界面、封锚板后,经转向块转向,最终锚固在预制小箱梁的顶板上;
所述的转向块包括腹板外侧钢板、腹板内侧钢板、锚栓钢筋以及张拉垫板;腹板外侧钢板安装在预制小箱梁的腹板内侧,腹板内侧钢板通过锚栓钢筋与腹板外侧钢板连接,张拉垫板与腹板内侧钢板连接,体外预应力钢束穿过张拉垫板上所开设的通孔设置。
优选地,所述锚栓钢筋的数量为4-6道。
优选地,所述的预制-现浇界面,包括预制小箱梁的端头以及与预制小箱梁的端头咬合的现浇混凝土接缝;其中:
所述预制小箱梁的端头,包括箱梁底板端头、箱梁顶板端头以及位于箱梁底板端头、箱梁顶板端头之间的两块箱梁腹板端头;箱梁底板端头的外侧面与箱梁顶板端头的外侧面处于同一平面内;两块箱梁腹板端头的外侧设置有若干腹板凸齿;所述的腹板凸齿中,处于最上方的腹板凸齿,上端起始于箱梁顶板端头的外侧面,下端跨过箱梁顶板端头、箱梁腹板端头的连接界限后,止于箱梁腹板端头的外侧面,余下的各腹板凸齿,均设置于箱梁腹板端头的外侧面。
优选地,腹板凸齿的数量与体外预应力钢束的数目匹配。
优选地,单侧箱梁腹板端头所设置的腹板凸齿的数量为3个,所述单侧的外预应力钢束的数量为3根。
优选地,所述预制小箱梁中设置的体内预应力钢束有4根;对应地,预制小箱梁腹板端部沿高度方向配置4个体内预应力钢束锚固点。
本发明的另一个技术目的是提供一种上述预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁的施工方法,包括以下施工步骤:
步骤一、预制小箱梁的工厂制造
Ⅰ、预制小箱梁常规段的施工成型
1.1、台座准备
根据预制小箱梁的梁底张拉槽口位置、作业人孔位置分别设置对应的槽口模板,以在预制小箱梁常规段施工成型后,于预制小箱梁常规段的底板上形成梁底张拉槽口,于预制小箱梁常规段的顶板形成作业人孔;并在预制小箱梁常规段的端部设置端模,以在预制小箱梁常规段浇筑成型后,获得符合设计需求的多突式齿块端头结构;
1.2、绑扎预制小箱梁常规段的钢筋
绑扎预制小箱梁常规段的顶、底、腹板钢筋,然后在预应力波纹管的预设位置处安装预应力波纹管;
所绑扎的预制小箱梁常规段的顶、底的纵向主筋,在预制小箱梁常规段浇筑成型后,能够伸出预制小箱梁的端部设置;
1.3、预埋转向块预埋件
在预制小箱梁常规段的预设位置处设置转向块预埋件,并采用点焊的方式将转向块预埋件与预制小箱梁常规段的普通钢筋焊接固定;转向块预埋件为转向块预埋板以及锚栓钢筋构成的组合件,转向块预埋板有两块,分别对应为腹板外侧钢板、腹板内侧钢板,锚栓钢筋连接在腹板外侧钢板、腹板内侧钢板之间;
处于转向块预埋件预埋位置处的预制小箱梁常规段的腹板宽度与转向块预埋板的长度相同,且靠近内腹板侧的转向块预埋板与预制小箱梁内膜密贴;
调整转向块预埋件所在位置处的箍筋分布,使得转向块预埋件所在位置处的箍筋调整至转向块预埋板两侧;
Ⅱ、焊接转向块外漏钢板
在步骤Ⅰ中,预制小箱梁常规段施工成型后,拆除预制小箱梁常规段芯模,接着在转向块预埋件埋设位置的外侧,于腹板内侧钢板上的预设位置处,焊接转向块外漏钢板,所述的转向块外漏钢板与腹板内侧钢板垂直,且转向块外漏钢板为张拉垫板;
Ⅲ、施工梁端实心现浇段
在预制小箱梁常规段的预应力钢束张拉、注浆完成之后,进行梁端实心现浇段施工,施工要求满足:
3.1、梁端实心现浇段的钢筋与预制小箱梁常规段的外漏主筋焊接固定;
3.2、外漏钢板的外侧设置用于梁端实心现浇段内膜使用的封堵板;
3.2、结合设计需求与转向块实际位置,预埋作为体外束预留孔位使用的钢管;
步骤二:隐盖梁临时支承体系安装
在施工现场安装隐盖梁临时支承体系;
步骤三:预制小箱梁吊装
在施工现场,配合隐盖梁临时支承体系,将步骤一得到的预制小箱梁吊装到位;
步骤四:隐盖梁底/端模铺设及钢筋绑扎
在施工现场,按照设计需求,铺设隐盖梁底/端模并进行钢筋绑扎;
步骤五:隐盖梁预应力波纹管埋设及体外束预留孔道设置
按照设计要求埋设隐盖梁预应力波纹管及体外束预留孔道;其中:隐盖梁内的体外束预留孔道为直束,与步骤3.2中埋设的钢管连接,并采用吊筋固定于隐盖梁钢筋;
步骤六:隐盖梁侧模支护
步骤七:隐盖梁混凝土浇筑
步骤八:隐盖梁预应力第一批钢束张拉
张拉隐盖梁预应力第一批钢束,以抵抗预制小箱梁自重+隐盖梁自重产生的弯矩作用;
步骤九:隐盖梁临时支承体系落架
拆卸隐盖梁临时支承体系;
步骤十:隐盖梁预应力第二批钢束张拉
张拉隐盖梁预应力第二批钢束,以抵抗二期恒载+汽车活载产生的弯矩;二期恒载包括桥面铺装、防撞栏杆的自重;
步骤十一:小箱梁负弯矩钢束张拉
步骤十二:小箱梁体外束施工及槽口封闭
穿插体外预应力钢束并进行张拉;然后封闭张拉槽口;
步骤十三:小箱梁体操作人孔封闭
封闭预制小箱梁顶板上的作业人孔。
根据上述的技术方案,相对于现有技术,本发明具有如下的优点:
本发明在预制小箱梁与现浇隐式盖梁之间的拼接位置处,通过设置呈多突式齿块咬合的预制-现浇界面,将现浇抗剪界面转换成承压界面,并通过现浇抗剪界面传递,承载力提升效应显著,并沿着预制小箱梁腹板方向配置预应力体系,增加了界面的正压力,使齿块式剪力键的咬合紧密,确保了界面的有效性,使前述的传递状态充分发挥效果,因此,本发明有效地解决了预制小箱梁与现浇隐式盖梁之间的承载力、变形及耐久性问题。
附图说明
图1为常规的预制混凝土梁结构示意图;
图2为常规的预制混凝土梁结构承力示意图;
图3为常规的预制混凝土梁结构的抗剪结构示意图;
图4为一种预制小箱梁式隐盖梁(预制小箱梁与隐盖梁之间无预应力钢束连接结构)的结构示意图;
图5为图4所述的预制小箱梁式隐盖梁具有扭转效应的示意图;
图6为图4所述的预制小箱梁式隐盖梁的剪力分析图;
图7是一种具有咬合预制-现浇界面的预制小箱梁式隐盖梁的结构示意图(附带剪力分析);
图8是本发明所述的预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁(连续区段)的结构示意图;
图9是本发明所述的预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁(简支区段)的结构示意图;
图10是本发明所述的预制小箱梁端头的结构示意图;
图11是本发明所述的转向块的示意图;
图1-6中:1-预制小箱梁;2-现浇隐式盖梁;2'-盖梁;3'-支座;4'-湿接缝;5'-支座反力扩散线;6'-纵向钢筋;7'-加密箍筋;
H1、原现浇箱梁净高;H2、常规预制混凝土梁的净高;H3、现浇箱梁高度;H4、隐式盖梁净高;
图7至11中:1、预制小箱梁;1-1、小箱梁底板;1-2、小箱梁腹板;1-3、小箱梁顶板;1-4、腹板凸齿;2、现浇隐式盖梁;3、封锚板;4、预制-现浇界面;5、体内预应力束;6、转向块;6-1、腹板外侧钢板;6-2、腹板内侧钢板;6-3、锚栓钢筋;6-4、张拉垫板;7、锚固槽;8、体外预应力束。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当明白,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。
为了局部净空不足提升高架整体高度,有必要研发一种基于预制小箱梁式的隐盖梁结构体系,可以有效地突破预制结构的现有瓶颈,其结构简图可以参见附图4。
“预制小箱梁+现浇隐式盖梁结构体系”的概念设计相对容易,以功能为目标即可,其设计的核心难点在于“预制结构(预制小箱梁)与现浇结构(现浇隐式盖梁)间的连接”——承载力、刚度、耐久性,3个核心设计要素缺一不可。
城市高架通常采用双向6车道设计,由8片预制小箱梁构成。当车道不满布时,不同预制小箱梁所承担的荷载不同,除了常规的受弯、受剪外,还会产生扭转变形,参见附图5。传统的预制小箱梁结构,因端部位于支座范围内,预制小箱梁通过2块板式橡胶支座的竖向反力差形成力偶,抵抗不均匀荷载的扭矩作用——当采用“预制小箱梁+现浇隐式盖梁结构体系”时,预制小箱梁端部与现浇隐式盖梁结合段呈固端约束——意味着,预制小箱梁需要依靠自身扭转刚度抵抗该效应——扭转刚度的本质,在于承担、抵抗环向剪应力流的性能。
预制小箱梁端部是剪力峰值区域。预制小箱梁式隐盖梁体系的剪力峰值,既无法通过传统预制小箱梁的支座扩散区传递,又无法像现浇箱梁那样为连续结构(参见附图6,其在新、旧混凝土间存在着一道施工湿接缝,剪力在该区域形成应力集中,该界面可以通过纵向钢筋形成关联,但竖向箍筋呈离散分布,无法有效对界面产生影响),可通过区域加密箍筋约束其裂缝开展——界面区域为混凝土面,若过分延伸至现浇隐式盖梁区域内,则将削弱现浇隐式盖梁自身的刚度,在预制小箱梁处形成薄弱面——剪力的本质,是竖向剪应力流。
此外,当先简支后连续构造时,预制小箱梁在连续段的负弯矩效应导致的顶面拉应力,会加剧界面区域的撕裂(拉应力与剪应力同步作用)。因此,预制小箱梁式隐盖梁体系研发的核心与关键,在于其新、老混凝土接触面的研发——其本质,在于如何确保接触面抵抗剪应力。既有的方法已无法满足该结构体系的承载力、变形及耐久性要求。
预制小箱梁因自身结构构造特点,大大增加了界面处理的难度——预制小箱梁腹板端部为其预应力钢束的锚固区,而腹板是传递剪力、承担扭矩的关键部位,因此,预制小箱梁的抗剪构造措施在腹板端部中断,无法形成连续的抗剪构造——这也是预制小箱梁式隐盖梁体系研发的最大难点。
如图7至11所示,本发明所述的预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁,包括沿着顺桥向布置的预制小箱梁、沿着横桥向设置的现浇隐式盖梁以及沿着预制小箱梁腹板方向配置的预应力体系,预应力体系包括体内预应力体系以及体外预应力体系;
体内预应力体系以及体外预应力体系的各钢束锚固点均设置在预制小箱梁的腹板端头,并对应于每一个钢束锚固点均设置一个突起,使得浇筑现浇隐式盖梁时,能够使得所述预制小箱梁的端头与现浇隐式盖梁之间具有呈多突式齿块咬合的预制-现浇界面,增加交界面抗剪能力。具体地,所述的预制-现浇界面,包括预制小箱梁的端头以及与预制小箱梁的端头咬合的现浇混凝土接缝;其中:所述预制小箱梁的端头,如图10所示,包括箱梁底板端头、箱梁顶板端头以及位于箱梁底板端头、箱梁顶板端头之间的两块箱梁腹板端头;箱梁底板端头的外侧面与箱梁顶板端头的外侧面处于同一平面内;两块箱梁腹板端头的外侧设置有若干腹板凸齿;所述的腹板凸齿中,处于最上方的腹板凸齿,上端起始于箱梁顶板端头的外侧面,下端跨过箱梁顶板端头、箱梁腹板端头的连接界限后,止于箱梁腹板端头的外侧面,余下的各腹板凸齿,均设置于箱梁腹板端头的外侧面。而处于最下方的腹板凸齿起始于底板顶面20cm处,腹板凸齿的深度不得小于箱梁底板端部截面平面25cm。腹板凸齿的数量与体外预应力钢束的数目匹配。本实施例中,单侧箱梁腹板端头所设置的腹板凸齿的数量为3个,所述单侧的外预应力钢束的数量为3根。所述预制小箱梁中设置的体内预应力钢束有4根;对应地,预制小箱梁腹板端部沿高度方向配置4个体内预应力钢束锚固点。
如图7所示,尽管预制-现浇界面区域无法配置钢筋,尽管施工缝的存在,使预制小箱梁式隐盖梁体系分隔成2个独立的个体,两者间仅通过新、旧混凝土粘结力连通——当界面状态欠佳时,界面承载力不乐观;当界面状态良好时,界面承载力不比现浇结构差——采用剪力键式的多齿块突起(多突式齿块咬合的预制-现浇界面),将现浇抗剪界面转换成承压界面,并通过现浇抗剪界面传递,承载力提升效应显著;而预应力体系的设置,增加了界面的正压力,使齿块式剪力键的咬合紧密,确保了界面的有效性,使前述的传递状态充分发挥效果。
预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁体系最大难点,在于如何在界面布置预应力钢束的位置——预制小箱梁腹板端部沿高度方向已配置4个体内预应力钢束锚固点,腹板内部钢筋、钢束密集——因此,在预制-现浇界面,设置体外预应力钢束锚固点。
具体地,如图7-9所示,所述的体内预应力体系,包括若干根(附图中为4根)体内预应力钢束,各体内预应力钢束的锚固点均设置于预制小箱梁的腹板端部并沿着预制小箱梁的腹板高度方向分布;所述的体外预应力体系,包括若干根体外预应力钢束(附图中单侧为3根,双侧共6根);各体外预应力钢束与预制小箱梁的腹板之间存在倾角α。换句话来讲,本发明沿预制小箱梁腹板方向,配置与接触面垂直的预应力(体内、体外预应力钢束),通过提高截面的正应力σ,来提升界面的抗剪承载力。
如图8所示,当预制小箱梁式隐盖梁处于连续区段时,预应力体外束采用底板锚固模式。一方面,考虑连续梁支点区域的负弯矩效应,若在顶部锚固,则抵消了顶板负弯矩束的功能,加大了负弯矩束的配束数量,不合理,不经济;在底部锚固,不仅可以用于抵消支点负弯矩作用,而且可以为预制小箱梁与现浇隐盖梁的全截面施加正应力作用。
体外预应力钢束沿高度方向设置3道,且在预制小箱梁每道腹板附近均设置——即单个截面体外预应力钢束设置6道——小直径,多数量,尽可能确保截面的正压力均衡;
体外预应力钢束通过转向块调整方向,转向块需预埋在预制小箱梁腹板内,通常位于封头板后侧——即体外预应力钢束完全穿过现浇混凝土区域后再转向——此时,预制小箱梁的封锚板与常规产品一致,无需后移。
转向块由2块预埋板(腹板外侧钢板、腹板内侧钢板)、4~6道连接钢筋(锚栓钢筋)及1道转向板(张拉垫板)组成。与PBL键的锚固钢板不同,转向块采用双层钢板锚固——一方面,是因为预应力钢束的集中力效应显著;另一方面,双层钢板有利于在小箱梁预制阶段的定位(即安装精度)。
其中腹板外侧钢板通过锚栓钢筋与腹板内侧钢板焊接连接,腹板外侧钢板外边间距为张拉端位置腹板厚度,同时张拉垫板与腹板内侧钢板焊接,焊缝强度符合设计要求。
为保证张拉端锚固强度,腹板内、外侧钢板尺寸不小于150mmx150mm,钢板厚度不小于20mm,锚栓钢筋直径不小于20mm,且应采用圆钢。
张拉垫板尺寸根据设计张拉荷载进行确定,且下口宽度不应小于100mm,厚度不应小于20mm。张拉垫板与腹板内侧钢板宜采用坡口焊缝,焊缝质量到底设计及规范要求,并采用超声及磁粉进行100%检测,符合设计要求方可使用。
预制小箱梁在底板设置梁底张拉槽口,梁底张拉槽口的位置,以“体外束倾角在15°±1°”为准。梁底张拉槽口的锚固段附近,除配置加劲螺旋筋(确保锚固段局部应力下不损坏)外,还需同时配置刚性的、小直径的金属波纹管作为体外预应力钢束的预留通道——直径小,是为了减少开孔对预制小箱梁的影响;金属波纹管,是为了体外预应力孔道注浆后,与预制小箱梁间的粘结效果。
连续区段的封锚板(张拉垫板)间,需设置金属波纹管(在现浇隐盖梁钢筋绑扎阶段安装);封锚板至梁底张拉槽口间,需提前预埋塑料管道(在封锚板安装前)——即在安装现场,仅需通过预留的体外预应力钢束孔道穿钢束即可——若没有这些管道,体外预应力钢束的现场安装无法执行——体外预应力钢束一定是在隐盖梁完成现浇后安装、张拉的,否则预应力无法对预制—现浇混凝土界面生效。
简而言之,对于连续区段的预制小箱梁式隐盖梁,各体外预应力钢束的中部区域均对应地穿过现浇隐式盖梁中水平埋填的金属波纹管设置并沿着现浇隐式盖梁的高度方向分布,且各体外预应力钢束的一端锚固在现浇隐式盖梁一侧的预制小箱梁的底板上,另一端则锚固在现浇隐式盖梁另一侧的预制小箱梁的底板上;具体地,现浇隐式盖梁的两侧均有预制小箱梁,分别为预制小箱梁a、预制小箱梁b;预制小箱梁a的端头与现浇隐式盖梁之间的预制-现浇界面为预制-现浇界面a,预制小箱梁b的端头与现浇隐式盖梁之间的预制-现浇界面为预制-现浇界面b;各体外预应力钢束的中部区域均穿过现浇隐式盖梁中水平埋填的金属波纹管设置并沿着现浇隐式盖梁的高度方向分布,且各体外预应力钢束的一端分别穿过预制-现浇界面a后,再通过各自对应的转向块a转向,最终锚固在预制小箱梁a的底板上,另一端则分别穿过预制-现浇界面b后,通过各自对应的转向块b转向,最终锚固于预制小箱梁b的底板上;转向块a安装在预制小箱梁a的腹板上,转向块b安装在预制小箱梁b的腹板上。所述的转向块a、转向块b的结构一致,如图11所示,均包括腹板外侧钢板、腹板内侧钢板、锚栓钢筋以及张拉垫板;腹板外侧钢板安装在预制小箱梁的腹板内侧,腹板内侧钢板通过锚栓钢筋与腹板外侧钢板连接,张拉垫板与腹板内侧钢板连接,体外预应力钢束穿过张拉垫板上所开设的通孔后,可以进行转向设置,使得体外预应力钢束处于预制小箱梁的部分能够倾斜地穿插在预制小箱梁中预设的钢管内并张拉到位,而处于现浇隐式盖梁的部分,则呈水平状穿插在现浇隐式盖梁中预埋的钢管内并张拉到位。
当预制小箱梁式隐盖梁处于简支区段时,如图9所示,简支区段与连续区段最大的区别是,没有支点弯矩作用,故体外预应力钢束允许在预制小箱梁顶板锚固——顶板的操作难度低于底板。注:连续区段,因隐盖梁的净空有限,故张拉阶段可借助登高车作业,故预应力钢束在底板张拉的难度也不是特别大。
简支区段在现浇隐盖梁侧无张拉操作空间(伸缩层另一侧的梁体已完成施工),故采用内埋式P锚作为锚固段。
换句话来讲,对于简支区段的预制小箱梁式隐盖梁,各体外预应力钢束的一端锚固在预制小箱梁的顶板上,另一端则锚固于现浇隐式盖梁中。具体地,各体外预应力钢束的一端依次穿过预制-现浇界面、封锚板后,经转向块转向,最终锚固在预制小箱梁的底板上;所述的转向块的结构,如图11所示,包括腹板外侧钢板、腹板内侧钢板、锚栓钢筋以及张拉垫板;腹板外侧钢板安装在预制小箱梁的腹板内侧,腹板内侧钢板通过锚栓钢筋与腹板外侧钢板连接,张拉垫板与腹板内侧钢板连接,体外预应力钢束穿过张拉垫板上所开设的通孔设置。所述锚栓钢筋的数量为4-6道。
以《中华人民共和国交通行业公路桥梁通用图:装配式预应力混凝土箱形连续梁桥上部构造》中最大跨径(40m)、最大荷载(公路—I级)的预制梁端部剪力为基准,校核隐盖梁结构体系的端部抗剪承载力。其中,单片预制梁所承担的端部峰值剪力设计值如表1所示。
表 1 40m跨径预制小箱梁端部峰值剪力设计值统计表
由表1可知,单片预制小箱梁端部峰值抗剪承载力设计值不低于3200kN。
尽管预制小箱梁与隐盖梁间采用混凝土浇筑成型,但新旧混凝土接触面与节段预制拼装缝更接近——即结构的剪切破坏不沿着传统混凝土结构的剪压斜裂缝破坏,而是沿新旧混凝土浇筑缝破坏。
依据国内科研成果,结合江苏省地方标准《节段预制拼装混凝土桥梁设计与施工规范》(DB32/T 3564-2019),新旧混凝土接缝的抗剪承载力参照胶接缝式的键齿剪力键接缝抗剪承载力执行,如下所示:
γ 0 :结构重要性系数,取1.1;
V d :峰值剪力设计值;
α:胶接缝键齿抗剪承载力折减系数,取0.85;
σ pc,m :使用阶段扣除预应力损失后的有效预加力在构件截面形心处产生的混凝土预压应力。预制小箱梁全截面面积为2.663m2,拼装截面合计配置6束15.2-3钢绞线,控制张拉应力1395MPa,有效预应力按75%计,截面的有效混凝土预压力为:
A w :接缝面腹板截面面积,取腹板面积总和,为0.825m2;
f cu,k :混凝土的立方体抗压强度标准值,隐盖梁采用C40混凝土,取40。
因此,抗剪承载力设计值V d 为:
满足规范要求。
本发明所述预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁结构体系施工期间的核心要素,在于体外预应力钢束结构组成及构件的施工质量控制。整体结构的施工流程及注意事项如下所述:
步骤一:预制小箱梁的工厂制造
本发明所述预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁结构体系最关键的技术要点大部分集中在预制小箱梁部分,预制小箱梁分两步浇筑成型,其中,第一步浇筑成型预制小箱梁常规段,第二步浇筑成型预制小箱梁端部实心现浇段。
1)预制小箱梁常规段
预制小箱梁常规段基本采用常规工艺制造,包括台座准备、钢筋绑扎(顶、底、腹板一起绑扎)并安装预应力波纹管、内外模板安装、混凝土浇筑、脱模并实施混凝土养护、 预应力钢束张拉。
① 台座准备
应根据体外预应力钢束的梁底张拉槽口位置设置槽口模板,槽口模板采用定制钢模,槽口钢模与台座底钢板间,采用螺栓连接。
注1:若采用木模,既不便与台座钢底板固定,又不便与预应力管道、注浆孔管道衔接;
注2:预制小箱梁长度通常在26m~35m之间,台座长度通常在40m~45m之间。预制小箱梁梁底张拉槽口距离梁端的尺寸相对固定,因此,台座钢板一侧可预留连接螺栓孔位,另一侧按模数化预留连接螺栓孔道——预制小箱梁长度的小幅调整,对体外预应力钢束锚固的影响较小。
② 预埋转向块预埋件
转向块分为预埋部分(转向块预埋件)与焊接部分,其中,所述的转向块预埋件即指上述的腹板内侧钢板、腹板外侧钢板以及两者之间的连接锚栓,外漏钢板即指上述的转向板,采用后期焊接。预应力体外束在封堵板后方设置转向块,将隐式盖梁区段直束通过转向块弯曲至梁底张拉槽口,因此转向块将承受较大荷载,其加工质量直接影响后期体外束张拉效果,而转向块预埋件位于预制小箱梁的腹板过渡区段,故转向块预埋件安装时,应注意以下事项:
a) 转向块预埋件应定位准确,且转向块预埋板与预制小箱梁的普通钢筋间应采用点焊固定;
注:转向块预埋板(腹板内侧钢板或腹板外侧钢板)外形尺寸长度与预制小箱梁该位置处腹板宽度相同,且转向块预埋板靠近内腹板侧需与预制小箱梁内膜密贴,待预制小箱梁内膜拆除之后,可以焊接转向块焊接钢板。
b) 转向块预埋件应依据设计图纸提前完成焊接(2块钢板+4道钢柱),且焊接质量满足设计要求;
c) 转向块预埋件需在预制小箱梁腹板钢筋完成绑扎、预应力波纹管完成定位安装后安装。
注1:如果转向块预埋件先于预制小箱梁腹板钢筋安装,则会大幅降低腹板钢筋绑扎效率(无法精确定位,无法流水线作业),转向块预埋件位置原则上避开波纹管线路,但为保证预应力波纹管顺利安装,转向块预埋件应在预应力波纹管完成定位安装后安装。
注2:转向块预埋件的精度要求相对较小,定位容许误差在10mm以内均可接受,故安装难度较小。
d)转向块预埋件位置将占用预制小箱梁腹板箍筋排布空间,因此在转向块预埋件位置调整箍筋布置原则,即保持原箍筋数量及间距不变的前提下,转向块预埋件位置箍筋分布至钢板两侧,且预制小箱梁腹板其余分布钢筋保持不变。
③ 预制小箱梁端模设计及使用时,在考虑体外预应力束转角影响的同时,需按照设计图纸要求设置预制小箱梁端头张拉槽口锯齿块;
④ 预制小箱梁顶板需开设预留作业人孔,用于后期体外束穿束操作通道;
⑤ 预制小箱梁常规段,顶、底板纵向主筋应外漏一定长度(与梁端现浇段长度一致)。
2)转向块外漏钢板焊接;
预制小箱梁体外束转向块在小箱梁芯模拆除之后即可完成转向块外漏钢板的焊接,焊接时中需注意以下几点:
① 转向块外漏钢板焊接前需清理腹板内侧钢板表面的水泥浆,并进行焊接前除锈等准备工作;
③ 转向块外漏钢板焊接面需仅安装钢结构设计规范及图纸要求进行坡口处理;
④ 转向块外漏钢板与转向块预埋件焊接焊缝应满足设计要求,并进行100%超声检测,确保体外束转向块的设计强度;
⑤转向块外漏钢板应与腹板垂直,在提供体外束转向功能的同时可作为预制小箱梁端部实心现浇段的内膜支撑。
3)预制小箱梁端部实心现浇段施工
预制小箱梁常规段在预应力钢束张拉、注浆完成之后,进行梁端实心现浇段施工,梁端实心现浇段施工阶段应注意以下几点:
① 现浇段钢筋应与常规段外漏主筋形成整体,即现浇段钢筋焊接形成一个完整的多层钢筋网,并与常规段外漏主筋进行焊接,形成一个整体,保证现浇段梁体强度;
② 提前预制20cm厚封堵板作为实心现浇段箱室内膜使用,箱室内膜支于体外束转向块;
③ 实心现浇段应按照设计图纸位置且结合体外束转向块实际位置预埋体外束预留孔位,采用直径內径20mm钢管作为预埋件,且预埋件应外漏至少5cm,确保预埋孔位不变形、不堵管。
4)梁底体外束张拉槽口施工
预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁体系的梁底张拉槽口设置于预制小箱梁梁底,且梁底张拉槽口深度小于预制小箱梁底板厚底。预制小箱梁常规段施工时已根据梁底张拉槽口位置在底座设置齿块底模,梁底张拉槽口在施工时应注意以下几点:
① 预制小箱梁芯模安装前预埋一根內径20mm钢管(沿体外束方向)作为体外束预埋孔道,且钢管需外漏芯模;
② 梁底张拉槽口范围内预留几个直径不下于10mm的预留孔,后期作为梁底张拉槽口填充吊模;
③ 梁底张拉槽口范围内预留注浆管,待体外预应力束张拉完成之后,完成梁底张拉槽口注浆(灌注高强灌浆料)。
步骤二:隐盖梁现场临时支承体系安装
隐盖梁临时支承体系设计参照中国专利CN201911001747.8。
步骤三:预制小箱梁吊装
与常规预制小箱梁不同,隐盖梁体系预制小箱梁因需先搭设临时支撑体系支撑预制小箱梁荷载后进行隐式盖梁施工,临时支撑体系占用空间较大,且大部分隐式盖梁结构空间净空有限,因此无法采用架桥机“跨内起梁”工艺。
故要么采用汽车起重机侧向起吊安装工艺,要么采用架桥机跨后喂梁工艺,要么利用隐盖梁支承体系侧段增设架桥机的起梁临时支承。
步骤四:隐盖梁底(端)模铺设及钢筋绑扎
预设小箱梁架设完成后,进行隐盖梁的底(端)模铺设及钢筋绑扎施工,其具体施工步骤如下:
① 按照施工方案设计底模系统,铺设隐盖梁底模;
② 底模铺设完成之后完成预制小箱梁端部与隐盖梁接触面的凿毛处理(钢筋绑扎前完成),增强新老混凝土交界面的粘结性;
③ 隐盖梁底模铺设完成之后安装隐盖梁端模,端模安装有两个主要作用,一是确定波纹管平面位置、二是限制隐盖梁主筋钢筋骨架的长度;
④ 地面完成隐盖梁钢筋骨架片焊接,并依次吊至指定位置安装;
注1:隐盖梁纵向主筋骨架片吊装时处于零散状态,因此骨架片的临时支撑尤为重要,必须做到每个骨架均有稳定支撑,支撑材料可由主筋废料加工。
注2:隐盖梁骨架片安装时需避让波纹钢平面空间,同时骨架片的元宝筋需避让小箱梁的体外束预留孔道位置。
⑤ 安装隐盖梁箍筋,隐盖梁箍筋为大型闭口箍,实际施工时可根据施工情况按照《公路桥涵施工技术规范》的相关要求对箍筋进行分割,单必须按照规范要求封闭,同时箍筋平面位置需避让小箱梁体外束预留孔道位置;
⑥ 箍筋绑扎完成之后,完成隐盖梁表面横向分布钢筋及隐盖梁锚槽口分布钢筋施工。
注:锚槽口分布钢筋施工时应留足混凝土浇筑空间。
步骤五:隐盖梁预应力波纹管埋设及体外束预留孔道设置
隐盖梁预应力波纹管根据设计图纸要求进行布置,与常规预制小箱梁的盖梁工艺一致。
隐盖梁小箱梁的体外束预留孔道设置,小箱梁施工时预留一部分内径20mm钢管,隐盖梁段直束区钢管与小箱梁预留钢管连接(外包),并采用吊筋固定于隐盖梁钢筋。
步骤六:隐盖梁侧模支护
隐盖梁的侧模板采用木模板,通过登高车安装,与常规预制小箱梁的横梁工艺一致。
步骤七:隐盖梁混凝土浇筑
隐盖梁区域混凝土施工工艺与常规盖梁一致,此外需特别注意隐盖梁锚槽口位置混凝土的振捣效果。
步骤八:隐盖梁预应力第一批钢束张拉
注:隐盖梁预应力第一批钢束主要用于抵抗“预制小箱梁自重+隐盖梁自重”产生的弯矩作用。
步骤九:隐盖梁临时支承体系落架
隐盖梁区域支架体系落架可以参照中国专利CN201911002531.3。
步骤十:隐盖梁预应力第二批钢束张拉
注1:隐盖梁预应力第二批钢束主要用于抵抗“二期恒载(桥面铺装、防撞栏杆等)与汽车活载”产生的弯矩作用。
注2:隐盖梁预应力第二批钢束必须在隐盖梁支架体系解除后实施,否则,隐盖梁预应力第一批钢束产生的预应力作用,会在没有自重荷载抵消的情况下,与隐盖梁预应力第二批钢束作用合并,使隐盖梁结构体系出现“反向破坏”。
步骤十一:小箱梁负弯矩钢束张拉
小箱梁负弯矩区钢束张拉与常规预制小箱梁工艺一致。
步骤十二:小箱梁体外束施工及槽口封闭
隐盖梁施工完成之后穿插小箱梁体外钢束,并进行张拉,张拉时采用登高车将张拉设备(单孔顶)及人员送至梁底张拉槽口进行操作。
体外束张拉完成之后利用前期小箱梁预制阶段的预留孔安装槽口吊模,并利用预留注浆孔注入高强灌浆料,待高强灌浆料达到强度后拆除吊模。
步骤十二:小箱梁体操作人孔封闭
预应力钢束连接的预制小箱梁式隐盖梁施工完成之后封闭小箱梁顶部的预留人孔。
总体而言,本发明使用施工时,包括张拉端施工、波纹管(提供预应力束穿插通道)和钢束安装及钢束张拉注浆等3部分。
1.1 张拉端施工
1.1.1 连续端张拉锚固施工
根据设计图纸要求进行连续端张拉锚固构件制作,腹板内、外侧钢板与锚栓钢筋进行焊接形成张拉端锚固构造,张拉垫板与腹板内侧钢板焊接形成张拉端整体构造,腹板内侧钢板与张拉垫板之间焊缝需进行超声及磁粉100%检测,合格之后方可进行使用。
因整个张拉端钢结构构造均与空气接触,因此钢构件在焊接成型之后需进行镀锌等防腐措施,增加其耐久性。
在预制小箱梁底腹板钢筋绑扎完成之后,安装小箱梁芯模,然后按照设计位置安装张拉端钢构件,此处芯模需在钢构件位置进行开孔。张拉端钢构件腹板钢板特别是内腹板钢板必须与芯模平行,以保证张拉垫板垂直于腹板。
1.1.2 简支端张拉槽口施工
基于隐式盖梁的预制小箱梁结构简支端纵向预应力构造张拉端设置于小箱梁顶板位置,形成顶板张拉槽口,顶板张拉槽口根据设计图纸施工张拉端预埋钢板及螺纹钢筋,并预埋一部分波纹管与箱室内,后期与剩余波纹管连接。
1.2 波纹管和钢束安装
小箱梁安装完成之后首先进行隐式盖梁横向主筋施工,在此处波纹管位置预留箍筋空间,然后进行波纹管及钢束安装,主要分两个部分:
1)连续端,连续端小箱梁堵头板位置根据设计位置提前开孔,将直线线型波纹管安装至两端张拉垫板位置,为保证波纹管线型,将波纹管临时固定于隐式盖梁和榫头构造钢筋。
2)简支端,简支端采用单端张拉P锚结构,根据设计图纸布置波纹管,与张拉端预留波纹管进行连接,波纹管接头采用热熔连接,并安装预应力钢束。
1.3 钢束张拉注浆
隐式盖梁钢筋、模板工程完成之后进行隐式盖梁及梁端榫头构造混凝土浇筑,待混凝土强度达到设计强度之后张拉预应力并注浆。提供预制箱梁间额外纵向预应力,提供隐式盖梁与小箱梁阴阳齿构造的紧密性,从而提高纵向连接结构抗剪承载力。
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