挂篮悬浇预应力混凝土箱梁设计与施工探讨

张河锦

（余姚市交通规划设计研究院，浙江 宁波 315040）

1 工程概况

兰江大桥所跨姚江为规划限制Ⅲ级航道，通航净宽60 m，净高7 m，设计最高通航水位1.32 m，河道与路线交角为100°，桥梁采用正交布置，主桥布跨为（55+90+55）m，桥址区地层上部为粉质黏土及淤泥质粉质黏土，其下为砂类土，底层为粉质黏土夹砂砾及不同风化程度的安山玢岩。其主桥桥型如图1 所示。

图1 主桥桥型图（单位：cm）

2 桥梁构造设计

2.1 主梁梁高的拟定

兰江大桥主桥上部结构为（55+90+55）m 三跨PC 变截面连续箱梁，变截面箱梁梁底曲线的选择，主要可以改善主梁截面受力，对截面应力状况较为敏感，如L/4 附近断面的主应力指标尤为明显，所以合理选择梁底线形，是做好连续梁结构设计的重要前提。目前一般将抛物线参数取值为1.5～2。

根据以上情况，兰江大桥箱梁根部梁高采用5.5 m，跨中梁高采用2.5 m，箱梁梁高从跨中2.5 m至距主墩中心1.75 m 处按1.8 次抛物线变化。其梁高尺寸构造如图2 所示。

图2 梁高尺寸构造（单位：cm）

2.2 主梁横断面的拟定

兰江大桥主桥由上、下行分离的两个单箱双室箱型截面组成，桥梁的宽度根据总体设计及功能定位确定，并结合《公路工程技术标准》进行拟定，本项目设置单向3 车道+非机动车道，单幅全宽18.25 m，悬臂3.125 m，箱梁底宽12 m。其标准横断面如图3 所示。

图3 标准横断面（单位：cm）

2.3 其余构造尺寸的拟定

主桥梁高及断面尺寸基本确定后，顶板、底板、腹板的厚度，应充分结合箱室跨度、三向预应力钢束的布置空间及主梁的受力需要合理选择。根据本项目的初步配束估算，结合钢束布置最为密集的0 号块钢束断面布置，兰江大桥顶板厚0.28 m，设2%的横坡；底板宽12.00 m，厚度由0.28 m 从跨中至距主墩中心3.25 m 范围按1.8 次抛物线变化成0.7 m；腹板厚度1～7 号块为0.70 m，10～13 号块为0.50 m，在8～9号块件范围内由0.7m 按直线变化到0.5 m。翼缘板悬臂长为3.125 m，二次渐变厚度，端部厚0.18 m，中部厚度0.4 m，根部厚0.65 m。除在主墩及边墩顶分别设置一道厚2.5 m 和1.5 m 的横梁外，其余部位均不设横隔板。

3 桥梁配筋设计

3.1 纵向预应力设计

悬浇连续梁纵向预应力钢束的设计内容主要包括纵向顶板束、腹板束，边、中跨底板束，合龙束。其中，纵向顶板束、腹板束布置的根数与布置方式及节段数量息息相关。根据本项目的节段划分及钢束布置形式，钢束断面布置如图4 所示。

图4 钢束断面布置图（单位：cm）

3.2 竖向预应力设计

竖向预应力的设计对桥梁结构主要起到抗剪及改善主拉应力的作用。其布置要点主要在于应与腹板中心居中或者对称布置，避免对腹板产生预偏心作用引起次内力，导致腹板出现水平纵向裂缝。同时，腹板束为梁高范围内布置，钢束长度较短，预应力损失较大，容易引起竖向预应力的较大损失甚至失效。

本项目采用传统φ32 mm 的精轧螺纹钢（纵向布置间距0.75 m），锚具变形、钢束回缩引起的预应力损失较难控制。目前随着高强钢棒等新材料的应用，其低回缩量（≤1 mm）的特点，可有效减少预应力损失，提高可靠性。笔者认为，该材料值得在短束预应力设计进行推广。

3.3 横向预应力设计

横向预应力设计主要取决于箱梁悬臂长度及箱室的跨度。经查阅相关案例，目前此类桥梁的悬臂长度普遍取值范围为2.5～4.5 m，除早期个别小于3 m的案例采用普通钢筋混凝土结构外，其余均设置了横向桥面板预应力。

本项目悬臂为3.125 m，悬臂根部厚度为0.65 m，设计采用3φs15.2 钢绞线，间距0.75 m 布置。笔者结合本桥桥面板计算分析对比得知，桥面板受力控制的关键因素在于悬臂的大小及悬臂根部的尺寸，建议预应力桥面板设计时，悬臂根部尺寸不小于0.6 m较为妥当。

4 设计要点及施工注意事项

4.1 设计要点探讨

4.1.1 合理边中比的确定

通常此类结构的布跨，首先会根据跨越河道、被交路或其他构造物确定桥梁主跨L。此时从结构合理性角度出发，边跨跨径宜采用（0.55～0.62）L 较为适宜。

若边中比过小，将会导致边支点出现负反力，需对边支点进行压重。若边中比过大，将会增加边跨支架现浇段的长度，不仅增加了施工成本，也降低了挂篮的使用率，并且一定程度上会对边跨受力产生不利影响，故在主桥布跨时，合理的边中比尤为重要。若桥墩布置位置受限，导致边中比过大或者过小，应采取有效的技术措施确保结构的安全及合理性。

4.1.2 三向预应力的设计及细节

三向预应力的设计应遵循结构受力进行布置，但在设计过程中，容易出现钢束打架的情况。当然，随着BIM 软件在工程中的应用，对于碰撞检查起到了很好的核查作用，此类问题会逐渐减少。

目前在建项目关于保护层的控制方面，施工单位往往倾向于正向误差，故在构造尺寸拟定中适当增加顶底板、腹板厚度，对钢束布置及混凝土下料振捣意义重大。

对于预应力张拉方面，应秉承纵向、横向、竖向的理念。另外，为了改善节段间的纵向收缩裂缝及施工工期，建议混凝土强度及弹性模量达到85%及7d龄期即可张拉节段纵向钢束。

4.1.3 0 号块临时锚固系统设计

近年来，悬浇连续梁倾覆的案例仍时有发生，发生该事故的直接原因就是0 号块锚固体系的失效。目前0 号块临时锚固体系在设计阶段不够重视或者由施工单位自行设计施工，一定程度上带来了桥梁施工过程中的倾覆隐患，所以应充分重视临时固结设计，明确偏载工况，临时支墩布置时应尽量远离中支点，以提升倾覆力矩，增强抗倾覆能力。值得注意的是，为了利于临时固结支墩的设计，建议在下部结构承台尺寸设计时适当增大纵桥向宽度，便于0 号块及临时固结体系的施工。

4.2 施工注意事项探讨

4.2.1 主墩承台、墩身基坑施工

挂篮悬浇连续梁主墩承台往往尺寸较大，基坑深度较深，在深基坑施工时应按照审批后的基坑施工方案执行。必要时委托第三方对基坑设计方案进行验算，同时严格控制基坑周边临时堆载指标，合理设置监测点，确保基坑的施工安全。

4.2.2 施工过程中钢束张拉

施工过程中，因挂篮主体及行走系统的存在，往往无法及时张拉竖向及横向预应力。鉴于实际施工情况，建议竖向及横向预应力张拉滞后节段应控制在2 个以内，特别是桥面板横向预应力，因大跨度箱梁悬臂尺寸往往较大，长时间处于非预应力状态，若临时荷载堆放控制不严，将带来严重的安全隐患，故应尽早张拉。

对于纵向钢束张拉方面，因节段施工周期较短，建议在满足设计强度、弹模、龄期后，即可进行张拉，然后挂篮前移就位，再进行管道灌浆，一来可节约工期，二来可减小管道压浆料初凝前的扰动。

4.2.3 合龙段施工

在合龙段施工时，应结合设计图纸的要求，一般应按照先边后中的合龙方式，并按设计要求进行配重，在一天气温较低时边浇筑混凝土边卸载。

边跨合龙时，待劲性骨架锁定后，即可解除边支点支座的临时纵向约束，确保支座正常滑移。

0 号块临时固结解除时机与中跨合龙段施工的先后顺序应按照设计要求执行，若需改变，应征得设计单位的同意，并符合监控计算模型的工序及指令单要求，方可进行下一步施工。

5 结语

对于大跨度挂篮悬浇预应力混凝土连续箱梁，虽然设计技术及施工工艺都较为成熟，但无论在细节设计方面，还是在施工过程控制中，仍有诸多值得细化和注意的内容。

（1）在此类桥梁设计中，应合理确定主桥的边中比，使桥梁处于良好的受力状态，确保结构的合理性及经济性。

（2）构造尺寸的设计应根据三向预应力钢束布置的需要，结合耐久性的设计要求，除满足规范计算指标要求外，还应充分考虑混凝土浇筑质量的可控性；在下部结构尺寸拟定时，应充分考虑0 号块支模体系、临时固结体系、塔吊等施作空间，宜采用永临结合，为后期施工提供良好的条件，此举亦可增加施工过程中的安全度和施工质量的可靠性。

（3）虽然前期设计阶段对于钢束、钢筋的碰撞检查可有效地避免钢筋冲突，但现场依旧难免会出现交叉，如钢束锚固平弯区与竖向预应力的冲突、横梁区域骨架与钢束的冲突等，施工时应分清钢筋主次、以次避主、适当调整的原则。

（4）节段施工的悬浇箱梁，因顶板顶面施工平整度质量较难保证，且在节段施工过程中需逐段修正挂篮立模标高。成桥后桥梁立面呈现出折线状，形成一定的积水带，导致桥面铺装产生早期破坏，故高性能混凝土等新材料在桥面铺装的应用方面值得进一步思考。