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技术文章
 
 

大节段连续梁挂篮悬臂施工技术

2016-3-23 点击次数：[1004]
 
    预应力混凝土桥悬臂施工方法在２０世纪６０年代由联邦德国首创，随后在世界各地得到迅速推广。随着连续梁挂篮悬臂施工技术的日趋成熟，大跨度连续梁设计已非常普遍，大节段悬臂施工连续梁设计也已逐渐兴起，其工期优势及更简单的预应力布置形式较符合建设需要，必将成为连续梁设计新趋势。
    连续梁的悬臂节段长度对挂篮规格、梁体自重、梁体平衡等多方面有很大影响。我国公路、铁路等桥梁的连续梁设计节段长度一般为３～４ｍ，常见的连续梁大节段多为宽节段，少有５ｍ以上的长节段设计。在施工工期紧，墩柱高度很高时，采用大节段悬臂施工方法便能体现其优越性，但悬臂施工节段越长，节段施工难度越大。本文主要介绍连续梁节段长度为５ｍ、５．５ｍ的挂篮悬臂施工技术。
    １·工程概况
    新建的大准至朔黄铁路联络线，位于内蒙古中部及山西省北部，为Ⅰ级双线电气化铁路，设计速度１２０ｋｍ／ｈ。大沙沟特大桥为该线路重点控制性工程之一，位于山西省朔州市平鲁区，桥跨结构为１０×３２ｍ简支Ｔ梁＋两联（６０ｍ＋３×１００ｍ＋６０ｍ）刚构连续梁＋（９×６４ｍ＋１×４８ｍ）节段拼装箱梁。因工期、施工环境等因素影响，连续梁节段长度设计为５ｍ、５．５ｍ。
    本桥两联刚构连续梁共８个Ｔ构，墩高最低４４ｍ，最高１０６ｍ，梁高７．５～４．５ｍ，每个Ｔ构８对悬浇段，其中４对５ｍ节段，４对５．５ｍ节段。最大悬臂节段为１＃ 段，混凝土为１１３ｍ３，重２９７ｔ（设计梁体自重２６．２５ｋＮ／ｍ３）。
    ２·挂篮设计
    大沙沟特大桥连续梁施工选择菱形挂篮，其优势为结构简单，受力明确，易于设计出较大尺寸，自重较小，且操作空间大，便于快速施工；不足之处是其迎风面积较大，受风荷载影响较大，且前吊带较长，弹性变形大，需要在设计时控制在规范允许范围内。
    ２．１　挂篮结构
    设计挂篮菱形架为双榀，杆件材料为Ｑ２３５，钢轨道锚固在梁体竖向精轧螺纹钢上，菱形架间距６．０８ｍ。主桁架高４．５ｍ，下平杆长度６ｍ，上平杆长度６．５ｍ，最大可施工５．５ｍ长节段，可满足本桥悬臂浇筑节段长度为５ｍ及５．５ｍ的施工要求。菱形架设计尺寸见图１。
              
    整个挂篮设计重量１４０ｔ，优化后总重量１２０ｔ。采用ＡＮＳＹＳ通用有限元程序建立模型，对挂篮结构浇筑与走行两个工况阶段进行验算，确认整体刚度及强度满足要求。计算模型见图２。
                  
    ２．２　前移推进装置
    传统挂篮前移推进装置是在挂篮轨道前端设置走行反力座，利用钢绞线或精轧螺纹钢将反力座和挂篮连接，动力装置采用普通液压千斤顶将挂篮牵引前移。该方法操作笨重，每次挂篮前移速度慢、耗费时间长，人工强度高，且两个菱形架下的千斤顶不能同步前进，易使挂篮扭曲，不适用于施工大节段连续梁的大尺寸挂篮。
    本桥挂篮设计了一种新型前移推进装置，更能适应大节段连续梁的挂篮前移施工。
    前移推进装置设计为长臂液压油缸，油缸使用螺栓固定在轨道顶面，钢臂顶撑在挂篮前压油缸安装及使用方法如图３～４所示。
                 
    大尺寸挂篮设计是本桥刚构连续梁悬臂施工顺利完成的前提。本桥挂篮安装了新型前移推进装置，克服了常规大尺度挂篮重量大，前移速度慢的缺点，施工时前移速度最快能达到０．５ｍ／ｍｉｎ，每次挂篮前移（最长５．５ｍ）都能在３０ｍｉｎ内完成，挂篮前移安全、高效。且本桥挂篮后锚直接锚固在梁体精轧螺纹钢上，简洁美观，且施工简单轻便，安全性好，避免了常规大尺寸挂篮后锚安装施工繁重复杂的问题。
    ３·菱形架预压
    本桥挂篮尺寸大，梁体最大节段重量２９７ｔ，Ｔ构墩最低４４ｍ，最高达１０６ｍ，挂篮预压施工若按常规方法施工，配重吊装难度地面菱形架预压方案是将两个菱形架在地面平台上对称拼接，后锚处使用精轧螺纹钢相互锚固，前端承载部位使用钢吊带连接，在一端使用千斤顶张拉吊带至既定荷载，模拟挂篮使用时菱形架的受力状态，以检测挂篮各项性能是否满足施工要求，同时消除菱形架的非弹性变形，获取弹性变形数据。菱形架拼装形式如图５所示。
                  
     地面预压菱形架替代挂篮预压的方法快捷、安全，不仅能有效获取菱形架弹性变形数据、消除非弹性变形，检测挂篮是否满足要求，而且人力、物力投入小，预压过程能更方便地监测菱形架各节点的应力状态，发现问题更方便处理，更适合大节段连续梁挂篮预压施工。
    ４`悬臂施工
    ４．１　混凝土浇筑   大节段挂篮悬臂施工的钢筋绑扎及预应力管道安装与普通悬臂施工基本一致。钢筋与预应力管道安装完成验收合格后浇筑悬臂节段混凝土。
    为保证连续梁大节段混凝土浇筑效率及连续性，本桥连续梁悬灌浇筑为泵送浇筑。每个Ｔ构两根泵管自地面连接至桥面两个挂篮施工部位，通过软管随时调整浇筑位置。浇筑时使用两台车载泵分别对Ｔ构两侧悬灌部位对称浇筑。
    大节段悬臂浇筑时由于挂篮悬臂长度大，引起的挂篮弹性变形也更大，因此浇筑过程中要严格控制浇筑顺序，避免挂篮变形引起混凝土接触面产生裂隙。
    大节段悬臂浇筑顺序为：先浇筑挂篮前端，消除挂篮弹性变形；再浇筑挂篮后端，充分填补接触面裂隙，即由挂篮外侧向内侧浇筑。浇筑顺序如图６所示。
               
    ４．２　合龙段施工
    本桥合龙顺序为先中跨合龙、后次边跨合龙、最后边跨合龙，合龙段利用挂篮做吊架完成施工。合龙的过程也是各个Ｔ构体系转换过程，由于挂篮重量达１２０ｔ，对全桥线型有很大影响，因此要按顺序对挂篮进行拆除、移位，以确保合龙精度，顺利完成体系转换。合龙及挂篮拆除顺序如图７所示。
               
    合龙段施工严格按照顺序进行，在设计合龙温度范围内完成施工。
    ４．３　预应力张拉
    本桥刚构连续梁为三向预应力体系，预应力张拉顺序为纵向→竖向→横向，张拉采取应力、伸长量双控，以应力控制为主。
    纵向预应力束有１９Φｓ１５．２、１７Φｓ１５．２、１５Φｓ１５．２钢绞线三种，采用４台４００ｔ穿心式液压千斤顶对两侧腹板对称张拉，不平衡张拉≤１束，张拉顺序遵循“先长后短、先内侧后外侧”的原则。竖向精轧螺纹钢采用７０ｔ液压千斤顶由后端至前段逐排逐根张拉，张拉时节段最前一排与下一节段一起张拉。横向预应力束为４Φｓ１５．２ｍｍ钢绞线，采用２７ｔ前卡式千斤顶自节段后端向前端逐根张拉，节段最前一排预应力束与下一节段一起张拉。
    本桥设计为５ｍ、５．５ｍ长节段，比相同跨度的短节段连续梁预应力束分布更简单，但每个节段所承载的预应力也相对更集中，特别是波纹管弯曲段，更容易引起应力裂缝的产生。合格的张拉是防范应力裂缝产生最简单有效的方法，因此在施工过程中更要严格遵循三向预应力体系的张拉顺序，高质量完成张拉施工。
    为保证张拉精度，张拉钢绞线时先使用前卡式千斤顶逐根张拉至设计应力的５％，确认无松弛钢绞线后再用４００ｔ千斤顶张拉。预应力张拉时按设计应力的１０％→２０％→５０％→８０％→９０％→１００％（持荷５ｍｉｎ）→９０％→８０％→５０％→２０％→１０％→０顺序张拉及卸载，并分别记录１０％、２０％、１００％应力状态时千斤顶的伸长量，按ΔＬ＝（Ｌ（１００％）－Ｌ（１０％））＋（Ｌ（２０％）－Ｌ（１０％））计算预应力筋实际伸长量，与设计伸长量对比，将误差控制在６％以内。为提高张拉精确度，计算设计伸长量时应加上工作锚与工具锚之间的钢绞线长度。张拉完成后２４ｈ内完成预应力管道注浆，避免应力损失。
    ５`施工监控
    施工监控分为两部分：数据采集，为监测；数据分析与处理，为控制。大节段连续梁悬臂施工主要监控内容为梁体应力监测、梁体线型监控、施工温度监控。本桥采用倒装分析法分析梁体应力及线型变化规律，确定各个节段的预抬值及应力分布情况。
    ５．１　梁体应力监测方法
    梁体应力监测的目的是掌握节段混凝土在荷载、预应力、收缩、徐变等复杂条件下的应力分布状态。本桥梁体应力监测方法为在关键截面预埋钢弦式应变传感器，使用检测仪器读取传感器的应变数据并换算出混凝土的应变。
    每个Ｔ构在０＃ 段与１＃ 段的接触面处各安装６个应变传感器，顶板、底板各３个，安装位置如图８所示。分别在每个新浇筑节段张拉后收集各传感器的应变数据，并分析梁体应力状态。
                 
    ５．２　梁体线型监控方法
    梁体线型监控质量直接影响连续梁合龙精度与成桥线型质量，是连续梁施工的关键控制点。大沙沟特大桥连续梁节段长，挂篮重量大，自重引起的下挠力矩大，梁底圆曲线分段少，每个节段的预抬量较大，要通过线型监控准确地将每个梁段的下挠值、预抬值、张拉后抬升值、徐变收缩等各种变形量相互抵消，使梁体成桥后达到预期线型。每个节段的线型监控分两次测量完成。
    第一次测量在挂篮模板定位前。测量定位模板轴线位置，设置预抬量，定位模板标高；测量上一节段的标高值，与其张拉前标高值对比，分析预应力束张拉与挂篮前移引起的挠度变化量。
    第二次测量在预应力束张拉前。测量梁体中线并在梁顶标记，作为轨道安装与挂篮定位中线；测量节段张拉前的标高值。
    连续梁线型控制主要以轴线与预抬值为主，轴线监控控制梁体纵向线型，预抬值控制每个节段挠度、梁体合龙精度及梁底圆曲线线型。每个节段的预抬值在设计量的基础上，还需加上挂篮的弹性变形值。如本桥４＃ 段设计预抬值４５ｍｍ，挂篮弹性变形值为１５ｍｍ，施工预抬值应为４５ｍｍ＋１５ｍｍ＝６０ｍｍ。
    连续梁合龙、挂篮拆除、体系转换均完成后，对全桥线型进行复核测量，对比分析线型监控措施是否达到预期效果。
    ５．３　施工温度监控
    施工温度监控分为两个阶段：悬臂施工阶段与合龙段施工阶段。
    悬臂施工节段温度监控的目的是选择合适的环境温度进行梁部测量放线工作，最大程度减小温度对测量精度的影响，一般选择每天早晨或傍晚进行测量放线。悬臂浇筑时也尽量选择一天中温度较低的时间段进行。
    悬臂施工阶段温度监控方法为现场使用温度计测量，并结合天气变化情况选择最佳施工时间段。
    合龙段施工阶段温度监控的目的是在与设计相符的温度范围内完成顶推、合龙劲性骨架锁定、混凝土浇筑等工作，确保合龙精度。本桥设计合龙温度为５℃～１５℃。根据天气变化状况现场测量气温，选择气温在５℃～１５℃范围内的时间段完成合龙施工。
    ６·结语
    通过采用大节段挂篮悬臂施工方法，大沙沟特大桥施工过程中各个悬臂节段线型均能满足设计要求，合龙误差最大为２０ｍｍ，达到预期效果；全桥合龙后线型满足设计要求；刚构连续梁预应力束张拉质量全部满足设计要求，全桥无应力裂缝出现。
    通过对大沙沟特大桥大节段连续梁挂蓝悬臂浇筑技术关键点，大沙沟特大桥大节段连续梁悬臂浇筑技术与普通桥梁悬臂浇筑技术相比，使用的挂篮尺寸大，挂篮整体在大尺寸的前提下设计得更简洁美观，操作简单，并减少了挂篮重量，更符合大节段悬臂施工需要；悬臂浇筑节段长，长节段引起的下挠力矩大，也是梁体圆曲线线型控制的难点，需要采取有效的线型监控措施才能保证施工质量。
    通过精确的张拉控制，刚构连续梁预应力束张拉质量全部满足设计要求，全桥无应力裂缝出现。
 
 
 
 
 
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