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技术文章
 
 

新型柱板式高墩施工关键技术

2016-4-19 点击次数：[1837]
 
   0 引言
    近年来国内提出了一种新型柱板式高墩构造形式，其墩柱应用薄壁板及少量横系梁联系，与其他形式桥墩相比，具有较高的抗震和抗风性能。目前，柱板式桥墩在黄韩侯铁路纵目沟特大桥中首创应用，故本文以其为工程背景，对柱板式桥墩施工中的关键技术进行研究，为今后同类型的桥墩施工提供参考。
    1· 工程概况
    纵目沟特大桥位于陕西省白水县，为黄韩侯铁路线上的一座高墩大跨度连续刚构桥。该桥主桥上部结构为( 78 + 2 × 136 + 78) m 预应力混凝土变截面刚构，主桥长434m，桥高129m。
    纵目沟特大桥5 号主墩为新型柱板式空心高墩，墩高105m。墩身由4 根变截面立柱组成，立柱顶部30m 呈直线，下部75m 在纵、横桥向均按1. 6次抛物线线形设置，立柱之间设钢筋混凝土板相互连接形成矩形薄壁结构，墩身25m 以下板厚1m，25m 以上板厚0. 8m。墩身在25，50，75m 处各设置1 道高2m 的系梁，墩底5m 及墩顶3. 5m 为实体结构。墩底截面尺寸28m × 19m，墩顶截面尺寸10m ×10m。墩身内埋设［20a 劲性骨架，以减小墩身柔度，并在施工过程中作为模板支撑体系的一部分，以加强墩身模板体系的空间刚度( 见图1) 。   
              
    2· 柱板式高墩施工难点
    纵目沟特大桥5 号新型柱板式桥墩，其墩身设计新颖，具有高抗风、抗震效果，技术含量高、安全风险大、工艺复杂，且桥墩位于坡陡、沟壑地区，地势起伏变化较大，交通不便。有效的施工时间短，工期紧且施工难度大。目前国内同类型桥墩尚属首创，可借鉴施工经验很少，主要技术难点有以下几点。
    1) 柱板式结构空心墩结构复杂，墩身截面大，墩身内倾角度约11°，对模板要求高。
    2) 墩身Φ32 主筋数量多，质量大，并跟随墩身4个方向同时进行收坡，最大倾角11°，钢筋绑扎、定位困难。
    3) 墩身由4 根变截面立柱组成，立柱顶部30m呈直线，下部75m 在纵、横向均按1. 6 次抛物线线形设置，墩身线形和垂直度控制难度大。
    4) 墩身高达105m，受温度、风力的影响较大，受力复杂，沉降和应力监测控制难度大。
    5 ) 墩身混凝土浇筑量大，最大节段浇筑1 980m3，大体积混凝土的防裂是难点和重点。
    3 ·总体施工方案
    纵目沟特大桥5 号柱板式高墩，模板体系采用液压自爬升模板和悬臂模板相结合，其中外模、内模通过对拉螺栓连接，并与墩身内劲性骨架相连，组成稳固的空间体系。垂直运输采用臂长为47m的塔式起重机，塔式起重机安装在墩身小里程侧;人员上下通过施工电梯。混凝土浇筑时，墩身下部( 25m 以下) 采用汽车泵泵送入模; 墩身上部采用地泵泵送入模，地泵泵管固定在塔式起重机塔身内，上部直达施工平台连接内爬式壁挂安装式布料机。混凝土采用喷淋养护法进行养护，养护龄期≥7d［1］。
    4· 关键施工技术
    4. 1 新型柱板式高墩液压自爬模施工技术
    纵目沟特大桥5 号墩，施工前通过对设备可靠性、施工进度及经济效益等方面综合比选，确定外模采用液压自爬模模板，施工过程中自行爬升; 内模采用悬臂模板，爬升过程中利用塔式起重机辅助完成。模板设计为整体木模与钢模组合［2］。爬模体系如图2所示。
              
    4. 1. 1 液压爬模施工原理
    以达到一定强度( 10MPa) 的混凝土作为承载体，利用自身的液压顶升系统和上、下两个换向分别提升导轨和支架，实现架体与导轨的互爬，能够保证稳步安全爬升，再利用后移装置实现模板的水平进退。
    4. 1. 2 爬模施工工艺流程
    外模爬升作业流程为: 安装下架体→安装上架体→浇筑混凝土→上架体后移→导轨上移固定→架体液压上移→上架体前移→浇筑下一节混凝土。
    4. 2 新型柱板式高墩钢筋施工技术
    墩身主筋为Φ32 三级螺纹钢，最大倾角11°，最大浇筑节段钢筋重约120t。因钢筋自带倾斜角度，墩身施工中钢筋安装比较困难，倾斜角度过大直接影响钢筋混凝土保护层厚度，浇筑混凝土后容易出现表层裂缝，倾斜角度过小则会出现模板无法安装或浇筑后露筋等质量问题，钢筋定位准确与否直接影响模板安装和工程施工进度。
    施工时根据墩身浇筑高度和预埋钢筋长度，确定钢筋倾斜角度，并用垂球将钢筋投影至施工平台上画线标记，在劲性骨架上安装横向临时支撑，另一端沿标记线设水平杆，将墩身主筋并排斜靠于临时支撑水平杆上并进行临时加固，待主筋倾斜角度定位准确后进行加固，并绑扎墩身水平筋，使钢筋形成封闭式网格状环形稳定结构，拆除临时支撑，完成墩身钢筋绑扎。
    4. 3 新型柱板式高墩预应力横梁施工技术
    纵目沟特大桥5 号主墩墩身在25，50，75m 处各设置1 道高3m 的横梁，其中下横梁横桥向尺寸为19. 4m × 3. 3m × 3m，顺桥向尺寸为14. 7m ×3. 3m × 3m，在系梁处连接板厚度由1m 增加至3. 3m，墩身连接板在系梁位置内、外壁分别悬挑出1. 15m，相邻两立柱之间由梁连接形成框架结构，横梁采用托架法施工。外侧托架采用液压爬模的承重三脚架体作为承重牛腿，内侧采用预埋型钢组合的牛腿作为承重托架。
    外侧横梁施工拖架采用模板体系的承重三脚架作为支撑牛腿，在墩身浇筑至横梁底时在连接板处预埋爬锥，混凝土浇筑完成后拆除连接板处模板及液压模板三脚架体上的后移装置，在承重三脚架上沿横桥向铺设3 组2［20a 作为主梁，在3 组主梁上按60cm 间距顺桥向布置［16 作为分配梁，分配梁上按30cm × 60cm 布设顶托以支撑横梁底模体系，底模面板采用竹胶板后背10cm 木方进行加固。
    内侧横梁施工采用沿墩身横桥向预埋钢板，焊接牛腿三角托架，当墩身施工至横梁底端时，根据托架高度准确预埋牛腿钢板，托架沿横桥向大、小里程各布设4 根，其上通长铺设3 根I36a 作为主梁，以满足承重要求，分配梁布置同上。
    墩身上、中、下3 道横梁均为预应力结构，横、纵桥向各设置共24( 4 × 6) 束预应力筋，每束预应力钢筋均为9Φs15. 2 钢绞线。采用圆塔形锚具，单束张拉力1 563kN。采用200t 穿心式千斤顶施加预应力。预应力张拉采用单端张拉，张拉端交错布置，张拉顺序对称均匀张拉。
    4. 4 新型柱板式高墩监测控制技术
    高墩施工由于其长细比较大，整体抗推刚度小，相对于普通桥梁墩柱而言属于高耸的柔性结构。施工因素、环境因素会引起墩身施工过程中的扭转、位移，若施工放样时不加考虑，可能会导致墩身外观呈折线状，还可能引起重力二阶效应，影响墩身内力，所以对百米高墩，尤其是异形结构高墩，监测控制是其中的重点与难点［3］。
    4. 4. 1 建立模型分析风荷载对线形影响
    利用有限元分析软件ANSYS 对纵目沟特大桥5 号柱板式墩建立有限元分析模型［4］( 见图3) ，通过建模试验研究不同的外部条件、不同季节、日照、风荷载、塔式起重机作用等对墩身线形的影响，计算在施工过程和运行过程中短边迎风和长边迎风状态下桥墩风荷载响应，求出最大横向位移以及第1，3主应力的显示结果。在建立有限元模型的基础上按照7 级大风计算风荷载，风速取10m/s。
               
    1) 短边迎风状态下桥墩风荷载响应
    利用ANSYS 软件分析短边迎风状态下桥墩风荷载响应结果，其中施工过程中只在墩体底部加固定约束，运行过程中在墩体顶部和底部加固定约束。
    由分析结果可以看出，在风荷载作用下，施工状态下桥墩的最大横向位移为3. 612mm，位置出现在桥墩顶端。第一主应力的分布比较平均，但在横梁位置会有应力集中现象产生。第三主应力的最大位置出现在桥墩顶部，在系梁位置同样会出现应力集中现象。
    在风荷载作用下，运行状态下桥墩的最大横向位移为1. 059mm，位置出现在桥墩中上部。第一主应力的分布由上到下递减，无明显应力集中现象。第三主应力的最大位置出现在桥墩顶部，分布同第一主应力由上到下递减。
    2) 长边迎风状态下桥墩风荷载响应
    同理，根据以上分析方法可以得出，在风荷载作用下，施工状态下桥墩的最大横向位移为3. 655mm，位置出现在桥墩顶部。第一主应力的分布较平均，但在横梁位置有应力集中现象。第三主应力的最大位置出现在桥墩顶部，在横梁位置同样有应力集中现象。
    4. 4. 2 温度对墩身线形影响分析
    温度影响是桥梁施工监控中较难掌握的因素，也是不可忽视的因素，对于大跨度桥梁，它直接影响结构的变形和内力。这主要是因为温度在不同季节以及同一天不同时间段都是变化的，即使在同一时刻，桥梁结构各部分也存在温差，且温度梯度对墩身混凝土各截面的影响是不相同的，因此在结构计算中一般不把温度影响作为单独工况，而是将温度影响单独列出，作为修正。
    温度影响变化无常，每座桥都有各自的特点，所以施工控制前必须加强观测监控，及时发现并掌握其规律，尽可能减小甚至排除温度产生的不利影响。根据纵目沟特大桥5 号墩现场观测数据，可以得到仪器在测距为1km 时，温度每变化1℃产生的测距误差约为1. 1mm; 大气压每变化100Pa，产生的测距误差为0. 3mm。实际施工中尽量选在清晨时间校模，清晨墩身温度场均匀，墩顶没有因温度差引起的位移，此时的测量结果准确可靠。
    4. 4. 3 1. 6 次抛物线线形分解和测量控制
    纵目沟特大桥5 号主墩墩身由4 根变截面立柱组成，立柱顶部30m 呈直线，下部75m 在纵、横桥向均按1. 6 次抛物线线形设置，立柱之间设钢筋混凝土板相互连接形成矩形薄壁结构。根据设计方程可以算出纵向外侧轴线、中心轴线( 连接板中心) 、内侧轴线距离纵向墩中心轴线的距离和四角的矩形尺寸，同理可算出横向尺寸。整个墩身由12 个圆弧、12 个倒角组成，矩形四角采用0. 5m 直径圆内切，连接板和矩形采用0. 25m × 0. 5m 直倒角。放线时分别计算出12 个点的坐标，左、右偏距，利用墩身中心对称计算出墩中心坐标和方位角。在此过程中辅以激光铅垂仪对墩身26 个节段施工进行校核，在墩内人行步板上对应位置切割1 个20cm × 20cm的方洞，并把激光靶安装于此洞上。在承台平面上架立三脚架，安装垂准仪，打开向下发射激光束按钮，对中后精确调平垂准仪。关闭向下发射按钮，打开向上发射激光按钮，调节物镜焦距，使激光束在靶上形成1 个直径1mm 的光点，在靶标表面光点中心做标记，任意水平转动垂准仪，看多次光点中心偏差是否超过1mm，若超过则重新调整垂准仪，直至光点中心偏差不超过1mm，此时激光束竖直线即为该控制点的垂直方向线［5］。截面垂直度控制点布置如图4 所示。
              
    4. 4. 4 变形监控
    1) 桥墩沉降监控
    测点布设方法为: 承台4 个观测点，埋设位置如图5 所示。Φ20 测点钢筋头露出承台顶3cm 左右，端部加工磨圆并涂上红油漆，或预埋钢筋弯出承台。测点布置好后还应注意保护，设置醒目标识，警示现场作业人员及机械注意保护，同时加强现场巡视，一旦测点遭到破坏立即设法重新补设。
    边线垂直度测量采用全站仪进行。模板支立完成后，用全站仪对新型柱板式空心墩的关键点( 见图5) 进行复核，根据复核结果再调整模板。混凝土浇筑完后及时对结构尺寸进行测量，防止胀模等现象发生。将每一施工节段完成后测得的垂直度控制点的数据与设计数据进行比较，得到施工误差，按照施工误差进行下一节段施工时的模板调整。
             
    2) 桥墩应力监控
    考虑到墩身高达105m，墩身受温度、风力的影响较大，受力复杂，因此在距离承台顶面向上2. 8m处和距离墩顶向下0. 8m 处的截面上分别布置4 个钢弦式应力计，进行应力观测。桥墩应力测点布置如图6 所示。
             
    根据结构的力学和几何参数、施工荷载以及预应力数值等确定出控制截面的位置并计算出控制点上的应力，与在相应的点上布设应力测试元件所测实测值进行比较。采用理论和试验相结合的方法，对不一致的地方进行分析和调整，确保桥梁施工时控制点上的最大应力在目标控制范围之内。
    4. 5 新型柱板式高墩墩身防裂施工技术
    墩身混凝土浇筑时采用先立柱后连接板对称交替浇筑，保证混凝土连续性，使新浇筑混凝土与已浇筑混凝土有效衔接，避免墩身出现施工冷缝。在墩身混凝土中1m3 掺加0. 8kg 聚丙烯纤维预防墩身裂缝产生。并选用干缩值较小、早期强度较高的普通硅酸盐水泥，严格控制水灰比，添加高效减水剂来增加混凝土的坍落度与和易性，减少水泥及用水量，加强养护避免塑性收缩裂缝产生。合理安排施工工序，分层、分块浇筑，以利于散热，减小约束，墩底实体段按大体积混凝土施工，内部设置冷却管道，通水冷却，减小混凝土的内、外温差预防墩身混凝土出现温度裂缝［6］。控制承台与墩身及墩身每个节段混凝土浇筑时间间隔，防止二者因混凝土收缩徐变不同步，膨胀系数差异较大而造成墩身混凝土开裂。跨年度施工时，在相邻两节段墩身钢筋外侧增加高强防裂钢丝网片，有效防止墩身开裂。
    5· 结语
    1) 新型柱板式高墩墩身施工选用液压木质爬模体系最为合适，液压木质爬模体系质量小、造价相对较低，施工方便快捷，模板与液压平台为一个完整的体系，施工时可以利用液压平台的刚度调整墩身模板，实现模板自爬，大大减少塔式起重机的作业强度。
    2) 墩身主筋倾斜角度定位，利用墩柱内劲性骨架连接临时钢筋定位水平杆，快速定位钢筋倾斜角度，解决了无法利用传统高墩施工钢筋绑扎辅助架的难题，大幅度提高施工工效。
    3) 墩身横梁沿墩身内、外壁悬挑出连接板1. 15m，外悬挑部分利用液压爬模承重三脚架作为支撑，内悬挑部分采用托架法施工，有效提高了墩身施工进度。
    4) 在柱板式高墩墩身结构施工中，墩身线形控制至关重要，施工中应从墩身浇筑节段划分开始着手，通过建模试验分析不同外部条件下日照、温差、风荷载对墩身线形的影响，制订切实可行的线形和垂直度监控方案，确保线形美观、质量可靠。
    5) 对于柱板式高墩墩身结构在施工过程中必须对其进行变形监控( 沉降监控和应力监测) ，以保证工程顺利安全完工。
    6) 纵目沟特大桥5 号柱板式桥墩通过优化混凝土配合比、添加聚丙烯纤维、控制各节段混凝土浇筑时间间隔、应力集中区增设防裂钢丝网、自动喷淋养护等措施进行墩身抗裂，为今后铁路建设中该类型墩身的推广及施工积累了宝贵的施工经验。
 
 
 
 
 
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