预应力连续箱梁挂篮施工技术应用与研究

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  中图分类号:TV52
  前言:目前桥梁施工中采用挂篮施工预应力连续箱梁愈来愈多,它可以在不影响通航、通车的前提下实现桥梁对河流、公路、铁路的跨越,优质、高速地完成桥梁的上部结构施工。适用于大跨径的预应力混凝土悬臂梁桥、连续梁桥、T型刚构桥、连续刚构桥等结构。
  掌握该项施工技术对我局拓展非水电建筑市场具有积极意义;本文以太(原)—澳(门)高速公路广东顺德至中山段,鸡洲高架桥主桥预应力连续箱梁施工实践为基础,对挂篮施工技术进行引进、消化、吸收。
  一.工程概况
  鸡洲河高架桥主桥位于佛山市顺德区伦教镇,全长335米,桥面宽33.5m,其中左幅:43+4×64+36m,右幅:36+4×64+43m。起点桩号左幅为K25+213,右幅K25+193,终点桩号左幅为K25+548,右幅为K25+528,桥墩中心线与路线交角为90°,承台与水流方向一致,与路线的右夹角为147.8°。上部采用预应力混凝土连续箱梁,为左右幅分离式单箱单室断面。主桥箱梁根部梁高采用3.5m,跨中梁高采用2.0m,中间梁高按1.75次抛物线变化;根部底板厚75cm,跨中底板厚28cm,中间梁高按1.75次抛物线变化;腹板除在0号块及端部加厚外,其余部分为70、55cm两种厚度,顶板厚度除在0号块及端部加厚外余均为30cm。箱梁顶板与桥面横坡一致,底板水平,各腹板保持铅直,为纵、横、竖三向预应力混凝土结构。左、右幅各设5个单“T”(主墩),每个单“T”中间为0号块(长8m),前后对称设1~7号块(长度为3.5m、4m)
  一个单“T”示意图
  二.工艺原理
  挂篮施工无须建立落地支架,无须大型起重与运输机具,主要设备是一对能行走的挂篮。挂篮可在已经张拉锚固的整体梁段上移动,绑扎钢筋,立模、浇筑混凝土、预应力张拉、压浆都在挂篮上进行。完成一个梁段施工后,挂篮对称向前各移动一个梁段,进行下一对梁段施工,如此循序渐进,直至悬臂梁段浇筑完成。
  在0号梁段上拼装后的一对挂篮
  移动中的一个挂篮
  建成通车的鸡洲河高架桥主桥
  三.工艺流程及操作要点
  (1) 挂篮的主要构造
  挂篮形式主要有三角形、菱形、梁式三种,鸡洲高架桥主桥跨度仅64M,且箱梁根部高3m,跨中高2m,最大梁段混凝土约46.86m3,127T;通过经济比较选择采用重量较轻、用材较省的三角形挂篮,行走方式为无平衡重行走。
  本挂篮由以下几部分组成:主桁承重系统;模板系统;吊锚杆系统;行走系统。其主要结构特点如下:
  1、主梁承重系统
  挂篮承重系统为三角形承重架,每个挂篮顺桥方向由2片承重架组成。相互之间与型钢联结在一起,形成整体。设计时使荷载作用于节点外,从而减小主纵梁的弯曲,达到减小梁的截面积,减轻挂篮的自重。杆件的计算采用容许应力法,杆件变形及承重架整体变形控制在15mm以内。
  2、吊锚杆系统
  挂篮吊锚杆采用高强度φ32精轧螺纹钢筋加工而成。后锚杆安装时,用千斤顶对其施加一定的预紧力,以保证梁段接缝的平顺。由于前吊杆在前节点受力后产生的挠度会使吊杆出现?=0.135°的转角,从而引起吊杆的弯折,为减小吊杆、挂篮系统存在的安全隐患,前后吊杆与前后横吊梁设计成螺杆与吊耳相结合的连接器组合结构,吊耳通过销接而成。
  施工过程中,要求吊锚杆均不能遇火及电焊,受撞击,以免其发生脆断。
  为方便模板调整,在前后横梁各设两根φ32精轧螺纹钢筋,用于调模板,而在砼浇注时要让吊带受力,这样即利用φ32精轧螺纹钢筋的方便灵活的优点,又克服了其稳定性较差及变形较大的弱点。
  3、模板系统
  (1)外模:采用面板为5mm厚的大面钢模。定尺加工,横楞采用[8,间距40cm。竖楞采用2[10,间距125cm。拉杆系用φ25圆钢筋,每根横楞采用3根拉杆,后锚拉杆锚固于上一梁段前排拉杆预留出的拉杆孔上,抵抗砼浇注过程的前推力,及保证模板与上一段砼接缝紧密,保证外观质量。前排拉杆布于梁端后30cm处。在腹板最高时每一腹板也只有4排12根拉杆,腹板最矮时只有两排8根拉杆。这样即做到了外观美观,又加快了施工进度。
  (2)内模:采用5㎜厚钢板直接铺设在外型尺寸与箱梁内腔尺寸一致的钢桁架上,施工时依靠内滑移梁及前后悬吊系统将模板与上一段砼接缝紧密。
  (3)底模:面板为5mm厚的大面钢模采用螺栓拼接成与箱梁底板面积一样大小整体大模,并用13根间距35㎝[10固定。
  4、行走系统
  本挂篮采用主桁及模板系统同时前移。主桁架通过前后支座及安全装置锚固在轨道梁上。
  行走时只需两台10T手拉链条葫芦,牵引主行枷架即可完成挂篮的前移。实际施工时挂篮前移一段只需用时6~8小时即可完成。
  (2)挂篮的拼装
  在各主墩0#块浇筑完成并张拉压浆后,即可在0#块梁面拼装施工挂篮,拼装时应按照试拼时构件相应位置,依据所做标记对号入座。如果0#块长度较短也可将0#~1#块同时施工以保证有足够长的安装位置。
  其拼装的一般程序为:轨道处找平及铺设钢枕→铺设滑轨→安放前后支座→吊装主桁架→安装主才桁架间的连结系→后锚及前支座固定→安装前上横梁→安装后吊带→安装底模架及底模板→安装内模走行装置→安装外侧模→调整立模标高。现分述如下:
  1、轨道处找平及铺设钢枕
  由于混凝土面较为粗糙,待0#块施工张拉完成后,应用1:2水泥砂浆对梁顶面铺枕部位进行找平处理。另外,由于桥面一般具有一定的横坡,外侧轨道处的桥面低于内侧轨道。为保证轨道平面高度一致,应在低侧轨道处加垫由[14槽钢焊制的方钢管;两方钢管之间放置2根于方钢管同样大小的枕木。于走行轨道范围内铺设钢枕。鉴于挂篮支点处在浇筑混凝土时承受很大的支反力,故此处垫梁应加密(不少于3根)。   2、铺设滑轨
  滑轨系采用长1~1.5m的2Ⅰ36加工成"II"字的型钢,型钢上下表面设有椭圆孔,孔间距与箱梁竖向预应力相同。
  在0#块施工预应力张拉完成后,从0#块中心向两侧安装。轨道穿入竖向预应力筋,找平轨道顶面,量测滑轨中心无误后,应用结构中的竖向精轧螺纹及螺母将轨道锁定。
  3、安装主桁架
  主桁架分片吊装,放至前后支座上,并旋紧连结螺栓,为防止倾倒,用脚手架和钢丝绳临时固定。按上述方法再吊装另一片主桁架。
  4、安装主桁架间的连结系
  采用吊车安装主桁架之间的连结系。
  5、后锚及前支座固定
  用长螺杆(φL32精轧螺纹钢)和扁担梁将主桁架后端锚固在已成梁段上,将主桁架下弦杆与轨道固定。
  6、安装前上横梁
  前上横梁吊装前,在主桁架前端先安放作业平台,以便站人作业,作业平台应设防护栏杆。前上横梁上的4根φL32精轧螺纹钢吊带、上下垫板,可一起组装好后,整体起吊安装。
  7、安装后吊带
  在0#块梁段底板预留孔内,安装后吊带,先安放钢垫块,千斤顶和上垫梁,后吊带从底板穿出,以便与底模架连接。
  8、安装底模架及底模板
  底模架吊装前,应拆除0#块梁段底部的部分支架,以便底模架后部能吊在0#块箱梁底部,前端与前吊带用销子连接,如起重能力不足可先吊装底模架,然后再铺装底模板。
  9、安装内模架走行装置
  吊装内模架走行梁,并安装好后吊杆,前端采用钢绳和倒链临时固定,最后用φL32精轧螺纹钢固定。
  10、安装外侧模
  挂篮所用外侧模首先用于0#块梁段施工,在上述拼装程序之前,应将外模走行梁先放至外模竖框架上,后端插入后吊架上(O#块顶板上预留孔,先把后吊架安放好)。两走行梁前端用倒链和锅丝绳吊在前上横梁上。
  用倒链将外侧模移至1#块位置,在0#块中部两侧安装外侧模走行梁后吊架,每个后吊点应预留两个孔,间距约为15cm。
  11、调整立模标高
  根据挂篮预压测出的挂篮弹性及非弹性变形值,再加上设计立模标高值,作为1#块的立模标高。
  (3)挂篮加载预压
  挂篮在出厂时已进行模拟压重试验,试验结果表明:挂篮的加工、安装质量以及弹性、非弹性变形值均满足设计要求,在施工现场拼装后还应进行预压工作,以消除非弹性变形值,并测得弹性变形值,为各块段箱梁立模抛高量提供依据。
  为保证挂篮承载能力满足使用要求,并有一定的安全储备,荷载拟至最大块体重量的1.2倍。挂篮的预压采用堆载法加压,每级加载前后都要对设置的观测点进行观测,并及时绘制荷载与沉降量关系曲线图,在加载完成后每12小时测试一次直至48小时的累计沉降量不大于2mm方可卸载,卸载后,按则得的沉降量及设计标高,重新调整模板标高。
  (4)挂篮悬浇施工
  (1)施工工艺流程
  挂篮在每个块段施工程序为:底模及外模调整就位→测量监控进行精调底模、外侧模→绑扎底板第一层钢筋、安放底板预应力管道(如有)→绑扎底板第二层钢筋、齿板钢筋→绑扎腹板钢筋→安放腹板竖向预应力筋→内模前移,调整就位→绑扎顶板第一层钢筋、安放顶板预应力管道和各种预埋件、预埋孔→绑扎顶板第二层钢筋→混凝土浇筑→养生、待强及预应力钢绞线穿束→预应力钢束张拉、压浆→前移挂篮。
  (2)挂篮的前移
  待1#块梁段施工完毕,挂篮即可行走,施工2#块梁段。按照设计图纸要求,每梁段混凝土强度达到设计强度的100%,且待强7天,可进行预应力张拉,当三向预应力张拉完毕后,即可前移挂篮。
  (3)钢筋施工
  挂篮前移就位并调整好立模标高后,开始进行绑扎钢筋及安装预应力管道。钢筋绑扎的顺序按照底板、腹板、顶板的顺序进行。
  (4)箱梁混凝土工程
  悬浇块段混凝土采取一次连续浇筑完成,浇筑顺序按照底板→腹板→顶板及翼板,当箱梁悬臂较短时,采用汽车天泵输送入模;当箱梁悬臂较长,汽车天泵无法作业时,采用卧式输送泵泵送。
  其施工要点如下:
  1、采用卧式输送泵泵送时,为保证两悬臂端平衡浇筑,在梁顶0#块位置采用"阀门式三通管",以控制浇筑过程中的最大偏差不超过设计允许值(即该梁段自重的30%)。
  2、当采用卧式混凝土输送泵混凝土时,为减少混凝土水分损失,泵管用麻袋包裹,在高温季节洒水降温,混凝土搅拌车包裹土工布冲水降温。
  3、箱梁腹板混凝土的浇筑必须对称、同步进行,以避免模板因受载不均产生偏斜。悬浇各块体的混凝土必须控制在混凝土初凝之前浇筑结束,以防挂篮变形产生裂缝。
  (5)预应力工程
  ①预应力管道安装
  波纹管安装应严格符合设计图纸的标准位置,并且固定牢固,锚垫板安装时,按图纸准确就位,且锚具垫板与钢束轴线垂直,垫板孔中心与管道中心一致。
  ②穿束方法
  对于长度≤10m的纵向钢绞线束,采用人工逐根穿入钢绞线;对于长度>10m的纵向钢绞线束,将所有钢绞线编束采用卷扬机牵引整束穿入管道。
  ③张拉施工
  张拉顺序为:先纵向、后竖向、横向,一定要对称张拉。
  ④封锚施工
  钢绞线束张拉完成后,考虑预留10cm封锚长度,使用砂轮切割机半多余钢绞线切除,采用高标号砂浆封锚。
  ⑤管道压浆施工
  箱梁纵向分为顶板束、腹板束、底板束,孔道较长且为曲线,压浆前需计算出每束孔道两端点与其最高点的相对高度,根据不同情况采取不同的压浆方式。
  (6)悬浇箱梁的挠度控制   悬浇施工梁体由于受自重、温度、外荷载等因素影响会产生挠度,砼自身的收缩、徐变等因素也会使箱梁的标高发生变化,这种变化随着跨度的加大而增加。为了使成桥后的桥面线型达到或接近设计曲线,必须在悬臂浇注时进行标高控制,在施工中对已浇注或准备浇注的箱梁各工序进行挠度、温度等观察,并以此随时调整悬浇注段的立模标高。
  立模标高控制值=箱梁顶面设计标高+设计施工预拱度+挂篮自重及浇注砼后的变形值+日照温差修正值。
  根据悬浇箱梁的施工特点,进行以下六大工况的挠度观测:
  a、挂篮移动前
  b、挂篮移动后
  c、混凝土浇筑前(提供立模标高)
  d、混凝土浇筑后
  e、预应力张拉前
  f、预应力张拉后(线控单位进行温度和应力测试)
  以上六种工况的测量,除对正在施工的块段外,同时对已完成的所有块段均要进行观测,以得到箱梁节段累计实际变形。工况观测均安排在上午8点之前完成,以消除箱梁上下截面温差的影响。
  箱梁挠度控制
  挠度控制主要包括理论计算、确定立模标高、高程监测及高程纠偏等几个方面。
  a、设计预拱度是理论计算的主要内容,
  b、挂篮底模标高确定
  c、高程监测和高程纠编的大部分工作是现场实际资料的采集,d、箱梁高程的另一个影响因素是主墩基础的沉降情况。
  (5)施工注意事项:
  1、箱梁墩顶0号块的施工方法,是采用在主墩上设置临时钢牛腿支架,还是在墩旁设钢管桩支架浇筑施工,要根据承台的平面尺寸、承台与桥梁纵向夹角、地质条件以及主墩的高度等因素综合考虑来决定。
  2、施工材料垂直运输方案的确定,水中墩且承台尺寸较大时,尽可能采用塔机方案,边墩由于场地条件较好,尽可能采取灵活方便的汽车吊方案;混凝土的垂直输送,为尽可能避免堵管、混凝土塌落度失控,宜选择汽车天泵方案。
  3、箱梁墩顶0号块件体积较大,混凝土浇筑可一次完成或二次完成,当采取二次完成时,第一次应浇筑至腹板顶,并在第二次浇筑时在靠近腹板的顶板和翼板内,沿垂直方向增设2~3层水平布置的防裂钢筋网。
  4、箱梁浇筑过程中,应严格控制箱梁线型,使之符合设计要求。各悬浇单“T”悬浇完成后,相邻两悬臂端的相对竖向标高差不应大于20mm,轴线偏差不大于10mm。相邻两个单“T”在最后1~2个号块也可采用瞄准法进行箱梁的线性控制。
  5、合拢段采用劲性骨架合拢,视实际控制情况在悬臂端加压水箱,在一天中气温最低时,在尽可能短的时间内,采用平衡施工法浇筑合拢段混凝土。
  四.施工组织:
  1、人员配备:钢筋工、支模工、张拉压浆工、电工、电焊工、起重工、普工以及现场施工员、技术员、质检员、安全员等配备齐全,且要求是具有丰富施工经验的熟练人员;特殊工种人员是经过法定机构考试合格的持证上岗人员。
  2、施工前组织技术人员、现场施工员认真学习图纸,掌握设计要求,对关键工序、重点部位的施工方法、步骤进行专题研讨。
  3、对所有参建人员进行详细的技术交底。
  4、按2~3个单T组建一个架子队,每个架子队按工种或工序组建工班,按流水节拍方法组织现场施工。每单T约需15~20人。具体工序安排时间如下图:
  六.结束语
  1、鸡洲河高架桥主桥预应力连续箱梁挂篮施工,是我们第一次组织该类型桥梁施工,通过施工实践,我们掌握了挂篮施工从挂篮设计、安装到各工序的施工组织与现场控制,实现了引进、消化吸收、掌握的目标。
  2、太(原)—澳(门)高速公路广东顺德至中山段,共设计预应力连续箱梁桥梁6座,鸡洲河高架桥主桥是唯一没有发现箱梁梁体有裂缝的桥梁。
  3、随着挂篮施工技术的发展,目前,挂篮的设计又有进一步的改进,通过加长横梁的方式,将挂篮的外侧悬吊吊杆移到箱梁翼板以外,这样一来不仅可以减少在箱梁上的预留空洞,避免移篮时挂篮的外侧悬吊吊杆的移动换位,而且可以提高挂篮移动时的安全可靠性。
  参考文献:
  1、桂业昆邱式中.《桥梁施工专项技术手册》,人民交通出版社。2005.1.
  2、雷俊卿.《桥梁悬臂施工与设计》,人民交通出版社。2000.5.
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