大跨度预应力斜拉桁架刚构桥悬臂浇筑施工技术

代敬辉

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300451)

1 工程概况

宜昌市夷陵区小溪塔大桥位于宜昌市夷陵区,跨越黄柏河,为连接丁家坝和冯家湾的城市主干道双虹大道上的桥梁,地处规划城区内,全长425.56 m。本桥上部结构为25 m(预应力简支箱梁)+85.5 m+173 m+85.5 m(预应力斜拉桁架式连续刚构)+45 m(预应力简支箱梁)；主桥斜拉连续刚构由上弦杆、下弦杆、腹杆组成。在两片斜拉桁架骨架之间,用横梁(桁顶横梁、节点横梁、端横梁)联结,然后在横梁上安装预制空心板梁形成桥面。横梁、下弦杆、上弦杆、拉腹杆、压腹杆、各节点、塔头均为C50现浇混凝土。上弦杆、受拉腹杆及部分下弦杆为预应力混凝土,受压腹杆及部分下弦杆为钢筋混凝土。小溪塔大桥主桥桥型布置见图1，大桥标准横断面见图2。

图1 小溪塔大桥主桥桥型布置立面(单位：cm)

图2 小溪塔大桥标准横断面(单位：cm)

2 移动挂篮设计

挂篮的设计、制作及安全操作是本工艺的关键技术。挂篮是实施悬浇施工的主要设备,悬臂挂在已完成悬浇施工的悬臂桁架上,用于进行下一节段的施工,如此循环直到桁架浇筑完毕。挂篮由承重系统、模板系统和工作平台组成。承重系统由主梁、横梁、平面联结系、前后吊杆、下限位器组成。主梁是主要承重结构,担负灌注梁段及模板等重力。它位于待浇筑梁段底面,主梁水平设置。每道主梁均由321型贝雷片组成,横向4榀贝雷片通过I16型钢和网片连成一体,且桥梁左右下弦杆的两道主梁通过平联连成一体,克服两道主梁失稳的缺陷。主梁共长18 m,前端悬出5.0 m作为后续腹杆施工平台,后端悬出40 cm确保后吊点并固定牢固。主梁的稳定除设有平联外,后端设下限位器,以防止其后移,并承受斜吊带传来的水平力。

斜拉桁架桥的挂篮与连续梁的普通挂篮不同之处主要有3点,其一,悬臂挂篮长达18 m,而连续梁的挂篮只有2～8 m,因此,挂篮的变形控制难度较大；其二,悬吊系统不同,普通挂篮的吊杆直而短,为后支点挂篮,而斜拉桁架桥则采用前支点挂篮,用斜吊杆作为主要传力结构；其三,行走系统不同,普通挂篮能沿轨道行走,而斜拉桁架桥的挂篮前移需要缆索吊来完成。移动挂篮结构见图3、图4。

图3 移动挂篮结构

3 桁架的节段施工

本桥在完成墩顶箱梁、大腹杆及桁顶节点和横梁施工后,即转入桁架节段的施工。每个桁架节段的施工工艺流程为：安装挂篮及施工平台；下弦杆、下节点及中横梁的浇筑；待下弦杆的混凝土强度达到80%后施工拉腹杆；待拉腹杆的强度达到85%以上后,进行拉腹杆预应力钢束的张拉和压浆；张拉后搭设支架进行压腹杆及上节点的施工；待压腹杆的强度达到80%后施工上弦杆；待上弦杆的强度达到85%以上后,进行上弦杆预应力钢束的张拉和压浆；张拉压浆后利用缆索吊前移施工平台；最后安装预制空心板。以此类推直至全桥合龙。如图5所示。

图4 移动挂篮照片

图5 主要施工步骤示意

3.1 安装挂篮

斜拉挂篮采用贝雷架拼装,拼装成整体后利用缆索吊前移到预定位置,后部锚固于已浇筑下弦杆节点处,前部在已施工的上弦杆节点上设置上斜拉吊杆锚固,用于控制悬臂工作平台底模模板高程。首先利用吊杆和斜拉索进行初步固定,然后根据监控单位提供的高程和中线对挂篮和中横梁底模进行精确定位,并固定牢固。

3.2 下弦杆、中横梁、下节点施工

在固定好的挂篮工作平台上,支立模板,绑扎下弦杆及中横梁钢筋,利用缆索吊机运输混凝土并浇筑。浇筑前在下弦杆底部预埋4根I40型钢作为下一阶段挂篮的后限位器,并安装本节段拉腹杆预应力钢绞线,在下弦杆预埋拉腹杆压浆管道。下弦杆混凝土浇筑完毕后3 d浇筑本节段下节点混凝土。

3.3 拉腹杆施工

下弦杆及下节点混凝土强度达到80%后,在已浇筑的下弦杆上搭设碗扣支架立模浇筑拉腹杆混凝土。由于腹杆长度较长，故分两段浇筑,在腹杆顶面侧模开窗,以利于浇筑混凝土和振捣施工,保证混凝土密实。由于腹杆是扇形斜面,故支架必须搭设牢固以免产生下沉变形。腹杆顶面与上一节段的上节点连接处设置成导斗形式,以免连接处不密实。拆模后将多余混凝土凿除并修面,最后一斗混凝土添加膨胀剂,防止连接处出现裂缝。

3.4 压腹杆、上节点施工

待拉腹杆混凝土达到设计强度85%以上,完成拉腹杆预应力钢束的张拉和压浆后,就可以搭设支架立模浇筑压腹杆混凝土,采用万能杆件支立模板,绑扎钢筋,并完成混凝土浇筑。在浇筑压腹杆前,压腹杆的支架与相邻拉腹杆用钢管连接,加强压腹杆稳定性。压腹杆浇筑后3 d立模浇筑上节点,在浇筑上节点时要预埋1根I40型钢,使两端露出混凝土20 cm,用于浇筑上弦杆牛腿。

3.5 上弦杆施工

将2根12 m长的I40型钢焊接于相邻2个上节点预埋工字钢上,12 m工字钢间距40 cm,通过焊接肋板加强工字钢的刚度并减小工字钢下挠,在2根工字钢上铺设方木竹胶板作为下弦杆底模,按照规范要求绑扎钢筋连接波纹管,安装本节段预应力张拉锚具。经监理检验合格后浇筑上弦杆混凝土。待上弦杆混凝土强度达到设计强度85%后张拉上弦杆预应力钢束,同一根上弦杆2根钢束应同时张拉,以免将上弦杆拉偏失稳,随上弦杆不断延长此项尤为重要。

3.6 挂篮前移

上弦杆张拉压浆完成后拆除所有支架,然后拆除斜拉吊杆及后吊杆,用缆索吊机将斜上横梁及斜拉吊杆调运到下一个上节点处安放到位,最后利用4个缆索吊钩同时起吊将挂篮前移到下一个即将施工的节段处。

4 合龙段施工

合龙段施工是悬臂浇筑施工技术一道非常关键的工序,本桥合龙段的施工顺序按先边跨后中跨的次序施工。边跨合龙段在挂篮端头搭设支架作为挂篮底部支撑,中跨合龙段将其中一个挂篮后移,将另一个挂篮前移,悬吊于已浇筑下弦杆预埋孔处,将整桥连为整体。前后吊点各用4根精轧螺纹钢连接,按设计要求施加配重。为保证合龙段的工程质量,施工中主要采取了以下措施。

(1)合龙段的混凝土应选用早强、高强、微膨胀混凝土,以使混凝土尽早达到设计强度,及早施加预应力,完成合龙段的施工。

(2)合理选择合龙顺序,使合龙段施工中及合龙后体系转换时产生较小的内应力,又能满足工期的需要。本桥按先合龙边跨后合龙中跨的次序施工。

(3)合理选择浇筑时间,最大程度地降低混凝土因温差产生的收缩变形。根据每天的温度统计,混凝土浇筑时间选在了当天气温平均温差最小时刻。

(4)加强混凝土养护,使新浇箱梁混凝土在达到设计强度前保持湿润状态,满足混凝土充分凝固所需的水分,并降低箱梁混凝土内外的温差。

(5)及时张拉。在合龙段混凝土强度达到设计强度的100%且龄期不小于5 d时,及时张拉预应力连续束以确保安全。

(6)支撑合龙段混凝土的吊架,具有较大的竖向刚度,以保证合龙段混凝土施工时悬臂端不致因升温产生过大的挠度。

(7)把传递内应力的预埋型钢按要求和数量焊接牢固,使合龙段两端的“T构”联结起来,持续到混凝土达到强度后,永久束张拉完毕,拆除挂篮。

5 超密钢束混凝土施工

桁架结构上弦杆的截面尺寸为114 cm×80 cm,截面中分布有18根预应力管道,桁顶节点处截面宽度只有140 cm,此处预埋波纹管道34根,管道交叉放置相当密集(图6),弦杆波纹管净间距只有4 cm,使得混凝土方量相对很少。另外再加上钢筋笼的约束,使得混凝土的浇筑非常困难,从而保证波纹管密集处的混凝土浇筑质量就显得至关重要。在施工中主要采取以下保证措施。

图6 预应力管道施工布置

(1)采取多种振捣方式进行混凝土施工振捣。在底模和侧模安装小频率的附着式振捣器进行间断振捣,严格按照施工规范的要求控制振捣时间。在混凝土浇筑时,从下料口使用小直径、小频率的插入式振动棒进行振捣。

(2)优化混凝土配合比,使用细石混凝土。原材料：水泥采用P.O 52.5水泥；砂子采用沙坪天然砂,含泥量为1.0%,细度模数Ux=2.96，级配属2区级配；石子：采用粒径10～31.5 mm和5～16 mm碎石,含泥量分别为0.2%和0.3%；外加剂采用VNF-5,掺量为1.5%；拌和用水：宜昌城区饮用水。推荐C50混凝土配合比见表1。

表1 C50混凝土配合比

6 高差30 m钢束真空压浆

上弦杆及腹杆的垂直高差比较大,按照常规的压浆方法施工难度大,压浆质量难以保证。为了保证压浆的质量,采取真空辅助压浆技术：压浆前,在密封孔道的顶端用真空泵抽吸预应力孔道中的空气,使孔道中的负压达到0.08 MPa左右,然后在孔道的底端用压浆泵以一定的压力将搅拌好的水泥浆体压入预应力孔道并保持一定的压力。真空压浆工艺的优点是：由于孔道内只有极少量的空气,浆体中很难形成气泡；同时,由于孔道内和压浆泵之间的正负压力差,使孔道中残留的水珠在接近真空的情况下被汽化,随同空气一起被抽出,大大提高了孔道内浆体的饱满度和密实度；孔道在真空状态下,减少了由于孔道高低弯曲对浆体的影响,便于浆体充满整个孔道。主要施工工艺如下。

(1)切除多余钢绞线,施工封锚。张拉完毕后,将多余钢绞线切割,用湿润水泥团封堵,再用双层塑料薄膜密封并绑扎固定在锚具上。在压浆之前对预应力孔道进行密闭,对有漏气的情况,再行用玻璃胶处理,以确保孔道密封。

(2)压浆前的准备工作。在压浆施工前,将锚垫板表面清理干净,保证平整；清理锚垫板上压浆孔,保证压浆通道通畅；确认浆体配合比；检查设备、辅件的型号或规格、数量；检查各单元体的密封连接。

(3)制浆。按照水泥浆配合比称量原材料,搅拌水泥浆。现场检查浆体稠度,达到规定指标时将水泥浆过滤储存到储浆仓中,并一直处于搅拌状态,储浆量不少于所需压浆量的1.3倍,其他指标满足规范要求。

(4)抽真空。打开阀门启动真空泵,观察真空压力表的读数。当孔道内的真空度保持稳定时停泵1 min,若降压低于0.02 MPa即认为孔道维持真空。若不能满足则表示孔道未能完全密封,需在压浆前进行检查及更正工作。

(5)压浆。当真空度达到并维持在负压0.08 MPa左右时,启动压浆泵,开始压浆。当浆体流进透明高压管时,将相应阀门依次打到相应位置,然后关闭真空泵。当进入透明高压管内流动的浆体稠度与盛浆桶内浆体基本一样时,关闭压浆泵,完成该孔道的压浆。

7 结语

宜昌市夷陵区小溪塔大桥是现浇预应力混凝土斜拉式桁架桥中跨度最大的桥梁,该桥结构设计独特,施工方案新颖,桥梁通车一年多来,社会反映良好。施工中我们自主设计并应用了轻型捷便的斜拉挂篮,同时攻克了超密预应力钢束情况下的弦杆混凝土施工和30 m高差真空压浆技术等难题,总结形成了大跨度预应力斜拉桁架刚构桥悬臂浇筑施工技术,积累了宝贵的施工经验,对今后类似桥梁的设计和施工起到了很好的借鉴作用。

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