南水北调大桥挂篮静载预压方案

夏 伟,李 杰

(郑州大学土木工程学院,河南郑州450001)

1 工程概况

南水北调大桥位于郑州市中牟县九龙镇小李庄村,是国道107线郑州段横跨南水北调总干渠的一座大型公路桥梁。南水北调大桥为分离式桥梁,分为上、下行两幅,其跨径为(70+110+70)m,上部结构为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁,单个箱体顶板宽21 m,板厚0.30 m,设1.5%的单向横坡;底板宽12.5 m,横桥向底板保持水平;箱梁翼缘悬臂长4.25 m,端部厚度0.18 m,对应悬臂2.5 m位置处,厚度为0.45 m,根部厚度为0.7 m;箱梁在桥墩处梁高6.5 m,跨中处梁高3.6 m,跨中至距桥墩中心2.5 m处箱梁梁高是按照抛物线变化。除在主墩墩顶设置两道厚1 m的横隔板,支座处加设一道半横梁及边跨端部设厚2.34 m的横隔板外,其余部位均不设横隔板。主桥如图1所示,大桥采用挂篮悬臂浇筑施工。

图1 南水北调大桥主桥立面示意图

2 菱形挂篮

挂篮是桥梁梁段悬臂施工中主要设备,它具有使用方便,安全可靠,并且一次性到位等优点,因此所有施工作业[1](例如绑扎钢筋、浇筑混凝土、预应力张拉等)都可以在挂篮上工作。在综合考虑了斜拉式挂篮、三角挂篮、菱形挂篮、撑架式挂等结构的特点,南水北调大桥主桥采用菱形挂篮施工。菱形挂篮由菱形主桁架、工作系统、悬吊系统、锚固系统、走行系统、模板等部分组成,各部分的功能为[2]：

菱形主桁架为挂篮的主要受力构件,采用三片菱形桁架组成,每片菱形桁架之间通过水平及垂直联结系联结成整体。桁架杆件采用接头节点板焊连接,联结系与桁架采用销轴连接。工作系统主要包括底篮和滑梁。底篮是直接承受梁段重和施工荷载的受力构件,同时也是立模、绑扎钢筋、混凝土浇筑、张拉预应力的操作平台。滑梁是支撑翼板和顶板混凝土重量及外模板和施工荷载的受力构件。

悬吊系统：包括上横梁和吊挂结构。底篮吊挂结构采用钢板吊带,有前吊带和后吊带,采用16 Mn钢板制作。通过调节前后吊带的长度来实现调整底模板的标高;外模板的外滑梁和内模板的内滑梁都采用Ф 32精轧螺纹钢筋吊挂,前端与上横梁吊挂销接,后端和已浇筑的翼板联结。

锚固系统：挂篮采用Ф 32精轧螺纹钢筋同挂篮走行轨道直接锚于竖向预应力筋上。

走行系统：包括轨道钢垫板前支座、行走装置后支座、反扣轮和牵引设备。利用连续千斤顶和钢绞线循环顶进,一次行走。

模板系统：主要包括外模板和内模板。外模板采用钢模,内模板采用竹胶板加支架由导梁支撑,内外模之间设Ф 25精轧螺纹钢筋作为对拉筋对拉,以侧模夹底模形式布置;外侧模与其支撑架焊为一体。梁高是通过调节底模板的高度来实现的。

3 挂篮预压试验

3.1 试验目的

挂篮的预压主要有两个目的[3]：①用来消除挂篮的非弹性变形求出其弹性变形,并且利用各级加载的荷载与弹性变形量的关系,利用最小二乘法模拟一个近似的线性的关系,在以后采用挂篮施工中求出各梁块重对应的弹性变形,确定各梁块立模的预抬量。②检验挂篮的安装质量,整体承载能力,确保桥梁施工的安全。

3.2 预压方案

挂篮的预压常采用的方法[4]有水箱预压、沙袋预压和千斤顶预压。结合南水北调大桥主桥施工现场条件,本工程采用沙袋预压,如图2所示。箱梁的每个“T”构对应于桥墩中心线沿纵向划分16个对称浇筑的梁段,其中0#、1#块采用现浇,2#～16#采用菱形挂篮浇筑,各梁段的长度在2.5～4 m范围之内,最大重量梁块为6#,梁重208.4t。根据《公路桥涵施工规范》及《公路施工安全技术规范》中悬臂施工规定,计算荷载按照最大梁重的1.2倍来计算,为250.08 t。采用的预压袋装满土的外形尺寸为高度×宽度×长度=1 m×1 m×1 m,一个沙袋大约为1.6 t,则总共需要156个沙袋,采取分级预压,并记录各级预压的测量数据。测点布置在底模的前后两端,有利于测量人员操作,在每个断面上布置4个测点,分别位于底模板的前后两端,底模板长边×短边=12.5 m×4.4 m,测点布置的位置见图3。采用计算荷载的倍数来加压,其加载的顺序0%→45%→60%→100%→卸载。在逐级加载的过程中有以下要求[5]：⑴每级要停顿1 h,进行测量,并作出记录;⑵在100%时要静压24 h,之后进行两次测量且两次的变形≤2 mm,方可卸载,否则应继续进行观测。⑶卸载后也要24 h后分两次观测,且两次的变形≤2 mm。根据加载与卸载记录的数据来计算挂篮的非弹性变形与弹性变形。

3.3 试验结果

本次预压总共花了4 d时间,有效地缩短了施工周期。以1号墩北侧挂篮预压为例,给出试验结果。预压记录数据见表1。

表1 1号墩北侧挂篮预压记录数据

从表1可以求出挂篮的非弹性变形量及弹性变形量[6],非弹性变形量为(127.806 7-127.798 5)m=8.2 mm,挂篮的弹性变形量为25.5-8.2=17.3(mm),没有超出挂篮弹性变形量限值20 mm。在各级荷载下的弹性变形为累计变形量减去非弹性变形量,由各级荷载的弹性变形数据可以用最小二乘法模拟出作用荷载与弹性变形量的线性关系式为

式中,y为各梁段的重量对应的变形量,单位mm;x为各梁段的重量,单位t。

可根据这个关系式计算出各梁段的变形来控制挂篮的变形。用Excel模拟弹性变形量方程如图4,与最小二乘法模拟的一样,验证了计算公式的正确性。

图4 1号墩北侧挂篮弹性变形量方程

挂篮在预压过程中吊杆没有出现松落,底部螺母没有出现旋落,走道梁没有发生倾覆或纵滑,主行梁及模板没有出现弯曲,说明挂篮的整体强度和承载能力满足要求,是安全可靠的。

4 结束语

以南水北调大桥主桥悬臂浇筑的挂篮预压为例说明了挂篮预压的整个过程,通过对菱形挂篮进行了预压,消除了非弹性变形,对各梁段施工的立模标高确定提供了可靠性的数据,为考虑挂篮的变形提供了指导;后锚固系统采用高强度精轧螺纹钢锚固,安全性较好。

[1] 李志明,范伟.挂篮在预应力混凝土连续梁悬臂浇筑施工中的应用[J].工业建筑,2002(1)：48-50.

[2] 刘斌.悬臂梁菱形挂篮预拼与变形试验[J].国防交通工程与技术,2010(6)：143-144.

[3] JTJ 041-2000.公路桥梁施工技术规范[S].

[4] 冯浩,杨志楚.元江大桥2#墩挂篮预压技术[J].云南交通科技,2003(4)：18-21.

[5] 鲍卫刚,周泳涛.预应力混凝土梁式桥梁设计施工技术指南[M].北京：人民交通出版社,2009.

[6] 唐春轩.连续钢构桥菱形挂篮预压实验技术综述[J].云南建筑,2008(2)：79-80.