谈体内顶压挂篮预压施工方法

2011-10-18冯立崎

科学之友 2011年11期

冯立崎

（太佳高速公路黄河大桥建设管理处，山西吕梁 033200）

1 工程概况

窟野河大桥是陕西神木至府谷高速公路上的一座特大型桥梁，结构形式为23×30 m+9×40 m+88 m+4×165 m+88 m+69 m+4×130 m+69 m+76 m+4×140 m+76+3×43 m+50 m连续刚构，为全线最重要的控制性工程。主桥首次采用主跨165 m、130 m、140 m三个刚构单元组合形式，全长为2.3 km，是目前陕西省内规模最大的连续刚构桥。本桥首次采用2.5 m大直径嵌岩桩基础、不平衡单臂悬浇工艺、运用边跨现浇段代替合拢段一次性合拢、非对称合拢技术，首次在陕北地区梁体采用C55砼。技术难度高、施工难度大，采用先整体后分离式断面，双幅布设，桥面宽度为15.5 m，采用单箱单室箱形截面和直腹板形式，并且全桥箱梁采用三向预应力体系和挂篮施工工艺。

2 挂篮介绍

挂篮是悬臂施工中的主要设备，按结构形式可分为桁架式（包括平弦无平衡重式、菱形、三角形、弓弦式等)、斜拉式(包括三角斜拉式和预应力斜拉式)、型钢式及混合式4种。所谓挂篮施工，是指浇筑较大跨径的悬臂梁桥时，采用吊篮方法，就地分段悬臂作业。它不需要架设支架和使用大型吊机。挂篮施工较其他方法，具有结构轻、拼装简单方便、无压重等优点。根据混凝土悬臂施工工艺要求及设计图纸对挂篮的要求，综合比较各种形式挂篮特点、重量、采用钢材类型、施工工艺等，经过研究，窟野河特大桥采用三角轻型挂篮施工。该挂篮的主要特点有：①能承受梁段自重及施工荷载；②刚度大，变形小；③结构轻巧，便于前移；④适应范围大，底模架便于升降，适应不同的梁高；⑤结构形式简单、操作方便、传力较明确，安装方便省时省力。见图1。

图1 三角轻型挂篮

3 挂篮预压目的和方法

根据规范，挂篮在使用前必须进行预压试验。挂篮施工的最大隐患是挂篮倾覆倒塌，因此挂篮预压是挂篮施工安全管理的重要内容。

3.1 目的

（1）利用千斤顶对挂篮主桁架进行加载试验，可以验证设计参数和承载能力，实践检验了挂篮各构件，尤其是主受力结构的制作安装质量，验证了挂篮的可靠性。

（2）检验挂篮是否达到设计要求。

（3）可近似测得挂篮的弹性变形以及非弹性变形，为各梁段立模标高预抬值提供初步数据。

（4）消除了非弹性变形。通过预压（本桥采用120%等效荷载作用）达到消除挂篮非弹性变形的目的。

3.2 挂篮预压方法

窟野河特大桥第十一联Z48#墩预压采用先在已浇梁段上预埋钢板以及精轧螺纹钢，见图2，钢板以及精轧螺纹钢均用来固定反力架。通过反力架，在挂篮底模上放置千斤顶顶住反力架，用体内顶压的方式进行预压。见图3、图4。

图2 顶压方法示意图

图3 预埋精轧螺纹钢以及钢板示意图

图4 反力架顶压方法

3.3 构件介绍3.3.1 反力架

反力架是预压的主要构件，它的刚度以及变形量对于预压时测得的挂篮变形量有着直接的关系，所以必须尽量减少反力架的变形，采用稳定性高的三角托架。主横梁由双支工字钢焊接而成，支撑杆件以及竖杆由槽钢对口焊接而成。在主梁以及支撑杆件和竖杆上每隔1 m设置一道加强板。由于窟野河特大桥0#块距地面高度在50～70 m之间，所以0#块在考虑到场地工期以及材料各个方面后采用托架施工，故在0#块浇筑前每个墩均加工了三角托架。在0#块浇筑完毕后，三角托架在场地中处于闲置状态。此次挂篮预压使用三角托架充当反力架使三角托架重复利用，见图5，而且三角托架的刚度和变形量在0#块浇筑前托架预压中均已得到验证并取得各方面数据。所以使用此三角托架极大地节省了资金和时间。

图5 反力架

3.3.2 反力架相关计算（按照0#块重量）

3.3.2.1 稳定验算

最重两端为2#块，重量为178.1 t，因此取2#块重量为预压挂篮的基本预压力。每端预压力为挂篮最大受力的1.2倍。故每边共加载213.72 t，故总受力=2137 kN

单个三角托架受力P=2 137/2/2=534.25 kN

对支撑点（分配处）取矩，弯矩平衡：

F×5=534.25×（1.5+3）

求得预应力钢筋受力F=480.825 kN<523.5 kN

（每根ΦL32预应力钢筋极限应力930 MPa，设计控制张力为 523.5 kN）。

每根预应力钢筋的受力小于其最大受力，预应力钢筋设置了两根，更增加了安全储备，预应力钢筋必然满足需要。

3.3.2.2 反力架强度、刚度、稳定性验算

平托梁 I50a工字钢，δ=1.25 cm，A=119.25 cm3，g=93.61 kg/m，Ix=46472 cm4，Wx=1858.9 cm3，Sx=1084.1 cm3

AC杆强度、刚度验算:

B点挠度：

图6 计算简图

AD斜杆稳定性计算:

斜撑杆受力状况见图7，为两端铰接轴心受压杆件。

图7 斜撑杆受力图

经计算，斜撑杆的轴心压力N=1039.397 kN

斜撑杆截面性质：由2根36a槽钢通过钢板连接成组合杆件，中间加两块10 mmA3钢板加强截面

斜撑杆件组合截面性质如下：Iy=8534 cm4，A=205 cm3，I0=583 cm

由λy=90查得弯曲系数=86.299 MPa＜[σ]=210 mpa

由于反力架是由钢板焊接和精轧螺纹钢螺母锚固在1#块端头，所以在0#1#块浇筑前就需预埋钢板和精轧螺纹钢。需要提前根据千斤顶和分配梁的高度尺寸，严格控制预埋位置。在0#1#块浇筑完毕，挂篮拼装完成后开始安装反力架。反力架安装时，直接焊接在提前预埋的钢板上，并且使用精轧螺纹钢加固。每块焊接钢板上均有四根精轧螺纹钢做为锚固点。

3.3.3 分配梁

分配梁是为了使加载应力均匀分布，尽可能接近真实施工荷载，防止由于加载应力集中而损坏挂篮底篮，并且作为千斤顶施加荷载的力传递构件。它由双支45工字钢构成，见图8。

图8 分配梁

3.3.4 千斤顶

千斤顶是荷载加载设备。为了尽可能模拟真实施工荷载，并且根据预压试验所需要来施加荷载以及千斤顶性能，所以在预压时，共计使用8个千斤顶同时施加荷载。在大小桩号分别使用4个。在加载过程中，尽可能的做到同时同步加载。

3.3.5 预压荷载加载

预压前，要紧固后锚系统受力拉杆，特别是后锚点和前横梁系统的拉杆，使各拉杆能受力均匀。预压时，两个挂篮对称同时同步进行，设立指挥员一名，用哨子作为提示信号。本联挂篮荷载试验超载系数为1.2。

最重两端为2#块，重量为178.1 t，因此取2#块重量为预压挂篮的基本与压力。每端预压力为挂篮最大受力的1.2倍。故每边共加载213.72 t，分4级加载至最大值，见表1。每加载一级至理论吨位，均持荷25～30 min，并且必须十分仔细地观察上下前横梁标高，并严密关注挂篮系统是否有明显的变化。在加载至设计吨位后，观测挂篮各方面数据，并且在持荷1 h后再观测一次。测量各方面数据，见图9。

表1 分级加载表

图9 前横梁各点变化图

从试验结果可以看出，加载初期非弹性变形比较大，加载到一定程度，约30%时呈线性增长，为弹性变形，最大弹性变形为11 mm，非弹性变形为12 mm。经过变形数值分析，反算出块件重力作用下的挂篮变形值。挂篮强度满足设计使用要求，在试验过程中杆件与焊缝没有变形与开裂现象。在后续的混凝土浇筑过程中，挂篮各方面性能均满足使用要求。混凝土浇注完毕后复核梁段标高，均符合规范要求，见表2。

3.3.6 与传统预压方法比较

传统的预压方法主要有堆载预压（水箱预压、袋装砂预压）、千斤顶钢绞线预压等。

袋装砂预压也是比较成熟且广泛采用的一种方法，但是袋装、称量、拆除的劳动强度极大，而且周期长，如遇暴雨等天气，砂吸水可能造成挂篮过荷的安全影响。水箱预压对密封性和箱壁的刚度要求很高，焊接量大，危险性高，而且周期长，经济效益低。千斤顶钢绞线预压周期短，方便快捷。但是得预先在承台施工时就要设置预压所用的反力构件。早期承台施工至梁段施工时间很长，所以先前所预埋的反力构件可能会有损坏现象。在窟野河特大桥施工中，如果采用钢绞线预压，由于箱梁块段较长，且为承台宽度所限。挂篮锚固点与底锚位置不在同一轴线上，故在加载时会产生水平力影响预压效果，见图10。锚固在地面，满足其拉拔力的所用成本较高而且耗时较长。

表2 砼浇筑前后高程对比表

图10 钢绞线张拉示意图

而且窟野河大桥墩比较高，平均高度在60 m以上，如果用钢绞线预压，将造成极大的浪费。用传统的砂袋预压，加载过程中耗时也比较大。如果用反力架，由于各个T构并不是同时浇筑，故反力架还可以在各个T构之间重复利用，进一步降低成本。所以，在考虑以上几种方法的可操作性、周期以及经济效益后，用反力架千斤顶预压是比较快捷，且周期短、经济效益高的方法，见表3。