大跨径预应力混凝土连续刚构桥悬浇施工技术
2013-04-29万建平
万建平
摘要：大跨径预应力混凝土连续刚构桥常常采用对称悬臂浇筑法施工。为了保证桥梁施工质量和桥梁建设安全，确保连续梁桥成桥后的主梁线形和结构内力符合设计要求，桥梁施工关键问题探析是不可缺少的。本文对大跨径预应力连续刚构桥的特点、施工方法进行概括介绍，对0号块的施工、箱梁悬浇施工、箱梁预应力张拉、合拢段施工等技术进行了分析，为同类型的工程提供参考。
关键词：连续刚构；O号块的施工；悬臂浇筑；合拢段施工
中图分类号：U448.21+5
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2013）09-0106-03
1 工程概况
湖南醴茶高速公路1标由常德路桥承建，其渌水大桥桥长781.3m，桥面单幅净宽11.5m，总宽12.5m。起讫桩号为左线ZK25+827.35-ZK26+608.65，右线YK25+801.45-YK26+588.65。
本桥位于R=2500m的右偏圆曲线上，全桥墩台中心线均按径向布置：跨径组合为（4×40+65+120+120+120+65+3X40）m，其中主桥（65+3×120+65）m采用预应力混凝土变截面连续刚构箱梁，挂篮分段悬浇施工，引桥3×40m，4×40m均采用预应力混凝土组合T梁，先简支后连续结构，采用架桥机吊装施工。
主桥箱梁根部梁高7.3m，跨中梁高2.7m，顶板厚28cm，底板厚从跨中至根部由32cm变化为70cm，腹板从跨中至根部分段采用40，55，65cm3种厚度，箱梁高度和底板厚度按二次抛物线变化。箱梁顶板横向宽12.5m，箱底宽7.0m，翼缘悬臂长2.75m。箱梁0号节段长12m（包括墩两侧各外伸1.5m），每个悬浇T构纵向对称划分为14个节段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为6×3.5m，8×4.0m，节段悬浇总长53m。悬浇节段最大控制质量154t，挂篮设计自重70t。边、中跨合龙段长均为2m，边跨现浇段长4m。箱梁根部设2道厚1.7m的横隔板，中跨跨中设1道厚0.3m的横隔板，边跨梁端设1道厚1.2m的横隔板。主桥上部构造按全预应力混凝土设计，采用三向预应力，纵、横向预应力采用国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224-2003高强度低松弛钢绞线，其标准强度fpk=1860MPa，E0=1.95×104MPa，松弛率<0.035，设计锚下张拉控制应力1395MPa。箱梁纵向钢束每股直径15.2mm，大吨位群锚体系：顶板横向钢束每股直径12.7mm，扁锚体系：竖向预应力采用精轧螺纹钢筋。纵向预应力束管道采用预埋塑料波纹管成孔，真空辅助压浆工艺。
2 施工方案
预应力混凝土悬浇连续刚构施工工艺流程为：下部结构施工完成后，在墩旁托架上浇筑0号块，其余块件（除合龙段及边跨现浇段外）均以挂篮悬臂对称浇筑，并张拉各阶段预应力钢束，直至最大悬臂；然后按先边跨后中跨的顺序依次合龙；最后进行桥面系施工。
连续刚构0号块采用梁式支架配合牛腿托架形式在墩顶进行现浇施工，1～14号块采用菱形挂篮悬臂现浇，边跨现浇段采用墩身托架现浇施工，次中跨、中跨合龙段采用挂篮现浇施工，混凝土施工时各节段一次浇筑完成。
箱梁混凝土由拌合站集中拌合生产，混凝土搅拌车运输至施工点，然后用混凝土输送泵泵送至工作面。混凝土采用分层浇筑，分层厚度控制在30cm左右，纵向分段斜向分层，0号段从悬臂端向中间方向进行，主梁节段混凝土浇筑从悬臂端向墩中心方向分层浇筑，每层30cm，每个节段主梁混凝土灌注顺序的原则-是底板一腹板一顶板。合龙段从节段中心向两侧进行。
3 关键施工技术
3.10号块施工方案
0号块采用托架在墩顶进行现浇，如图1所示，在墩身施工过程中，在设计位置预埋钢板，设置承重牛腿，并利用槽钢和钢管搭设0号块托架的安装平台。
根据0号梁段的悬空、高墩、结构复杂、底层钢筋密集、混凝土强度高且用量大的特点，采取牛腿、托架法进行施工，设计一整体悬臂托架，通过牛腿附着在墩身，三角托架作为混凝土的承重体系和作业平台，混凝土荷载通过托架传递到墩身上（见图1）。按支架设计的承载能力及施工操作性，将0号段分2次浇筑，每次浇筑高度H1=3.5m（混凝土约183m3），H2=3.8m。为减少施工中混凝土膨胀、收缩不均、温度应力等不利因素，两次浇筑混凝土时间控制在15d以内，确保混凝土浇筑质量。
3.1.1托架结构
托架为墩顶梁段施工的承重体系，主要由附着牛腿、三角托架、纵横大梁、钢管支撑、模板分配梁、模板组成。在墩身正、背面（宽7m）各设6个三角托架，1个墩（双肢墩）共设24个附着位置点预埋牛腿。三角托架在悬臂端及墩身间采用140a作上平杆，一端与上牛腿焊接，一端与由2[20b加工的斜撑杆销接。斜撑杆除上端与上平杆悬臂端销接外，另一端则与下牛腿进行销接。
横梁采用132b，间距110cm布设。底模分配梁采用120b，再通过横向布置方木作为模板的背楞，用顶托调整标高，底模采用墩身大块钢模板拼成。
作业平台采用悬伸出的工字钢形成伸臂式平台担梁，再在担梁上铺设5cm厚木板、1m高围栏、挂安全网形成封闭式平台。
3.1.2托架预压
采用成捆钢筋和成捆钢绞线进行整体预压。预压的目的是为了消除非弹性变形量，测定弹性变形量为悬臂浇筑提供立模标高。加载值为浇筑混凝土自重的1.2倍。加载分级进行，第1级为计算荷载的40%，间隔2h后进行第2级加载40%，再间隔2h后进行第3级加载20%。全部加载后24h后再逐级卸载，逐级测量并详细记录。
3.1.3模板安装
铺设横向方木和底模。横向方木尺寸为100mm×100mm，间距30cm，在方木与纵向分配梁间布置顶托架，利用木楔调整底模标高和底模脱模。侧模利用挂篮模板，内模采用墩柱大块模板。外侧模采用塔式起重机安装，先安装一侧模板，然后用缆风绳和倒链固定好后，再上另一侧模板，并用型钢相互固定。就位后加强支撑，防止跑模、倾覆。堵头模板因有钢筋及预应力管道孔眼，模板采用6mm钢板加焊50×5加工而成，对预留孔眼采用精确钻眼形成，与侧模采用M18螺栓连接，随混凝土浇筑高度升高。堵头模板采用多块拼装形成，每块均要编号，以便在下节段悬浇施工中快速准确定位。
3.1.4钢筋绑扎安装
钢筋在加工场集中加工制作，运至现场由塔式起重机提升现场绑扎成型。0号梁段钢筋分2次绑扎：①第1次搭设钢管支架和工作平台，安放底板及至4m高腹板钢筋、竖向预应力管道及预应力筋。②第2次搭设钢管支架和工作平台，竖向预应力筋和普通钢筋绑扎接高到顶，安放顶板钢筋、横向及纵向预应力管道，同时接高竖向预应力管道到顶。
3.1.5混凝土浇筑
0号梁段混凝土共388m3分2次浇筑，第1次浇筑底板和至3.5m高的腹板与横隔板，约183m3；第2次浇筑余下的腹板、顶板及翼缘板。
每次浇筑均采用2台混凝土输送泵分别从中间向两端浇筑，浇筑速度≥20m3/h。在钢筋比较密集位置采用30mm的高频插入式振捣器。隔墙人孔以下混凝土采用局部开口的方法加强捣固，小断面处的混凝土通过加强捣固确保浇筑质量。
3.1.6施工缝处理
1）设置剪力槽。在第1层混凝土浇筑完毕、初凝之前，采用预埋梯形锥体木盒形成凹槽。
2）埋设锚固钢筋。在腹板位置两侧钢筋附近沿纵向按照35cm间距插入16钢筋，每根长1m，接缝两边各锚固50cm。
3）混凝土强度达到10MPa后，对接缝表面进行凿毛，把表面的浮浆和松弱层凿掉，并用水冲洗干净，露出新鲜混凝土面。
4）在第2次混凝土浇筑之前对表面进行清洗（应注意防止剪力槽积水），确保接触面干净。
5）牛腿预埋钢板深埋2-3cm，拆除托架后在钢板四周外墩柱混凝土上用砂轮切深2cm缝，凿除干净后挂2cm×2cm钢丝网，用小石子混凝土掺108胶封闭。
3.21～14号箱梁悬浇施工方法
3.2.1挂篮选型
T构顺桥向分为14个对称节段，梁段最大重约154t，全桥8个T构共投入16套菱形挂篮。挂篮设计按其所承受的最大梁段重及施工荷载等，按最不利荷载设计加工。该挂篮结构简单，受力明确，前端及中部工作面开阔，可以从挂篮中部运送混凝土，便于轨道安装以及腹板、底板钢筋吊装，加快施工进度。挂篮设计如图2所示。
3.2.2主要技术性能
1）适应最大梁段重200t。
2）适应最大梁段长4m。
3）梁高变化范围7.3-2.7m。
4）最大宽度，顶板为12.5m，底板为7m。
5）走行方式为无平衡重走行。
6）挂篮自重为58t。
7）工作状态倾覆稳定系数>2.5。
8）走行状态倾覆稳定系数>3.0。
3.2.3挂篮锚固系统
箱梁矮腹板侧的竖向预应力筋每根加长32cm（超出梁面38cm），高腹板侧竖向预应力筋每根长18cm（超出梁面24cm），竖向预应力筋穿过挂篮下扁担梁与滑道利用高强螺帽锚固间距50cm。
挂篮后锚采用（D32高强精轧螺纹钢筋，每个后锚用3根扁担梁、6根精轧螺纹钢筋穿过箱梁顶板锚固，如图3所示。锚固后后支座板钩应脱离轨道。
3.2.4挂篮的前移
待已浇筑梁段混凝土强度和弹性模量达到设计要求，纵向预应力筋完成后即可前移挂篮。挂篮前移步骤如下。
1）接长轨道。
2）将底模平台后横梁用手拉葫芦悬吊于外模走行梁。
3）拆除底模平台后吊杆。
4）同时下放前吊杆，外模走行梁前吊杆和悬吊滚轮，使底模平台和外侧脱模。
5）拆除挂篮后锚。
6）轨道前端安装手拉葫芦，牵引主构架前移，并带动底模平台和外侧模前移。
7）注意事项：①确保T构两端挂篮同时移动；②拆除后锚前要认真检查反扣轮各部连接是否可靠，发现异常及时处理；③挂篮移动前要调整底模平台和外侧模水平，并检查挂篮各部位连接情况；④挂篮移动要统一指挥，防止脉；中式行走；⑤移动过程中要用2台手拉葫芦拉住挂篮后节点，防止溜车事故发生。
3.2.5挂篮加载预压
在一平整场地，将一套挂篮的2片主桁架平放对置，后端用精轧螺纹钢锁定，前段用千斤顶对拉。操作步骤如下。
1）将3根滑移梁放在平地上并抄平垫好，使3根梁在同一水平面上。
2）将2片主桁架水平放置在滑移梁上，对称放置，并垫平。
3）将桁架后端用6根32精轧螺纹钢锁定。
4）前端用相同直径的精轧螺纹钢一端穿入锚具固定，一端穿入千斤顶张拉。
5）加载程序为0→20%持荷1h→40%持荷1h→60%持荷1h→80%持荷1h→计算荷载持荷12h→卸载。
6）每次加载张拉时应测量挂篮的变形量，记录力与位移量。
7）加载试验完成后，卸载程序与加载程序相反。通过挂篮预压试验，经对试验结果和数据进行分析，准确测定挂篮桁架的弹性和非弹性压缩变形量，消除非弹性变形，得出各段梁重与挂篮弹性变形的关系，最后绘制梁重一挂篮弹性变形曲线，进行内插得到，此部分变形值在计算梁段实测标高与理论标高误差时应从立模标高中予以扣除。
3.2.6挂篮拼装
在浇筑0号块混凝土强度达到90%并张拉压浆后，用塔式起重机在已浇0号块混凝土上拼装挂篮，具体步骤如下。
1）准备工作：在浇筑0号段混凝土施工时，准确设置预留孔，内、外模在地上拼装完，挂篮主桁架预压完毕。
2）0号段浇筑完成后，在桥面上安装钢枕和轨道，利用竖向预应力钢筋锚固轨道。
3）将主桁架利用塔式起重机吊装到位，用扁担梁锚固在轨道上，并用倒链左、右拉紧，将主桁架固定。
4）拼装两主构件间横向连接系、前上横梁，将临时倒链去除。
5）安装底模内的前、后横梁。
6）安装底模桁架、底模板。
7）安装外模板（包括滑移梁）。
8）安装内模滑移梁。
3.2.71～14号块悬浇施工
悬臂梁浇筑采用高压混凝土输送泵输送混凝土，一次性浇筑成型。施工过程中应注意以下问题：
1）混凝土浇筑前对前一梁段梁混凝土结合面进场凿毛，清洗杂物，纵向非预应力钢筋采用搭接。
2）采取水平分层斜向推进的方式，每层30cm，按照部位浇筑顺序划分为底板、腹板、顶板、翼板，纵向由悬臂外侧向根部推进，浇筑速度需≥20m3/h。
3）T构两端施工荷载要尽可能保持平衡，并注意左、右偏载，两端浇筑混凝土进度之差需≤2m。。
4）当混凝土自由落体高度>2m时，必须采用溜槽或导管输送，以保证混凝土的浇筑质量。
5）混凝土振捣严格按照振捣棒的作业范围进行，谨防碰撞预应力管道、模板、辅助设施等。加强倒角、张拉齿板、锚垫板下混凝土的振捣，以防出现蜂窝、麻面、漏振等现象。
6）浇筑前对材料（水泥、石子、砂）及各岗位的人员、机械的备用一一落实。混凝土输送泵要有备用，项目部投入90拌合站2座，为防止停电，每站备有1台250kW发电机，确保混凝土连续供应。
3.3箱梁预应力张拉
张拉预应力筋在梁体混凝土强度及弹性模量达到设计规定的强度后进行，且必须保证张拉时梁段混凝土龄期≥5d；张拉纵向预应力筋采用两端同步张拉，先张拉长束，后张拉短束。张拉顺序先腹板束，后顶板束，从外到内、左右对称进行。箱梁横、竖向预应力采用滞后张拉工艺，即张拉n号箱梁节段纵向钢束后，张拉n-3节段的横、竖向预应力钢束，竖向预应力精轧螺纹钢筋张拉采用二次张拉工艺，即在第1次张拉完毕后1-2d进行第2次张拉，弥补由于操作和设备等原因造成的预应力损失。横向预应力钢束张拉端为交错单端张拉。预应力束均采用真空辅助压浆，即在普通压浆的基础上用真空泵排除多余空气，使孔内形成0.1MPa的负压，然后再压浆。操作时，抽真空与压浆是一个连续过程，从而使管道压浆达到饱满而密实的效果。
4 合龙段施工
主桥箱梁共设5个合龙段，即2个边跨合龙段、2个次中跨合龙段、1个中跨合龙段。每个合龙段长2.0m，边跨合龙段混凝土16.91m3，梁段重44.0t；中跨合龙段混凝土23.85m3，梁段重61.3t。桥箱梁合龙由边至中对称进行，即先合龙边跨，后合龙中跨。合龙段采用吊架进行施工，以减少挂篮重对线形控制的影响。临时锁定采用2根[40焊接而成，在顶、底板各设2道。如图4所示。
合龙段施工方法如下：
1）在14号段施工时预埋合龙段模板吊装孔及2cm厚临时锁定钢板，在钢板后方加焊板肋加强，梁内埋设加强钢筋。
2）外模滑移就位。将挂篮整体迁移至合龙段另一悬臂端。
3）安装合龙段吊架：在悬臂端预留孔内穿入钢丝绳，吊起底篮前横梁及内、外滑移的前横梁，拆除挂篮前吊杆，调整底篮及外滑梁就位，安装锚杆、吊杆和连接器将模板系统锚固稳定。
4）拆除挂篮。两端同步对称拆除挂篮。
5）设置平衡重。采用在悬臂端的水箱中加水的方法设置平衡重，边浇筑混凝土边放掉水箱中的水，使吊架两端基本保持恒载。
6）钢筋、预应力管道安装。钢筋在加IF集中加工成型，运至合龙段绑扎安装。底板束管道安装前试穿所有底板束，发现问题及时处理。
7）合龙段锁定。在混凝土浇筑前几天凌晨最低温时，将支撑型钢焊于两侧梁内预埋钢板上起到支顶作用并起部分抗拉作用，焊接时焊完钢骨架一端再焊另一端。次中跨合龙段在锁定前用千斤顶施加700kN的力将合龙段缝隙顶开撑大，中跨合龙段顶推力为1500kN。
8）混凝土浇筑。合龙段混凝土采用早强、高强、收缩少或微膨胀混凝土，以便及早达到设计强度，及时张拉，防止合龙段混凝土出现裂缝。合龙段混凝土浇筑在1d中气温较低时刻一次浇筑完成，并且混凝土浇筑完成后气温开始上升为宜，持续时间限制在3-4h。
9）混凝土养护。合龙段混凝土浇筑完成后，加强养护，使之保持湿润，悬臂端应用麻袋等加以覆盖，以减少日照直射的温度影响，使混凝土在早期结硬过程中处于升温受压状态。
10）预应力施工。在合龙段混凝土强度、弹性模量都达到设计要求后拆除锁定装置，按要求依次张拉并压浆。
5 施工监控
大跨径预应力混凝土连续刚构是以桥梁结构的内力及主梁的线形为双项指标进行施工控制，在满足结构内力安全的前提下，采用以线形控制为主的原则。线形是用桥梁的标高和挠度进行描述，桥梁标高主要通过立模标高进行控制：在桥梁悬臂浇筑施工过程中，挠度的变化受多种因素的影响，必须加以计算及控制。在桥梁悬臂施工过程中，影响挠度变化的因素主要有混凝土自重、预应力张拉、挂篮的弹性变形、混凝土的收缩徐变及体系转换引起的挠度、成桥后混凝土长期的徐变等，它们之间相互影响，在立模标高计算时必须加以考虑。通过施工监控的实测值与理论计算值对比，根据实测标高不断修正计算模型参数，使实测值与计算值两者接近。通过对比主梁施工阶段各梁段的实测标高与理论标高，发现两者较吻合，施工结束后主梁实际线形与理论线形吻合较好。
6 结语
在施工过程中，施工单位在遵守施工规范的前提下，严格按照施工方案，精心组织施工，使该桥于2012年11月底顺利合龙，此桥的顺利合龙说明此施工方案科学、合理，为以后同类型桥梁的施工提供了很好的依据。
