大跨度鋼筋混凝土拱橋斜拉扣掛法懸臂澆筑施工關(guān)鍵技術(shù).doc
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大跨度鋼筋混凝土拱橋斜拉扣掛法懸臂澆筑施工關(guān)鍵技術(shù) 尹洪明 郭軍 肖霑 （中交一公局四公司 廣西南寧 530000） 摘要:鋼筋混凝土拱橋懸臂施工法分為懸臂拼裝法和懸臂澆筑法兩大類。懸臂澆筑法主要采用掛籃懸臂澆筑施工，根據(jù)國(guó)內(nèi)外目前的工藝技術(shù)又可以分為采用塔架斜拉扣掛法和懸臂桁架澆筑法。而懸臂澆筑法施工的拱橋在國(guó)內(nèi)日前僅建成3座，都采用塔架斜拉扣掛法施工，且因?yàn)槭┕で闆r又存在不同，技術(shù)理論不夠完善，整體還處在起步階段，為進(jìn)一步完善懸臂澆筑拱橋的施工技術(shù)，本文以在建的馬蹄河特大橋?yàn)楸尘埃務(wù)摯罂缍人苄崩蹝旆☉冶蹪仓皹虻年P(guān)鍵施工技術(shù)控制。 關(guān)鍵詞:懸臂澆筑 斜拉扣掛 箱拱 掛籃 索力優(yōu)化 施工技術(shù) 0 前言 拱橋是一種以受壓為主的結(jié)構(gòu),受力合理, 外形美觀, 是我國(guó)公路上廣泛采用的一種橋梁體系。隨著鋼筋混凝土的出現(xiàn)，拱橋的施工技術(shù)得到提升，跨越能力增大，大跨度混凝土箱拱造價(jià)低廉、施工方便、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單，在我國(guó)適合貴州、廣西、云南等多山地區(qū)。制約混凝土箱拱跨度的一個(gè)重要因素是施工方法，拱橋的施工方法一般有纜索吊裝法、勁性骨架法、轉(zhuǎn)體施工法、懸臂施工法、懸臂施工與勁性骨架組合法等。小跨度箱拱可以采用支架施工或分多個(gè)節(jié)段吊裝，隨著跨度增大，山區(qū)溝谷多，環(huán)境條件限制，提出采用的懸臂施工法更能適應(yīng)山區(qū)拱橋發(fā)展。 懸臂法分為懸臂拼裝法和懸臂澆筑法，我國(guó)鋼筋混凝土拱橋發(fā)展在20世紀(jì)70年代得到提升，伴隨無支架纜索吊裝技術(shù)的成熟和設(shè)計(jì)方法進(jìn)步，才逐漸出現(xiàn)了大跨度的鋼筋混凝土懸臂拼裝拱橋。90年代后先后建造了跨度最大的中承式鋼筋混凝土——廣西邕林邕江大橋（312m,1996年）和世界第一跨的鋼管混凝土勁性骨架鋼筋混凝土拱橋——重慶萬州長(zhǎng)江大橋（420m，1997年）。然而，隨著時(shí)間發(fā)展，國(guó)家對(duì)工程質(zhì)量、技術(shù)要求更高，懸臂拼裝法需要足夠大的預(yù)制空間和吊裝能力，且成拱后拱圈接頭多，整體性不高，在進(jìn)幾年開始推廣掛籃懸臂澆筑施工的鋼筋混凝土拱橋，由于主拱圈采用掛藍(lán)澆筑一次成形、無需分環(huán)、工藝簡(jiǎn)單、整體性好、施工中橫向穩(wěn)定和抗風(fēng)性能好、運(yùn)營(yíng)階段養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、耐久性好的特點(diǎn)。 而在國(guó)外，20世紀(jì)60年代就開始采用懸臂澆筑施工拱橋，目前施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，最大跨徑由德國(guó)2000年建造的WildeGera橋，跨徑252m，我國(guó)建成掛籃懸澆拱橋僅有三座，2007年凈跨150m的白沙溝1#大橋、2009年凈跨182m的新密地大橋，2010年凈跨165m的木蓬特大橋，以及在建凈跨180m的馬蹄河特大橋，且都采用斜拉扣掛懸臂澆筑施工。 1 工程簡(jiǎn)介 馬蹄河特大橋位于貴州省德江縣境內(nèi)，是沿河至德江高速公路建設(shè)的重點(diǎn)工程，該橋?yàn)樯铣惺戒摻罨炷量崭瓜湫凸皹颍瑯蚩绮贾脼?×30mT梁+180m主跨+2×30m預(yù)制T梁，主跨橋面板為15×13m空心板，全橋長(zhǎng)327.595m，分左、右幅。主橋?yàn)殇摻罨炷料湫喂皹?，凈跨?80m，凈矢高32m，凈矢跨比1/5.625，拱軸系數(shù)1.756，為等高截面懸鏈線拱，拱圈截面為單箱雙室，橫向?qū)?.5m,高3.3m，整個(gè)拱箱分29個(gè)節(jié)段施工，其中兩岸各設(shè)一個(gè)拱腳現(xiàn)澆段，采用“斜拉支架法”施工，拱頂設(shè)一個(gè)吊架澆筑合攏段， 拱圈2-14#節(jié)段采用掛籃進(jìn)行澆筑，其中2#節(jié)段長(zhǎng)度最長(zhǎng)，為7.579m，3#節(jié)段重量最大，為221.5t。設(shè)計(jì)荷載公路I級(jí)，主橋抗震烈度按7度設(shè)防,橋型立面布置圖如圖1所示。 圖1 馬蹄河特大橋橋型立面布置圖（尺寸單位：cm） 2 塔架斜拉扣掛懸臂澆筑法 馬蹄河特大橋主拱圈采用掛籃懸臂澆筑施工完成，根據(jù)拉索扣掛方式為塔架斜拉扣掛法，區(qū)別于懸臂桁架澆筑法。 塔架斜拉扣掛法是國(guó)外采用最早、最多的大跨徑鋼筋混凝土拱橋無支架施工的方法。此法的施工要點(diǎn)是: 在拱腳墩、臺(tái)處安裝臨時(shí)的鋼或鋼筋混凝土塔架, 用斜拉索一端拉住拱圈節(jié)段, 另一端繞向臺(tái)后并錨固在巖盤上, 這樣逐節(jié)向河中懸臂施工, 直至拱橋拱頂合龍，再進(jìn)行拱上立柱、橋面板施工。 圖2 斜拉扣掛懸臂澆筑施工示意圖 懸臂桁架法, 也稱斜吊式懸澆法, 此施工原理是:在施工過程中，主拱圈、拱上立柱和橋面板等同時(shí)向跨中施工, 并與臨時(shí)斜拉索構(gòu)成變高度的懸臂桁架，此種方法每個(gè)循環(huán)工序都需要完成拱圈、立柱、橋面板施工，工序之間銜接緊密，且橋面板的設(shè)計(jì)因保證具有抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，如采用鋼梁。對(duì)設(shè)計(jì)和施工都提出較高的水平，在我國(guó)尚未施工先例。 圖3 懸臂桁架法現(xiàn)澆拱橋施工示意圖 3 施工控制概述 橋梁施工控制特點(diǎn)是在施工過程中采用有效的技術(shù)措施保證結(jié)構(gòu)的安全和特征狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，滿足最終成橋狀態(tài)。過程中采取動(dòng)態(tài)控制法，主要判別方式是通過監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行分析、修正，以此達(dá)到預(yù)想要求。 4 懸臂澆筑法拱橋關(guān)鍵技術(shù)控制 馬蹄河特大橋采用的是懸臂澆筑施工中的斜拉扣掛法，施工控制的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為掛籃、扣掛系統(tǒng)、索力，主要涵概結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)分析、運(yùn)行監(jiān)測(cè)控制。 圖4 馬蹄河特大橋掛籃懸澆施工簡(jiǎn)圖 4.11#節(jié)段斜拉支架法 拱圈第一節(jié)段拱圈長(zhǎng)10.284m，寬7.5m，高3.3m，單箱雙室結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土，方量為155.9m3，重量為405.4t。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)際情況，2#拱座邊緣靠近懸崖邊線，3#拱座左幅邊緣離基座邊緣最小距離為0.5m，最大距離為5.9m，不能滿足現(xiàn)澆段8m寬度的要求，故不能采用常規(guī)的落地支架施工。 分別從施工成本、施工工期、施工速度及難易程度等進(jìn)行了比較，推薦采用斜拉支架（墩柱作為斜拉塔柱），即第四種方案，支架比選方案見下表： 表 1現(xiàn)澆段支架比選方案 序號(hào) 支架類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 結(jié)論 1 落地支架 （鋼管支架或滿堂支架） 工藝成熟，施工簡(jiǎn)單；支架施工速度塊；安全性高；支架成本較低；支架沉降可控；可與墩柱同時(shí)開始施工，節(jié)約工期 對(duì)地基承載力要求較高，受地形條件限制，無法搭設(shè)落地支架； 不可用 2 懸臂支架 （在拱座上預(yù)埋型鋼支架，靠支架本身剛度作為支撐） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支架施工速度快；可與墩柱同時(shí)開始施工，節(jié)約工期； 型鋼剛度要求高，鋼材用量多；變形較大；安全性較低； 不可用 3 斜拉支架 （在拱座上安裝鋼管，在鋼管中灌注混凝土，形成塔柱，采用鋼絞線作為斜拉索將支架錨固于鋼管上，形成斜拉支架） 可與墩柱同時(shí)開始施工，節(jié)約工期；鋼管混凝土塔柱工藝成熟，施工簡(jiǎn)單，施工速度快； 鋼管混凝土塔柱不可回收，拆除困難；成本高；塔柱上錨固點(diǎn)設(shè)置復(fù)雜，且變形較大，安全性不高； 可用 4 斜拉支架 （利用墩柱作為斜拉支架的塔柱，扣索采用精扎螺紋鋼筋，反拉錨索采用鋼絞線錨固于承臺(tái)上） 充分利用了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物作為斜拉支架的塔柱（墩柱）和后錨（承臺(tái)）；墩柱作為塔柱，剛度大，變形小，安全性高；支架變形小，拱圈線性較好； 墩柱內(nèi)預(yù)埋件多，且預(yù)埋精度要求高；需要墩柱施工完成后，方可進(jìn)行斜拉索的穿索，不能節(jié)約工期； 推薦采用 4.1.1支架的設(shè)計(jì) 現(xiàn)澆段支架采用交界墩墩柱作塔柱，精軋螺紋鋼筋和鋼絞線作拉索，形成簡(jiǎn)易“斜拉橋”的方式進(jìn)行懸澆，為保證墩柱的受力平衡，對(duì)墩柱進(jìn)行反拉，支架的設(shè)計(jì)施工必須考慮以下幾個(gè)方面： ①、“斜拉支架”由拱腳處的三角托架和斜拉扣錨索組成，斜拉支架必須承受1#節(jié)段拱圈砼自重和施工荷載，以保證拱圈和拱座交接面不出現(xiàn)裂縫。 ②、“斜拉支架”的斜拉索錨固于交界墩上，會(huì)對(duì)交界墩產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，同時(shí)扣索與錨索受力的不平衡會(huì)引起墩頂偏位，因此，該支架方案要求墩頂偏位不大于10mm，墩底拉應(yīng)力不大于1.83MPa。 ③、1#節(jié)段混凝土澆筑過程中，斜拉支架的斜拉索會(huì)逐漸伸長(zhǎng)，加之三角托架的非彈性變形，可能導(dǎo)致拱腳頂面出現(xiàn)裂縫。 ④、對(duì)斜拉扣錨索的初拉力的確定，以及混凝土澆筑過程中是否進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整索力的問題，這是控制托架標(biāo)高和墩頂偏位的關(guān)鍵因素。 針對(duì)以上問題，在設(shè)計(jì)上采取了以下措施： ①、采用三角托架+斜拉扣錨索形式組成“斜拉支架”，三角支架選用雙拼“H”型鋼，并組合成三角形，增加其剛度和穩(wěn)定性，斜拉扣索選取伸長(zhǎng)率較小的高強(qiáng)度精扎螺紋鋼筋，減小非彈性變形；同時(shí)，在1#節(jié)段拱圈混凝土澆筑完成后，對(duì)拱腳處進(jìn)行二次振搗，消除支架非彈性引起的表面裂縫。 ②、對(duì)斜拉扣錨索在墩柱上的錨固點(diǎn)位置，埋設(shè)鋼板，設(shè)置應(yīng)力分散的楔形墊塊，同時(shí)監(jiān)控墩頂偏位和墩底應(yīng)力。 ③、對(duì)于斜拉扣錨索初拉力的確定原則是保證三角托架承受索力不變形，且墩柱承受水平力盡量平衡的原則，采取有限元分析進(jìn)行確定，詳見下一節(jié)支架驗(yàn)算；如果在混凝土澆筑過程中進(jìn)行索力調(diào)整，則施工非常繁瑣且很難做到實(shí)時(shí)調(diào)整，更容易引起斜拉索受力不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力的不明確，故采取一次張拉到位，混凝土澆筑過程中不調(diào)索的方式。 斜拉支架如下圖所示。 圖 5斜拉支架立面圖 圖 6斜拉支架平面圖 圖 7斜拉支架扣錨索安裝照片 4.1.2支架驗(yàn)算 采用有限元軟件Midas/Civil建立拱圈現(xiàn)澆段斜拉支架模型。三角支架、橫縱向分配梁和交界墩用梁?jiǎn)卧M，模板用板單模擬，扣錨索用只受拉桁架單元模擬。主要檢查支架的變形和應(yīng)力，墩柱的拉應(yīng)力和偏位，扣錨索索力是否滿足規(guī)范要求。如表2所示的各計(jì)算工況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如下。 圖 8支架計(jì)算模型圖及結(jié)果 表 2斜拉支架計(jì)算工況 序號(hào) 計(jì)算工況 工況說明 1 CS1 自重 2 CS2 扣錨索張拉（初張力15t） 3 CS3 現(xiàn)澆段混凝土澆筑完成 通過midas/civil計(jì)算，墩柱偏位、應(yīng)力等結(jié)果如下表3所示： 表 3支架計(jì)算結(jié)果表 序號(hào) 名稱 計(jì)算最大值 允許值 1 型鋼支架豎向位移 5.1mm 11000/400=27.5mm 2 型鋼支架應(yīng)力 72.9MPa 140 MPa 3 I32工字鋼應(yīng)力 66.1MPa 140 MPa 4 交界墩墩柱偏位 0.7mm（河心方向） 10mm 5 交界墩墩底拉應(yīng)力 -0.74MPa（內(nèi)側(cè)）、-1.35MPa（外側(cè)） 1.83 MPa 6 扣錨索索力 24.3t 101t 4.2懸澆拱橋掛籃 4.2.1懸澆拱橋掛籃的設(shè)計(jì) 掛籃作為懸臂法施工的重要部分，其設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)受力，因拱橋的掛籃不同于普通梁橋的掛籃，普通梁橋的掛籃多數(shù)在坡度不大的橋面上運(yùn)行，拱橋的掛籃則要解決較大坡度上的澆筑和行走問題。所以掛籃結(jié)構(gòu)形式選擇將決定施工效率的高低。 馬蹄河特大橋的掛籃采用下承式倒三角掛籃，與木蓬特大橋采用的掛籃結(jié)構(gòu)形式形似，但又有所不同，在錨固形式和行走方法得到改進(jìn)，設(shè)計(jì)方案整體得到優(yōu)化。 圖9 馬蹄河特大橋下承式倒三角掛籃 掛籃的結(jié)構(gòu)形式主要有平行弦、弓弦式、菱形、三角形式、斜拉式等，不同的受力特點(diǎn)決定不同的掛籃結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问?，通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)分析得到的受均布荷載懸臂梁的拓?fù)湫螤罹褪侨切?，?duì)于斜拉式因剛度比較差，所以三角形的主桁結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的選擇。 掛籃的承重形式按承重結(jié)構(gòu)在混凝土上、下分為上承式掛籃和下承式掛籃，其形式關(guān)系到掛籃的重心高低，重心高低決定了掛籃的行走及工作是否平穩(wěn)。三角形掛籃的支撐方式主要為上承式,但上承式主要用于T型鋼構(gòu)橋、連續(xù)梁橋和斜拉橋，對(duì)于拱圈結(jié)構(gòu)，存在變角度機(jī)構(gòu)復(fù)雜和重心高影響移動(dòng)等。經(jīng)過比較采用主桁布置在拱箱下部的下承式，重心底，實(shí)踐證明了下承式掛籃適合在在拱圈上的施工及行走。 掛籃結(jié)構(gòu)受力明確、傳力直接，由于節(jié)段混凝土重量大，承重結(jié)構(gòu)避免常規(guī)掛腿受力，采用錨固系統(tǒng)的精軋螺紋鋼受力，掛腿僅在掛籃空載時(shí)（掛籃行走）受力。錨固結(jié)構(gòu)作用在已澆筑的混凝土節(jié)段上，對(duì)于掛籃，相當(dāng)于中支點(diǎn)作用?？紤]到拱圈弧形結(jié)構(gòu)，錨固系統(tǒng)中的錨固箱體設(shè)計(jì)為球鉸，解決了拱圈弧形角度對(duì)掛籃錨固結(jié)構(gòu)受力的影響。掛籃后支點(diǎn)為頂升千斤頂（行走時(shí)為后滑輪），可以調(diào)節(jié)掛籃傾角滿足拱圈線型要求。主要平衡由懸臂端節(jié)段重量對(duì)中支點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩作用。 掛籃的行走形式采用連續(xù)千斤頂頂推履帶小坦克，使掛籃沿拱圈爬行。連續(xù)千斤頂增加動(dòng)力、減少反力擋塊的頻繁轉(zhuǎn)換，履帶小坦克在軌道上滾動(dòng)前進(jìn)，摩擦力小，速度快。 4.2.2懸澆拱橋掛籃的運(yùn)行分析 掛籃的運(yùn)行狀態(tài)主要為澆筑狀態(tài)和行走狀態(tài)。澆筑狀態(tài)為靜軋螺紋鋼受力，行走狀態(tài)為掛腿受力。掛籃澆筑施工控制變形、應(yīng)力，行走控制為效率分析。分別計(jì)算典型節(jié)段，工況I：3號(hào)節(jié)段（節(jié)段最重且長(zhǎng)）砼方量85.2m3，節(jié)段重量221.5t，掛籃與水平夾角30.67°；工況II：13號(hào)節(jié)段（傾角小節(jié)段重）砼方量64.3m3，節(jié)段重量167.1t，掛籃與水平夾角3.36°。 （1）基于ansys有限元的典型工況分析結(jié)果 圖10工況I混凝土作用下掛籃凈位移云圖 圖11工況I掛籃整體應(yīng)力云圖 圖12工況I掛籃整體位移云圖 圖13工況I掛籃整體軸力云圖 表4 有限元分析典型工況最大應(yīng)力、應(yīng)變 分析因子 最大位置 工況I 工況II 最大應(yīng)力 主縱梁與立柱連接處 121.4MPa 111.46MPa 最大變形 混凝土箱梁端部對(duì)應(yīng)的主縱梁位置 27.53mm 19.09mm （2）施工監(jiān)控的典型工況分析結(jié)果 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)為掛籃左、右側(cè)兩主縱梁與立柱連接處，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)為掛籃懸臂端左、中、右三點(diǎn)，掛籃變形值=懸臂端澆筑前高程-懸臂端澆筑后高程-拱圈懸臂端自身沉降值。 表5 施工監(jiān)控典型工況最大應(yīng)力、應(yīng)變 分析因子 監(jiān)測(cè)點(diǎn) 工況I 工況II 德江岸 應(yīng)力 主縱梁與立柱連接處 112.37MPa 102.61MPa 變形 混凝土箱梁端部對(duì)應(yīng)的主縱梁位置 24.31mm 12.84mm 沿河岸 應(yīng)力 主縱梁與立柱連接處 114.22MPa 106.72MPa 變形 混凝土箱梁端部對(duì)應(yīng)的主縱梁位置 25.02mm 14.66mm （3）結(jié)論分析 掛籃最大應(yīng)力工況I時(shí)主縱梁與立柱連接位置，σmax=114.22MPa<[σ]=168Mpa?；炷翝仓瓿珊笾麒熳畲笞冃喂rI時(shí)混凝土箱梁端部對(duì)應(yīng)的主縱梁位置，εmax=25.02下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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