反支点预压法在高墩大跨桥梁施工中的应用

关键词：

1 工程概况

某大型桥梁主塔下横梁为矩形预应力单箱单室结构, 长27.5m, 宽6.1m, 高6m~6.275m, 两端3.5m为实心段, 中间20.5m为空心段, 空心段底板、顶板、腹板厚度均为0.8m, 下横梁顶面设双向2%横坡。由于下横梁混凝土自重达约1500t, 跨径又大, 支架必须进行预压。下横梁两端3.5m范围及中间部分分别模拟混凝土荷载, 按下横梁混凝土总重等载预压, 以消除整个支架的非弹性变形, 得出弹性变形, 确定预拱度。

2 比选预压方案

下横梁底面离承台顶面高度达104.305m, 对两个主塔下横梁支架进行预压须准备1500×2=3000t的预压材料。现对几种预压方案进行对比, 选出合理的预压方案。

2.1 传统的堆载预压存在的问题

(1) 堆载重量太大:一个下横梁支架预压重量达到1500t。采用传统的堆载预压, 如用砂袋则需1000m3砂子, 和2万多个编制袋;如采用注水预压, 需要1500t水和相应数量的水箱;采用钢材预压, 则需提前储备1500t钢材;如采用混凝土砌块, 则需要625m3的模筑混凝土, 并设置专门的吊环。在采用堆载预压时必须提前准备大量的堆载物, 进行相应的制作和加工准备工作。 (2) 堆载费工费时:由于项目工期较紧, 资金压力大, 预压方案选择不合适, 将延误工期并占用或花费较多的资金。吊装工作采用塔吊进行, 在约100m高空处, 每吊一次所用时间平均为15min, 预压采用砂袋或混凝土砌块时, 为方便施工一般吊重为1t, 则吊装、持荷和卸载全过程需要750h以上;预压采用钢筋, 一捆钢筋一般为3t, 则吊装、持荷和卸载全过程需要250h以上。采用抽水预压, 从吊装水箱到抽水, 共计350h以上。因此采用传统的堆载预压, 一个下横梁一般最少都需要15d~30d。 (3) 堆载预压模拟荷载效果较差对于荷载分布不均匀的结构, 模拟荷载预压更为困难。下横梁高取6m, 底宽6.1m, 两端均为实心端宽度3.5m, 腹板实心混凝土厚度0.8m, 支架顶宽6.5m, 混凝土容重取26kN/m3, 水容重取10kN/m3, 砂袋容重取15kN/m3, 钢材容重取78.5k N/m3。采用水箱预压, 则实心段换算水柱高为:

用砂袋预压则换算砂袋高为:

用预制混凝土砌块预压, 则换算砌块高为:6m。

用钢材预压, 则换算钢材高为:

如此高的堆载, 在现场模拟荷载很难实现, 一般情况下都是匀布堆载, 堆载预压模拟荷载效果较差。

(4) 堆载预压安全性较差:采用注水预压, 还必须考虑水箱的放置方式, 水箱受水的侧压力也相当大, 水箱的强度和刚度必须重视, 否则容易产生坍塌情况。用砂袋或预制混凝土砌块预压, 必须考虑吊框及吊环设计, 堆放时还必须考虑放坡, 必要时还得采用立模并设拉杆的方式, 安全隐患较多。

2.2 反支点预压

(1) 反支点预压的构思及要点: (1) 施工工序要简洁, 投入小, 安全性高。 (2) 作用在支架上的上锚固点布置必须与混凝土实际荷载分布相一致, 能真实模拟荷载。 (3) 上锚固点产生的局部压应力不能大于支架的局部承载能力。 (4) 地面的下锚固点要牢靠, 有足够的锚固力。 (5) 加载过程要尽可能模拟混凝土的分层浇注状态, 要确保分级对称加载, 避免支架受较大的不对称外力, 并确保支架的安全。根据现场实际情况, 对以下三种材料的反支点预压方案进行了比较。 (2) 张拉钢筋预压:采用张拉钢筋预压, 即采用主塔用的32mm钢筋, 每9m用直螺纹接头连接, 需要连接11根。采用此方案, 钢筋的安装及连接环节太多, 接头连接必须牢固接头出问题, 预拉都得中断。钢筋在混凝土上的锚固可以解决, 但在支架上的锚固位置不好固定, 另外钢筋的允许应力较底, 所需数量较大。 (3) 张拉精轧螺纹钢预压:采用张拉精轧螺纹钢预压, 即采用主梁中使用的φ32mm精轧螺纹钢, 每9m用连接器连接需要连接11根。采用此方案, 精轧螺纹钢的安装、锚固较为方便, 但是环节相对还是较多。精轧螺纹允许应力较大, 若采用高的拉应力, 则上锚固点压应力太大, 支架局部承载能力有问题, 下锚固点抗拔力也相应较大。 (4) 钢绞线反支点预压:采用钢绞线作为张拉材料, 即采用下横梁用的φ15.24mm钢绞线, 施工时按下横梁需要长度的3倍下料, 即108m长, 能够满足下横梁支架预压要求, 预压完后, 截成三段用于下横梁中, 不会浪费材料, 操作方便, 安全可靠, 模拟加载效果较好。

3 反支点预压法预压工艺

钢绞线反支点预压法预压工艺流程:预压荷载布点放样→安装分配梁→安装钢绞线→锚固钢绞线下端→等强并分级张拉钢绞线→持荷→卸载→确定预拱度。 (1) 预压荷载布点。根据下横梁混凝土荷载的特点, 按每根钢绞线受力15t考虑, 将混凝土不同部位的匀布荷载转化为多个集中力作用在支架上, 同时按多个集中力产生的跨中及支点处的弯矩及剪力与实际混凝土荷载产生的相应位置的弯矩和剪力一样为原则进行布载, 经过荷载计算, 综合下横梁两端实心段及腹板和底顶板的混凝土的荷载分布情况, 预压荷载上锚固定点布置100个点位。在下横梁实心段两侧共计40个点位其中在每侧下横梁实心段分配梁上布设2排, 每排10个点, 沿桥横向间距155cm, 桥纵向间距为65.5cm~90cm;中间箱型部位共设60个点, 中间部分, 主要布置在腹板位置附近, 沿桥横向间距145cm, 桥纵向间距为180cm。下端锚固在承台、塔座及系梁上, 共100个点位。两端承台、塔座的锚固点与支架上锚固定点位置上下一一对应, 布设52个点, 点位距混凝土襟边距离为40cm~60cm。钢筋混凝土系梁布置48个点, 每边24个, 沿桥横向相对间距145cm, 桥纵向相对、司距为180cm, 点位距混凝土襟边距离为45cm~75cm。点位布置在系梁上后, 纵向与上端锚固点布对应有3.12°的偏角, 成发散状。由于下横梁离承台面很高, 张拉锚固后水平分力很小, 垂直预压荷载的偏差值为0.15%, 可以不考虑钢绞线夹角的影响。结合塔座和承台的结构尺寸, 锚固点布置如图1所示。 (2) 安装分配梁。为了更有利地模拟实际混凝土的荷载分布, 使张拉的钢绞线集中力匀布地作用在贝雷片支架上, 结合现场材料, 采用2根40c槽钢作为分配梁, 分配梁在锚固点处设连接钢板。用塔吊将分配梁按设计位置吊装到位。分配梁的设置可以将荷载有效地分配到下部的贝雷片支架上。 (3) 安装钢绞线。按计算长度对钢绞线下料, 两端用胶带缠裹。盘束后, 用塔吊吊装到支架上, 单根钢绞线重量只有113kg, 采用人工将钢绞线顺着分配梁上的点位放到承台上, 留出下端的锚固长度, 上锚固点用主塔环向预应力锚具和夹片临时固定在分配梁上。 (4) 锚固钢绞线下端。通过查阅资料, 结合当前国内先进的植筋技术, 并利用现有材料, 采用冲击钻在承台塔座及系梁上钻直径为50mm, 深60cm的孔。为确保钢绞线锚固力, 钢绞线端头采用挤压索头体。插入带挤压索头体的钢绞线后, 用锚固剂填充密实孔洞, 等强3d后即可使用。 (5) 张拉钢绞线。采用4台25t液压千斤顶 (部分采用YDC650型液压千斤顶, 锚具前端配置限位板进行张拉) , 在支架顶面从中间向两侧分三级对称张拉。第一级统一对称按5t进行张拉;张拉完后, 第二级再张拉5t, 使钢铰线预拉力达到10t;第三级拉5t, 使钢铰线共计达到15t的预拉力。选取支架端部、支点、跨中、1/4跨处等共7个截面设置观测点, 每个截面分别设置3个观测点, 共计21个观测点。 (6) 持荷。钢绞线按设计张拉到位后, 持荷48h每12h测量一次支架变形量。 (7) 卸载。持荷48h后, 支架达到稳定即可进行卸载。同样采用4台液压千斤顶在支架顶面从两侧向中间分三级 (即按每根钢绞线放张5t、10t、15t) 对称卸载, 卸载过程每级都要进行变形观测。 (8) 支架变形数据分析:张拉过程中, 对统计的数据进行分析, 确定分级张拉力与理论支架变形是否一致, 以确保预压的安全性, 同时可搜集预压数据, 并最终确定出弹性变形量及非弹性变形量。该桥确定出跨中弹性变形量为19.4mm (理论弹性变形为19mm) , 非弹性变形为10.8mm;支点处弹形4.8mm, 非弹性变形3.2mm。弹性变形与理论计算比较吻合。 (9) 确定预拱度。对观测的数据进行分析, 得出弹性变形量及非弹性变形量, 确定预拱度。下横梁预拱度沿跨度方向变化的曲线, 按二次抛物线处理, 取左支点 (图2中O的点) 为坐标原点, 跨长为L, 跨中预拱度为f拱, 则预拱度曲线方程为:。计算y的值为横向贝雷梁的预留拱度, 其数值再统一加上支点处牛腿支架的弹性变形值就是下横梁最终的确定预拱度。 (10) 安全施工要点。 (1) 遵守常规的钢铰线张拉安全操作规程。 (2) 在桥正下方作业, 要设置专门的可移动防护棚, 并尽可能停止桥上作业, 防止坠物伤人。 (3) 下锚固点施工结束, 安装完钢铰线后, 再统一进行张拉, 不得边锚固边张拉。 (4) 张拉前, 桥的正下方锚固区设置警戒线, 禁止人员进入。 (5) 张拉及卸载均分级进行。