預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋懸臂施工掛籃預(yù)壓試驗(yàn)研究

霍洪媛，孫永鵬，陳記豪，高宇甲，劉 森

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州450045)

掛籃于20世紀(jì)60年代由西德在懸臂澆筑施工中使用.我國從20世紀(jì)80年代引進(jìn)懸臂澆筑施工，掛籃技術(shù)發(fā)展至今已成為修建大中跨徑橋梁的一種施工技術(shù).隨著實(shí)際工程的需要，掛籃向高強(qiáng)度、輕型化、大跨徑、產(chǎn)品多樣化方向發(fā)展［1－2］. 為了能夠有效地控制連續(xù)箱型梁橋懸臂澆筑施工的成橋線型，消除掛籃拼裝引起的非彈性變形的影響，掛籃靜載預(yù)壓試驗(yàn)是關(guān)鍵工序之一. 進(jìn)行該試驗(yàn)的主要目的包括以下4 點(diǎn)［3］:檢測掛籃各節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度是否與設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承載相符;在額定荷載及超載條件下，檢查掛籃設(shè)計(jì)、加工及安裝質(zhì)量，消除其安裝及加工塑性變形的影響;通過掛籃變形檢測分析，得出其彈性變形規(guī)律，為實(shí)際線性控制和立模標(biāo)高提供依據(jù);總結(jié)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，為掛籃的設(shè)計(jì)與施工提出優(yōu)化方案奠定基礎(chǔ).

課題組結(jié)合沁河大橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁懸臂施工，開展了系列試驗(yàn)研究和理論計(jì)算分析［4－5］.根據(jù)掛籃預(yù)壓施工的特點(diǎn)，首先要進(jìn)行的是預(yù)壓，消除掛籃非彈性變形. 卸載過程數(shù)據(jù)基本是彈性變形數(shù)據(jù)，筆者利用彈性變形觀測點(diǎn)提取彈性變形數(shù)據(jù)，分析澆筑后與預(yù)壓彈性變形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)彈性變形數(shù)據(jù)與預(yù)壓荷載之間存在線性關(guān)系.

1 掛籃結(jié)構(gòu)及工作系統(tǒng)

沁河大橋新建工程位于原沁河橋左側(cè)(上游側(cè))，建成后作為橋梁的右半幅，原沁河橋在改建后作為新橋的左半幅橋. 新建沁河大橋上部結(jié)構(gòu)為8跨(35 m+7 ×60 m+35 m)預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆變截面箱梁，全長490 m，箱梁采用單箱單室斷面，頂面寬12 m，底板寬6.5 m，采用分段懸臂澆筑施工技術(shù).菱形掛籃由菱形主桁架、工作系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、模板等組成，如圖1所示.

圖1 掛籃三維組裝結(jié)構(gòu)圖

菱形主桁架為掛籃的主要受力構(gòu)件，由3 片菱形桁架組成，每片菱形桁架之間通過水平及垂直聯(lián)結(jié)系聯(lián)結(jié)成整體.桁架桿件采用接頭節(jié)點(diǎn)板焊連接，聯(lián)結(jié)系與桁架采用銷軸連接.

工作系統(tǒng)主要包括底籃和滑梁.底籃是直接承受梁段重和施工荷載的受力構(gòu)件，也是立模、綁扎鋼筋、混凝土澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力的操作平臺. 滑梁是支撐翼板和頂板混凝土重量及外模板和施工荷載的受力構(gòu)件.

混凝土懸吊系統(tǒng)包括上橫梁和吊掛結(jié)構(gòu).底籃吊掛結(jié)構(gòu)采用鋼板吊帶，有前吊帶和后吊帶，通過調(diào)節(jié)前后吊帶的長度來實(shí)現(xiàn)調(diào)整底模板的標(biāo)高. 外模板的外滑梁和內(nèi)模板的內(nèi)滑梁都吊掛，前端與上橫梁吊掛銷接，后端和已澆筑的翼板聯(lián)結(jié).

錨固系統(tǒng)是采用φ32 精軋螺紋鋼筋將掛籃與走行軌道直接錨于豎向預(yù)應(yīng)力筋上.

走行系統(tǒng)包括軌道鋼墊板前支座、行走裝置后支座、反扣輪和牽引設(shè)備.利用連續(xù)千斤頂和鋼絞線循環(huán)頂進(jìn)，依次行走.

懸臂施工過程中，要經(jīng)歷掛籃安裝、立模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力束張拉、掛籃前移的工序循環(huán).每一工序都會對掛籃產(chǎn)生不同程度的影響，其中影響最大的是立模板、綁扎鋼筋和澆筑混凝土.故需模擬混凝土澆筑過程，對掛籃進(jìn)行預(yù)壓.

沁河大橋設(shè)計(jì)考慮掛籃自重為400 kN，預(yù)壓荷載為1 100 kN.掛籃空載前支點(diǎn)壓力為500 kN，距離箱梁邊緣0.5 m;后錨點(diǎn)拉力為100 kN，距離前支點(diǎn)4.5 m;箱梁采用C50 混凝土，邊緣墊板處具有足夠的抗壓強(qiáng)度.

2 掛籃預(yù)壓試驗(yàn)

2.1 施加荷載

鋼筋混凝土密度取為2.65 t/m3.最重塊為每跨的2#塊，為懸臂澆筑梁段最大控制重量. 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對連續(xù)梁橋懸臂澆筑施工的規(guī)定［6］，掛籃預(yù)壓計(jì)算荷載取1.2 倍的最大梁重(P)，即

2#塊單塊質(zhì)量見表1.

表1 2#塊單塊質(zhì)量

2.2 加載方法

掛籃預(yù)壓常采用水箱預(yù)壓、沙袋預(yù)壓和千斤頂預(yù)壓等方法.該橋預(yù)壓試驗(yàn)采用沙袋預(yù)壓加載，僅對1—8 號墩的1#塊、2#塊進(jìn)行掛籃加載試驗(yàn). 將掛籃主承重架按縱向沿腹墻部位安放在墩臺頂面，將承重架前支點(diǎn)墊實(shí)，承重架尾部錨固在豎向φ32 精軋螺紋鋼上，采用分級加載方式在掛籃底模板上整齊堆積沙袋預(yù)壓，對掛籃—模板系統(tǒng)進(jìn)行加載和檢測.掛籃預(yù)壓如圖2所示.

圖2 掛籃預(yù)壓立面圖

主要試驗(yàn)步驟如下:

1)試驗(yàn)分4 級加載.單只掛籃加載分別為540，720，900，1 080 kN. 在掛籃的底模上堆放高度不等的沙袋，橫橋向鋪滿，在4 個(gè)腹板處沙袋加高. 荷載加到位后持荷1 h，再測量掛籃系統(tǒng)各觀測點(diǎn)的高程.卸載分4 個(gè)階段，與加載順序相反，直至荷載為零.同時(shí)，應(yīng)注意0#臺兩側(cè)掛籃的對稱加載和卸載.

2)每次吊裝壓載的沙袋重量均固定不變，嚴(yán)格按照沿梁縱向兩側(cè)對稱交替堆載，以確保掛籃結(jié)構(gòu)受力均勻、對稱. 在模板上按節(jié)段邊界進(jìn)行整齊堆載，確保加載試驗(yàn)接近實(shí)際施工工況.

3)每級加載完畢均持荷6 h，待加載穩(wěn)定后，觀測全部測點(diǎn)高程.前后兩次觀測數(shù)據(jù)變化不大時(shí)，可進(jìn)行下一階段的預(yù)壓.加載過程中，需要注意掛籃結(jié)構(gòu)的變形和焊縫情況. 如掛籃結(jié)構(gòu)變形過大或焊接節(jié)點(diǎn)存在脫焊現(xiàn)象，要立刻停止加載.

4)預(yù)壓加載結(jié)束后，按加載等級逐級卸載，在卸載過程中逐級觀測各測點(diǎn)高程.

5)將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，并繪制出各測點(diǎn)處沉降曲線，結(jié)束加載試驗(yàn).

2.3 觀測點(diǎn)的設(shè)置

掛籃進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)時(shí)，對4 個(gè)后錨點(diǎn)進(jìn)行變形觀測，后錨點(diǎn)布置如圖3所示.

掛籃變形測點(diǎn)分別布設(shè)在2 個(gè)翼板端部、上橫梁2 側(cè)吊桿處和底橫梁外側(cè)，共設(shè)置了6 個(gè)測量點(diǎn)，如圖4所示.

圖3 掛籃后錨點(diǎn)平面位置圖

圖4 掛籃三維預(yù)壓單幅測點(diǎn)立面分布

圖4中6，7 觀測點(diǎn)位于上橫梁與吊桿交匯處，通過6，7 點(diǎn)能夠有效地觀測掛籃的應(yīng)變以及前橫梁上的4 個(gè)吊桿的應(yīng)變.1，2 觀測點(diǎn)分布在掛籃底模板上，主要觀測底板的沉降變形規(guī)律，確定下個(gè)階段的預(yù)抬量，給出立模標(biāo)高以控制箱梁底面線型.觀測點(diǎn)3 用于觀測澆筑前、后底板的沉降量.4，5 觀測點(diǎn)為翼緣板上兩個(gè)觀測點(diǎn)，主要控制橋梁翼緣側(cè)面線型.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)掛籃結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，前上橫梁吊帶的受力最后由掛籃軌道墊板和后錨點(diǎn)承受. 對圖3的4 個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行后錨點(diǎn)應(yīng)變觀測，可監(jiān)控掛籃的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性.掛籃后錨點(diǎn)變形觀測結(jié)果見表2，后錨滑梁處變形平均值為3 mm，滿足變形控制要求［7］.

表2 掛籃后錨4 個(gè)測點(diǎn)處滑梁上變形測量結(jié)果 mm

對1 號墩1#塊掛籃進(jìn)行預(yù)壓，結(jié)果見表3.位置對稱的6，7 測點(diǎn)沉降隨著預(yù)壓加載變形基本一致，卸載后2 測點(diǎn)變形恢復(fù)對稱均勻. 位置對稱的4，5測點(diǎn)預(yù)壓沉降隨著預(yù)壓加載卸載均勻變化，掛籃沉降變形對稱協(xié)調(diào).位置對稱的1，2 測點(diǎn)隨著預(yù)壓加載、卸載出現(xiàn)了較大的偏離，易導(dǎo)致掛籃傾覆、沙袋脫落.出現(xiàn)該情況后，立即中止了預(yù)壓，排查發(fā)現(xiàn)精軋螺紋吊桿明顯松動，且1，2 測點(diǎn)所在側(cè)掛籃左右加載不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致掛籃局部變形過大.

表3 1 號墩1#塊掛籃預(yù)壓測點(diǎn)變形結(jié)果 mm

對1 號墩1#塊預(yù)壓時(shí)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，1號墩2#塊進(jìn)行的預(yù)壓結(jié)果見表4. 位置對稱的6，7測點(diǎn)和4，5 測點(diǎn)變形一致.

根據(jù)底板1，2 觀測點(diǎn)的觀測值可知，自開始加載至1.2P，過程中發(fā)生的沉降變形包含著非彈性變形，此階段不存在荷載與變形對應(yīng)的線性關(guān)系.加載到1.2P荷載時(shí)，非彈性變形已經(jīng)基本消除，可采用卸載全過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到消除非彈性變形的線性對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示. 圖5的回歸方程中，x 為各級加載對應(yīng)的彈性變形量，y 為預(yù)壓荷載.

對澆筑過混凝土的塊段進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)采集，為了與預(yù)壓時(shí)進(jìn)行對比，選擇澆筑塊1 號墩1#塊、1 號墩2#塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖6所示.圖6中1—6 觀測點(diǎn)為沉降觀測點(diǎn). 將預(yù)壓變形觀測點(diǎn)與實(shí)際澆筑后對應(yīng)觀測點(diǎn)進(jìn)行對比.觀測點(diǎn)1 和3，4 和6 對應(yīng)1號墩1#塊、2#塊翼緣板觀測點(diǎn).2，5 觀測點(diǎn)分別對應(yīng)1 號墩1#塊、2#塊預(yù)壓的底板觀測點(diǎn).

預(yù)壓彈性變形值與實(shí)際澆筑后彈性變形值對比見表6.

表4 1 號墩2#塊掛籃預(yù)壓測點(diǎn)變形結(jié)果 mm

圖5 預(yù)壓荷載與掛籃彈性變形的線性關(guān)系

圖6 澆筑后沉降觀測點(diǎn)位置平面圖

表6 預(yù)壓與實(shí)際澆筑后彈性變形對比 mm

對1 號墩1#塊、2#塊對應(yīng)觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知，預(yù)壓彈性變形和實(shí)際澆筑后彈性變形協(xié)調(diào)一致.根據(jù)觀測點(diǎn)彈性變形數(shù)據(jù)可得到一線性方程.彈性變形擬合方程可為后期實(shí)際施工線型控制提供依據(jù).

4 結(jié) 語

通過掛籃預(yù)壓靜載試驗(yàn)，加載階段消除掛籃非彈性變形，驗(yàn)證掛籃自身安全穩(wěn)定;卸載階段預(yù)壓荷載與彈性變形存在線性關(guān)系，預(yù)壓階段彈性變形與澆筑后彈性變形協(xié)調(diào)一致. 對卸載階段彈性變形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出預(yù)壓荷載與掛籃彈性變形線性關(guān)系的方程表達(dá)式，得出的彈性變形方程式與后期實(shí)際澆筑塊段測點(diǎn)結(jié)果對比吻合，可為確定立模標(biāo)高并進(jìn)行后期橋梁線型控制提供依據(jù).

［1］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁［M］. 北京:人民交通出版社，1988.

［2］章宏偉.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁掛籃法懸臂澆筑技術(shù)控制［J］.建筑施工，2005，27(10):53－54.

［3］夏偉，李杰.南水北調(diào)大橋掛籃靜載預(yù)壓方案［J］.云南交通科技，2011，20(1):42－44.

［4］趙順波，劉森，陳記豪，等.連續(xù)箱梁橋混凝土冬季施工技術(shù)研究［J］. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，35(5):48－50.

［5］向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］. 北京:人民交通出版社，2001.

［6］中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50—2011 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［7］黑龍江省公路橋梁建設(shè)總公司.JTJ 076—95 公路工程施工安全技術(shù)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，1995.