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(青島理工大學(xué)(臨沂), 山東 臨沂 273400)
臨工兩塔斜拉橋合龍方案研究
劉傳奇,韓光森,路軍
(青島理工大學(xué)(臨沂), 山東 臨沂 273400)
邊跨合龍影響內(nèi)力,中跨合龍影響線形,為了保證臨工兩塔斜拉橋順利合龍,提出試算合龍口剛臂單元彈性模量的方法計(jì)算勁性骨架。采用灼燒法解除臨時(shí)固結(jié),將臨時(shí)固結(jié)解除時(shí)間控制在1 h之內(nèi)。采用鋼管混凝土代替硫磺砂漿作為塔梁臨時(shí)固結(jié)的墊層,解決了硫磺砂漿拆除困難的問題。采用游標(biāo)卡尺量測合龍口間距的辦法,確定合龍口隨溫度變化間距最大的時(shí)間點(diǎn)。
斜拉橋; 合龍; 勁性骨架; 臨時(shí)固結(jié); 鋼管混凝土
混凝土兩塔斜拉橋,結(jié)構(gòu)體系安全可靠,受力合理,不但能滿足當(dāng)代混凝土橋梁大跨度的需要,而且線形優(yōu)美,整個(gè)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的視覺沖擊力,帶來極大的審美效果[1]?;炷列崩瓨蛟诟鞣N橋型中具有獨(dú)特的競爭力,以及深遠(yuǎn)的市場發(fā)展前景。邊、中跨合龍?jiān)谛崩瓨蚪ㄔO(shè)過程中非常關(guān)鍵,起到畫龍點(diǎn)睛的作用,邊跨合龍影響內(nèi)力,中跨合龍影響線形。
臨沂市臨工大橋是山東省重點(diǎn)工程項(xiàng)目,主橋采用兩塔斜拉橋半漂浮結(jié)構(gòu)體系,主梁是全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),在施工過程中塔梁臨時(shí)固結(jié),采用掛籃施工工藝,施工難度系數(shù)大。臨工大橋分2次合龍,邊跨預(yù)留2個(gè)2 m的合龍口,中跨預(yù)留1個(gè)2 m的合龍口[2]。臨工大橋主橋跨徑組成為100 m(邊跨:預(yù)應(yīng)力混凝土梁)+230 m(主跨:預(yù)應(yīng)力混凝土梁)+100 m(邊跨:預(yù)應(yīng)力混凝土梁)=430 m。橋塔采用混凝土H柱型斜塔,主塔全高109.65 m(含塔座),橋面以上塔高80.6 m,橋面以下塔高29 m。塔身順橋向偏離鉛垂面18°,傾向岸側(cè)。全橋共設(shè)112根斜拉索,按雙索面布置,采用掛籃進(jìn)行施工[1]。
采用Midas/Civil軟件建立該斜拉橋三維有限元模型(圖1),在模型中主梁、主塔、承臺(tái)以及樁基等均采用梁單元模擬,斜拉索采用桁架單元模擬。
圖1 斜拉橋三維有限元模型
2 m合龍口采用剛臂單元進(jìn)行模擬,運(yùn)用試算剛臂單元彈性模量的方法對(duì)勁性骨架進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)鋼臂單元的彈性模量提高到主梁混凝土彈性模量的10倍時(shí),計(jì)算結(jié)果比較合理,并且貼近實(shí)際。
1) 結(jié)構(gòu)自重。
一期恒載:包括橋塔、主梁、橫梁及拉索自重。
2) 溫度。
本地區(qū)年均氣溫在14.1 ℃,極端最高氣溫36.5 ℃,出現(xiàn)在7月份,極端最低氣溫-11.1 ℃,出現(xiàn)在1月份。
主橋混凝土主梁按照升溫20 ℃,降溫20 ℃考慮;橋塔考慮日照溫差±5 ℃;斜拉索與混凝土結(jié)構(gòu)溫差±10 ℃;主梁局部溫差按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)取值。
3) 荷載組合。
依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)對(duì)各種不利荷載工況進(jìn)行組合驗(yàn)算。
2.2.1 邊跨內(nèi)力組合
為減小邊跨勁性骨架在結(jié)構(gòu)體系溫差作用下的內(nèi)力,勁性骨架鎖定后,解除現(xiàn)澆段的水平約束[3]。勁性骨架計(jì)算內(nèi)力如表1。
表1 邊跨各分項(xiàng)荷載效應(yīng)表荷載分項(xiàng)軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)結(jié)構(gòu)重力000升溫溫差0-1123030降溫溫差0112-3030塔日照升溫0-4997470塔日照降溫0499-7470梁局部升溫0-7956960梁局部降溫0795-6960索梁正溫差0230-3450索梁負(fù)溫差0-2303450
最不利荷載組合下,勁性骨架所承受的最大彎矩為20 910 kN·m,對(duì)應(yīng)剪力920.5 kN。
2.2.2 中跨內(nèi)力組合
為減小中跨勁性骨架在結(jié)構(gòu)體系溫差作用下的內(nèi)力,勁性骨架鎖定后,解除塔梁臨時(shí)固結(jié)。勁性骨架計(jì)算內(nèi)力如表2。
表2 中跨各分項(xiàng)荷載效應(yīng)表荷載分項(xiàng)軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)結(jié)構(gòu)重力12700-781升溫溫差4880-1260降溫溫差-48801260塔日照升溫297-503-257塔日照降溫-297503257梁局部升溫-34204990梁局部降溫3420-4990索梁正溫差-23704150索梁負(fù)溫差2370-4150
最不利荷載組合下,勁性骨架所承受的最大彎矩為-10735.1 kN·m,對(duì)應(yīng)剪力-50.3 kN,對(duì)應(yīng)軸力2058.9 kN。
隨著溫度的改變,合龍口之間的間距會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)合龍口的間距會(huì)隨著溫度的升高而增大,隨著溫度的下降而減小[4]。監(jiān)控方需要確定的是合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn),合龍口間距最大時(shí)澆筑完混凝土,隨著時(shí)間的推移,合龍口的間距變小,合龍口的混凝土在全天候24 h循環(huán)時(shí)間內(nèi)只承受壓應(yīng)力?;炷脸惺芾瓚?yīng)力非常小僅有2.43 MPa,而壓應(yīng)力能達(dá)到13.5 MPa,這是合龍是否成功的關(guān)鍵所在。
在2 m合龍口兩端焊接Φ12的鋼筋,中間留出2 cm的間距,用游標(biāo)卡尺測量間距的變化,溫度計(jì)測量溫度的變化,測量數(shù)據(jù)如圖2、圖3。
圖2 游標(biāo)卡尺讀數(shù)隨時(shí)間的變化
圖3 溫度隨時(shí)間的變化
根據(jù)圖2~圖3的24 h觀測數(shù)據(jù), 可以看出早上6點(diǎn)溫度最低2.3 ℃,中午14點(diǎn)溫度最高12.5 ℃。溫度曲線隨時(shí)間的變化規(guī)律:從早上6點(diǎn)到中午14點(diǎn)溫度逐漸升高,然后到次日的早上6點(diǎn)溫度逐漸下降。 2 m合龍口間距隨時(shí)間的變化曲線與溫度的變化相反,從早上6點(diǎn)到中午14點(diǎn)間距逐漸變小,然后到次日的早上6點(diǎn)間距逐漸變大。說明間距變化曲線符合混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮的原理,又因?yàn)閮伤崩瓨蜻吙绲膭偠纫戎锌绲膭偠却?,在同樣溫度荷載作用下中跨向邊跨側(cè)移動(dòng),也會(huì)造成2 m合龍口隨溫度降低間距變大現(xiàn)象。
在早上6點(diǎn)(溫度最低點(diǎn))2 m合龍口游標(biāo)卡尺讀數(shù)為19.4 mm,7點(diǎn)游標(biāo)卡尺讀數(shù)為19.6 mm,8點(diǎn)為19.4 mm[5]。2 m合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn)與一天中溫度最低的時(shí)間點(diǎn)并不重合,說明混凝土兩塔斜拉橋合龍口間距的變化比溫度荷載的變化要滯后1 h,早上7點(diǎn)為2 m合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn)。
施工方首先提出利用邊跨掛籃作為支架進(jìn)行邊跨合龍,通過邁達(dá)斯計(jì)算數(shù)據(jù),200 t的掛籃加上230 t的混凝土濕重總共430 t的荷載重量,造成零號(hào)塊附近出現(xiàn)6.7 MPa的拉應(yīng)力,零號(hào)塊主梁有很大開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此放棄掛籃作為支架的合龍方案,改用吊架進(jìn)行合龍。
通過2.2.1節(jié)中邊跨勁性骨架的計(jì)算數(shù)據(jù),單個(gè)邊跨合龍段共設(shè)置18 個(gè)臨時(shí)剛性支撐,其中頂板10個(gè),底板8個(gè),頂板剛性支撐通過埋設(shè)的預(yù)埋件連接兩端主梁,由于主梁底板預(yù)應(yīng)力的影響,底板剛性支撐直接埋置在主梁混凝土內(nèi)部。所有剛性支撐均采用[40a 的型鋼組成。勁性骨架的焊接需要2 h,由于焊接點(diǎn)在高溫狀態(tài)下遇水極易出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象,在混凝土澆筑前焊接點(diǎn)至少需要1 h的時(shí)間進(jìn)行冷卻。
澆筑200 t位的混凝土需要2 h,混凝土初凝時(shí)間一般在48 min,根據(jù)3節(jié)中24 h溫度線性的觀測數(shù)據(jù),早上7點(diǎn)是合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn),所以混凝土澆筑時(shí)間在早上4點(diǎn)開始澆筑,勁性骨架的焊接時(shí)間在早上1點(diǎn)開始焊接。
邊跨2 m合龍口混凝土的重量為200 t,通過邁達(dá)斯模擬計(jì)算壓重,160 t的壓重即可達(dá)到澆筑混土加載的效果。通過現(xiàn)場觀測標(biāo)高,混凝土壓塊達(dá)到150 t時(shí),與模擬混凝土澆筑壓重位移一致,在混凝土澆筑過程中要把等比例的混凝土壓重置換出邊跨。
合龍施工順序: ①11#塊最終張拉完成;②邊跨掛籃下落;③邊跨架設(shè)臨時(shí)支架,調(diào)整標(biāo)高、架設(shè)模板;④合龍口勁性骨架施工;⑤中跨12#掛籃前移到位;⑥邊跨澆筑混凝土,邊跨合龍,張拉合龍鋼束;⑦對(duì)Z12(中跨拉索)進(jìn)行第1次張拉165 t;⑧邊跨最低正常養(yǎng)護(hù)7 d;⑨拆除邊跨支架;⑩對(duì)中跨12#梁段澆筑混凝土,回到設(shè)計(jì)正常施工程序。
施工工藝如下:
安裝預(yù)埋件:對(duì)照施工圖校對(duì)預(yù)埋件尺寸和位置,防止預(yù)埋件位置出現(xiàn)錯(cuò)誤;采用手工焊接時(shí),貼角焊縫的高度要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定;預(yù)埋件劃線使用水平儀確定其每排高度尺寸線位置偏差±1.5 mm,根據(jù)軸線和控制線確定左右位置尺寸位置偏差±1.5 mm及頂面位置尺寸位置偏差±1 mm,并用油筆清楚的標(biāo)明。在技術(shù)部門及質(zhì)量部門驗(yàn)線合格方可安裝預(yù)埋。
張拉11號(hào)索: ①混凝土養(yǎng)生到強(qiáng)度后,先完成預(yù)應(yīng)力施工,再次張拉斜拉索,旋緊梁底錨具上的螺母,使其與錨墊板密貼;②索力轉(zhuǎn)換裝置中的千斤頂活塞前行5 cm左右后,旋緊千斤頂前端拉桿上的張拉螺母,千斤頂再次進(jìn)油張拉,使弧形板上的鎖定螺母脫離弧形板,并將其外旋出7 cm左右;③千斤頂回油,則索力由弧形板上的鎖定螺母轉(zhuǎn)加到混凝土梁體上,完成索力轉(zhuǎn)換工作。
轉(zhuǎn)壓重、掛籃下落:張拉完11號(hào)索,邊跨轉(zhuǎn)90 t壓重,用吊車轉(zhuǎn)移。
放松底模平臺(tái)前段吊掛,解除底模平臺(tái)后段吊掛,解除內(nèi)模系統(tǒng),將底模及內(nèi)模系統(tǒng)放置滑梁上。
拆除掛籃大臂,連接精軋螺紋,用千斤頂慢慢下落,注意一次下落的高度應(yīng)保證盡量相等,如不相等,及時(shí)調(diào)整。
安裝支架,張拉吊桿:邊跨安裝分配梁、貝雷梁、工字鋼以及底模;每根吊桿張拉力為25 t,使模板與合龍段兩端主梁密貼,克服錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象,防止漏漿。
模板安裝:按下列順序進(jìn)行底模安裝→(梁體底腹板鋼筋安裝、縱橫向預(yù)應(yīng)力管道、豎向預(yù)應(yīng)力筋等安裝完畢)→側(cè)模安裝。梁段模板安裝的尺寸允許偏差和檢驗(yàn)方法,符合表3的規(guī)定。
鋼筋綁扎及預(yù)應(yīng)力安裝:所有進(jìn)場鋼筋、鋼絞線、錨具等材料均須按規(guī)定抽檢合格方準(zhǔn)使用。鋼筋綁扎按圖紙要求進(jìn)行,波紋管安裝除插芯棒外,曲線段每50 cm、直線段每1.0 m設(shè)置一道定位U型鋼筋,定位后的管道軸線偏差要求不大于0.5 cm。波紋管接頭用大一號(hào)波紋管套接。接頭波紋管長度30 cm,兩頭伸入15 cm,接頭處波紋管切平,不能有卷曲翹起現(xiàn)象,防止穿鋼絞線時(shí)鉤掛。波紋管應(yīng)有良好的水密性,并在施工中注意保護(hù),如有燒傷現(xiàn)象,及時(shí)用膠帶纏包,以免造成漏漿堵管,錨墊板與波紋管連接要穩(wěn)固,接頭要包纏封死,防止漏漿堵塞壓漿孔。
表3 邊跨梁段模板尺寸允許偏差和檢驗(yàn)方法序號(hào)項(xiàng)目允許偏差/mm檢驗(yàn)方法1梁段長±10尺量2梁高+10,03平整度31m靠尺測量不少于5處4垂直度每米不大于3吊線尺量不少于5處5孔道位置1尺量6梁段縱向旁彎10拉線測量不少于5處7梁段縱向中線最大偏差10測量檢查8梁段高度變化段位置±109底模拱度偏差3測量檢查10底模同一端兩角高差211橋面預(yù)留鋼筋位置10尺量
勁性骨架焊接:合龍勁性骨架事先按設(shè)計(jì)圖紙預(yù)留調(diào)整尺寸下料,并焊接成半成品,條件許可的情況下應(yīng)提前焊接一端,以減少鎖梁時(shí)合龍勁性骨架的焊接工作量,縮短焊接工作時(shí)間,另一端安排18個(gè)焊接工人和電焊機(jī)在01:00同時(shí)加焊,確保所有支撐架應(yīng)在規(guī)定的合龍時(shí)段內(nèi)完成。合龍支撐與預(yù)埋件之間的焊縫最小高度不小于12 mm,焊縫長度不小于對(duì)接件接觸的可焊范圍,并需要連續(xù)施焊。
澆筑混凝土: 混凝土澆筑應(yīng)在一天氣溫最低時(shí)(半夜4點(diǎn))進(jìn)行,采用水平分層兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱的方式澆注,由于預(yù)應(yīng)力筋及預(yù)應(yīng)力管道周圍鋼筋密集,盡量減少混凝土與鋼筋的碰撞,以免影響混凝土澆注質(zhì)量,振搗采用直徑50 cm的插入式振動(dòng)捧,水平分層宜控制在40 cm左右,保證振搗質(zhì)量。振搗時(shí)特別注意振動(dòng)捧不要抵緊波紋管振動(dòng),防止振破波紋管漏漿,并應(yīng)遵循對(duì)稱澆注的原則,混凝土澆注時(shí),應(yīng)注意標(biāo)高、橫坡及整體平整度的控制。在混凝土的振搗過程中,應(yīng)特別注意把預(yù)應(yīng)力鋼筋錨具下和斜拉索錨箱的混凝土振搗密實(shí)。
混凝土養(yǎng)護(hù): 混凝土澆注完成后,箱梁面應(yīng)收漿抹面,并在初凝后終凝前進(jìn)行第2次收漿并拉毛,防止表面收縮裂紋的產(chǎn)生,根據(jù)氣候條件,最遲不超過6 h即覆蓋或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù),混凝土每天灑水次數(shù)以能保持混凝土表面經(jīng)常處于濕潤為準(zhǔn)。
中跨合龍是整個(gè)斜拉橋施工過程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié),關(guān)系到整個(gè)工程的成敗。利用掛籃作為支架對(duì)合龍段進(jìn)行合龍,但在解除臨時(shí)固結(jié)與焊接勁性骨架的先后順序上,在專家會(huì)議上引起了爭議。先解除臨時(shí)固結(jié)再焊接勁性骨架,臨工大橋是半漂浮體系,臨時(shí)固結(jié)解除后整個(gè)橋梁成了機(jī)動(dòng)體系,會(huì)對(duì)勁性骨架的焊接帶來困難。先焊接勁性骨架后解除臨時(shí)固結(jié),傳統(tǒng)臨時(shí)固結(jié)解除方法施工方計(jì)算需要24 h,這樣溫度荷載的作用下主梁會(huì)產(chǎn)生很大應(yīng)力,應(yīng)力得不到釋放,會(huì)對(duì)合龍口帶來開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
提出用灼燒法對(duì)臨時(shí)固結(jié)進(jìn)行解除,將臨時(shí)固結(jié)的解除時(shí)間控制在1 h之內(nèi),這樣溫度荷載對(duì)主梁應(yīng)力的增幅就控制在合理范圍之內(nèi)。臨工大橋采用鋼管混凝土代替硫磺砂漿作為塔梁臨時(shí)固結(jié)的墊層,墊層的拆除極為方便,利用中跨合龍壓塊擺成水槽代替焊接水箱來置換混凝土澆筑重量。
合龍施工順序: ①20#墩掛籃移到0#塊;②19#墩掛籃移到合龍段,掛籃中心即為合龍段的中心;③加合龍段壓重360 t,兩邊對(duì)稱放置,每側(cè)掛索處放90 t;④混凝土壓塊擺成4個(gè)25 t水箱內(nèi)置塑料袋,對(duì)稱放置,加水調(diào)整標(biāo)高,并測量水的流速;同時(shí)注意水溫控制,防止結(jié)冰,并將流出的水導(dǎo)流至橋下,嚴(yán)禁將水直接排放在橋面上;⑤觀測主梁線形,塔的偏位,溫差;⑥焊接臨時(shí)鎖定及勁性骨架;⑦解除塔梁固結(jié);⑧澆筑混凝土;⑨解除臨時(shí)鎖定;⑩張拉中跨合龍束;拆除中跨合龍壓重,包括掛籃。
斜拉橋合龍施工方案應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)特性、受力特點(diǎn)以及外在施工環(huán)境等多種因素,對(duì)溫度線形進(jìn)行24 h觀測,確定了合龍的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn),依次進(jìn)行展開確定合理的施工順序,保證了合龍正常進(jìn)行,將施工風(fēng)險(xiǎn)降到最低。本文提出了灼燒法解除臨時(shí)固結(jié),采用鋼管混凝土代替硫磺砂漿作為塔梁臨時(shí)固結(jié)的墊層,用游標(biāo)卡尺測距的方法確定合龍口溫度線形隨時(shí)間的變化,用臨時(shí)壓塊擺成水箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接水箱,運(yùn)用試算剛臂單元彈性模量的方法計(jì)算勁性骨架,這些方法適用于傳統(tǒng)的混凝土斜拉橋合龍,對(duì)合龍口的順利進(jìn)行起到了關(guān)鍵作用。
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1008-844X(2017)03-0125-04
U 448.27
A
2017-01-11
劉傳奇(1985-),男, 碩士研究生,主要從事橋梁施工研究。