大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁懸臂澆筑施工關(guān)鍵工序的施工質(zhì)量控制

宋少騫（上海建科工程咨詢有限公司， 上海200032）

0 引 言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋通常采取掛籃懸臂澆筑法進(jìn)行施工，該工藝是以已經(jīng)完成的橋墩為起點(diǎn)，在兩側(cè)通過掛籃澆筑第一節(jié)段混凝土，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，然后將掛籃向前移動(dòng)，進(jìn)行下一節(jié)段結(jié)構(gòu)的施工，逐段對(duì)稱地向跨中合攏。

掛籃懸臂澆筑法屬于無支架施工工藝，不占用橋位下部空間，有利于現(xiàn)場(chǎng)交通組織；無需大型吊裝設(shè)備，有利于降低工程造價(jià)；各個(gè)施工工序均在掛籃內(nèi)進(jìn)行，有利于施工的連續(xù)性；梁體分段、分節(jié)施工，有利于變截面箱梁的施工；懸臂施工過程中與橋梁合攏后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為接近，有利于橋梁結(jié)構(gòu)整體受力。

雖然懸臂澆筑法存在很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些問題。由于是懸臂施工，掛籃結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性尤為重要，同時(shí)由于施工過程中容易出現(xiàn)偏載，進(jìn)而產(chǎn)生不平衡彎矩，所以還要嚴(yán)格控制上部結(jié)構(gòu)的線型。本文結(jié)合某實(shí)際橋梁工程，對(duì)橋梁懸臂澆筑施工工藝的關(guān)鍵工序施工控制方法進(jìn)行說明。

1 工程概況

某工程橋梁跨度216m，上部結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁，采用預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑組合為60m＋96m＋60m，單幅橋?qū)?0m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，基礎(chǔ)采用樁基承臺(tái)。箱梁高度沿縱橋向逐漸變化，箱梁截面最大高度為6.0m，跨高比為1/16，最小高度為2.4m，跨高比為1/25。箱梁共分為13個(gè)節(jié)段進(jìn)行澆筑，0號(hào)塊和1號(hào)塊采用支架現(xiàn)澆法施工，2號(hào)塊～13號(hào)塊采用懸臂澆注法施工，橋梁中間現(xiàn)澆合攏段長(zhǎng)度為4m。

2 懸臂澆筑施工

2.1 掛籃設(shè)計(jì)

掛籃結(jié)構(gòu)主要由吊掛系統(tǒng)、承重系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、張拉系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成。本橋掛籃采用菱形掛籃，單只掛籃重量不超過50t，采用3榀主桁架，主桁架間距為5.8m，箱梁節(jié)段最大重量為166t，K1＝掛籃重量/節(jié)段最大重量＝0.3。掛籃的底籃由縱梁、前下橫梁、后下橫梁和底部模板組成，縱梁采用32a 型鋼，前下橫梁和后下橫梁采用 H40H 雙拼型鋼，吊桿采用直徑32mm 的螺紋鋼，利用千斤頂對(duì)模板進(jìn)行調(diào)整。在懸臂澆注施工過程中，掛籃前部的荷載通過吊桿傳遞到前上橫梁，掛籃后端的荷載由吊桿傳遞到在上一節(jié)已澆筑梁段。掛籃的主桁架之間在平面上設(shè)置平聯(lián)桿件，立面設(shè)置平聯(lián)桁架，以保持掛籃的平面和立面的整體穩(wěn)定性。

2.2 掛籃結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.2.1 掛籃荷載計(jì)算

該橋梁最大節(jié)段為2號(hào)塊，長(zhǎng)度為3.5m，重量為166t，最大施工節(jié)段長(zhǎng)度為4.0m，箱梁截面寬度為12m。將最大節(jié)段重量換算成面荷載為 P1＝1660/5/12＝27.66kPa；施工荷載為P2＝1.5kPa；換算成集中荷載為1.5×4×12＝72kN；混凝土振搗荷載為 P3＝2.0kPa，換算成集中荷載為2.0×4×12＝96kN；底模板荷載為 P4＝50kN/5/12＝0.83kPa；外側(cè)模板和外側(cè)導(dǎo)梁荷載 P5＝160＋32＝192kN；掛籃底?？v梁面積荷載為82.18/5/12＝1.37kPa；內(nèi)模荷載 P7＝110/5/12＝1.83kPa；橫梁總荷載 P8＝28＋26＋36＝90kN。

針對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，對(duì)以上計(jì)算的各項(xiàng)荷載作荷載組合，掛籃底?？v梁所承受的荷載為 P＝P1＋P2＋P3＋P4＋P6＝27.66＋1.5＋2＋0.83＋1.37＝33.36kPa，然后對(duì)主桁架的荷載進(jìn)行驗(yàn)算，懸臂澆筑施工時(shí)的荷載由主桁架和箱梁端部共同承受。假定兩者各承受一半的荷載，則掛籃主桁架前上橫梁承受的荷載為 P＝P1＋P2＋P3＋P4＋P5＋P6＋P7＋P8＝1660＋72＋96＋50＋192＋82.18＋110＋90＝2352.18kN，將荷載平均分配到3片桁架，則荷載為392kN。掛籃結(jié)構(gòu)中受力最大的前上橫梁，選用2H40寬翼緣H型鋼雙拼而成，其所承受的總荷載按照3×392＝1176kN 考慮，計(jì)算時(shí)換算成均布荷載計(jì)算。

2.2.2 掛籃結(jié)構(gòu)計(jì)算

首先，運(yùn)用 Midas Civil 有限元計(jì)算掛籃整體桁架單元的內(nèi)力和變形，桁架最大位移為掛籃的前端，最大位移值為12mm；掛籃桁架單元的最大應(yīng)力為70.9MPa＜[σ]＝140MPa，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

然后計(jì)算前橫梁受力情況，前橫梁上面除了懸掛前下橫梁的6個(gè)吊點(diǎn)以外，4個(gè)外模導(dǎo)梁和4個(gè)內(nèi)模滑梁等8個(gè)吊點(diǎn)，前橫梁的總荷載 P＝3×392＝1176kN，換算成前上橫梁的均布荷載 q＝P/L＝1176/16.64＝70.67kN/m；前橫梁由2片 H400寬翼緣型鋼組成，將線荷載平均分布到兩片型鋼上去，每片型鋼的荷載為70.67/2＝35.34kN/m。

利用 Midas Civil 計(jì)算桿件的內(nèi)力和變形，計(jì)算結(jié)果如下。

（1）支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果：支點(diǎn)反力分別為199.3kN、195.2kN、199.3kN。

（2）彎矩計(jì)算結(jié)果：最大彎矩117.8kN·m。

（3）剪力計(jì)算結(jié)果：最大剪力107.6kN。

（4）最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：最大剪切應(yīng)力37MPa＜[τ]＝85MPa，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。最大組合應(yīng)力99MPa＜[σ]＝140MPa，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（5）最大位移計(jì)算結(jié)果：變形最大為懸臂端的位移6mm＜L/250＝575/400＝14mm，剛度滿足要求。

最后計(jì)算下橫梁、前下橫梁和后下橫梁，下橫梁以6根吊桿作為彈性支點(diǎn)。前后下橫梁的受力基本相同，現(xiàn)選取前下橫梁進(jìn)行計(jì)算分析。前下橫梁的總荷載 P＝3×392＝1176kN，換算成前上橫梁的均布荷載 q＝P/L＝1176/12.68＝92.74kN/m；前下橫梁由2片 H400寬翼緣型鋼組成，將線荷載平均分布到兩片型鋼上去，每片型鋼的荷載為92.74/2＝46.37kN/m。

用 Midas civil 建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如下。

（1）彎矩和剪力計(jì)算結(jié)果：最大彎矩60.9kN·m，最大剪力102.2kN。

（2）下橫梁組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：最大應(yīng)力50.7MPa＜[σ]＝140MPa，強(qiáng)度滿足要求。

（3）下橫梁變形計(jì)算：最大位移2mm＜L/400＝4340/400＝10mm，剛度滿足要求。

2.2.3掛籃穩(wěn)定性計(jì)算

當(dāng)掛籃移動(dòng)到下一節(jié)段箱梁的澆注位置時(shí)，是掛籃空載情況下穩(wěn)定性最不利的工況，此時(shí)掛籃的力臂是最大的，所以承受的傾覆力也是最大的。該工況下主要的荷載包括為施工荷載72kN，外側(cè)模板160kN，底?？v梁82.18kN，內(nèi)模板110kN；前上橫梁、前下橫梁28＋26＝54kN；將上述荷載平均分配到掛籃的前端和后端，并乘以1.2的安全系數(shù)，則掛籃在移動(dòng)前進(jìn)的最不利工況荷載為1.2× [（72＋160＋82.18＋110）/2＋54]＝319.1kN。

所以，掛籃每榀桁架前端承受的荷載319.1/3＝106.5kN，反扣輪組的荷載為112.7kN，反扣輪組與掛籃主結(jié)構(gòu)之間采用一根型號(hào)為 ×Z50-170的貝雷銷進(jìn)行連接，貝雷銷的截面積為 A＝3.14×25×25＝1962.5mm2，抗剪強(qiáng)度為585MPa，112.7kN＜容許剪力 [F]＝1962×585＝1147kN，安全系數(shù) K＝1147/112.7＝10.17，滿足規(guī)范要求。

反扣輪組中有8只軸承，而實(shí)際使用時(shí)掛籃受力并不均勻，所以出于安全考慮，假定反扣輪組在使用時(shí)只有4只軸承受力，每只軸承的額定荷載為48.5kN，4只軸承的容許荷載為4×48.5＝194kN，大于112.7kN，所以反扣輪組軸承的安全性滿足施工要求。

8只軸承之間有4根直徑為60mm 的固定軸，如前所述，考慮到實(shí)際使用時(shí)掛籃受力并不均勻，出于安全考慮，假定使用時(shí)只有2根固定軸受力，則每根固定軸承受的剪力為 τ＝112.7/2/（3.14×30×30）＝19.9MPa＜[τ]＝85MPa，抗剪強(qiáng)度滿足施工要求。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，掛籃在空載移動(dòng)的最不利工況條件下，抗傾覆穩(wěn)定性滿足施工安全要求。

2.3 掛籃拼裝

掛籃的拼裝施工在0號(hào)塊和1號(hào)塊施工完成和支架拆除之后進(jìn)行，主桁架在地面拼裝完成，然后安裝掛籃底部軌道墊梁、行走軌道、上壓梁、下壓梁和反扣輪組合前支座，然后吊裝主桁架，將掛籃主桁架后端錨固固定并安裝豎向平聯(lián)支撐桁架、后錨平聯(lián)和水平支撐，然后安裝掛籃前上橫梁、掛籃前吊桿。在地面上拼裝底籃，然后將底籃提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，將外側(cè)模、外滑梁和外導(dǎo)梁一起進(jìn)行提升，然后根據(jù)立模的標(biāo)高調(diào)整外側(cè)模的標(biāo)高。

2.4 掛籃荷載試驗(yàn)

掛籃拼裝完成后，需要對(duì)掛籃進(jìn)行承載力和變形的試驗(yàn)。通過掛籃荷載試驗(yàn)，可以有效地消除掛籃的非彈性變形，并檢測(cè)其彈性變形值。本橋梁懸臂澆筑梁節(jié)段的最大重量為166t，加載重量為施工荷載的1.2倍，即199.2t。施工現(xiàn)場(chǎng)采用1.5t 重的砂袋進(jìn)行堆載，累計(jì)堆載133包砂袋，總荷載共計(jì)200t。墩柱兩側(cè)的掛籃采用同時(shí)對(duì)稱逐級(jí)加載，整個(gè)加載過程按0.5倍、1倍、1.2倍進(jìn)行三級(jí)加載，加載總重量為200t。每級(jí)加載完成后，保持2h～3h，然后測(cè)取該級(jí)荷載下掛籃各部位的撓度值，整體加載完成后維持荷載24h，再測(cè)取掛籃各部位的撓度值，最后分三級(jí)對(duì)掛籃進(jìn)行卸載。

試驗(yàn)測(cè)得掛籃下沉最大值為38mm，下沉最小值為12mm，卸載后的最大回彈值為25mm，最小回彈值為0，掛籃平均變形撓度為15mm，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)施工采用的預(yù)拋撓度值為18mm。根據(jù)荷載試驗(yàn)測(cè)得的彈性變形值，可以擬合出掛籃的彈性變形曲線，作為后續(xù)施工的控制標(biāo)高，并與設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行比對(duì)，作為施工參考的依據(jù)。

2.5 箱梁線形控制

掛籃懸臂澆筑的線形控制應(yīng)綜合考慮橋梁的懸臂長(zhǎng)度和每一節(jié)段的重量、掛籃自身的重量、施工荷載、溫差變形、預(yù)應(yīng)力張拉等因素。在施工前，應(yīng)計(jì)算出每一節(jié)段前端的撓度值，根據(jù)撓度值確定各節(jié)段的預(yù)拱度。在懸臂澆筑施工過程中，每一節(jié)段在混凝土澆筑前、預(yù)應(yīng)力張拉前后和掛籃移動(dòng)前后，應(yīng)分別測(cè)量箱梁節(jié)段的標(biāo)高，采取梁段撓度計(jì)算和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。根據(jù)每個(gè)梁段的設(shè)計(jì)預(yù)拱度和掛籃彈性變形值等參數(shù)，確定預(yù)抬高值，對(duì)梁段的線形逐段地進(jìn)行調(diào)整。

2.6 合攏段施工

先將位于邊跨一側(cè)的掛籃底模平臺(tái)下放至地面拆除，主桁架用吊機(jī)拆除；同時(shí)將中跨側(cè)的掛籃前移至中跨合攏段位置，底模平臺(tái)通過吊桿固定在14號(hào)塊的預(yù)留孔上，與掛籃底模橫梁的間距對(duì)應(yīng)。掛籃就位后，測(cè)量中跨14號(hào)塊的前端標(biāo)高與設(shè)計(jì)值比較，若高差在2cm 以內(nèi)，即可進(jìn)行模板安裝，若超出要求，則采用在箱梁上壓重的方法進(jìn)行調(diào)整。

預(yù)壓重在勁性骨架焊接前進(jìn)行，采用與合攏段混凝土等重的沙袋和水壓重，在澆注混凝土過程中根據(jù)澆注速度卸載與混凝土等重的壓重。合攏段勁性骨架由勁性鋼管和調(diào)節(jié)鋼管組成，勁性鋼管共計(jì)8根，勁性鋼管墊板下設(shè)螺旋筋與鋼筋網(wǎng)，要求勁性骨架在夜間最低溫時(shí)焊接。合攏段混凝土標(biāo)號(hào)為 C50，采用泵送澆筑，塌落度控制在（12±2）cm，混凝土初凝時(shí)間不小于8h，混凝土在夜間最低溫時(shí)澆注。合龍段完成后，經(jīng)測(cè)量復(fù)核，上部結(jié)構(gòu)高程平均誤差為9mm，符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié) 語

本文通過某橋梁工程實(shí)例，對(duì)懸臂澆筑施工關(guān)鍵工藝的控制方法進(jìn)行闡述，通過對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，對(duì)其安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，掛籃重量/節(jié)段最大重量為0.3，在保障施工安全的同時(shí)，最大限度地將掛籃輕量化。通過荷載試驗(yàn)確定掛籃預(yù)拋撓度值，施工過程中采用梁段撓度計(jì)算和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，逐段對(duì)線形進(jìn)行調(diào)整和控制，確保了最后合攏段的順利施工，為今后類似橋梁工程的施工提供了一定的參考作用。