連續(xù)剛構(gòu)橋超高墩邊跨現(xiàn)澆段單懸臂施工反拉預(yù)壓平衡配重施工技術(shù)

胡曉軍， 何玉先

(中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410000)

1 工程概況

貴龍沙坡大橋橋梁全長700 m，2#～7#墩梁為(50+3×85+50)m 連續(xù)剛構(gòu)+(40+65+40)m連續(xù)剛構(gòu)，其中邊跨2#墩高46 m，2#墩邊跨現(xiàn)澆段為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱室結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆段長度為6.34 m，總混凝土方量為99.33 m3，其中墩頂部分現(xiàn)澆段長度為1.24 m、混凝土為28.3 m3，墩頂外懸臂部分長度為5.1 m、混凝土為71.03 m3，現(xiàn)澆段采用在墩頂旁設(shè)置三角托架形成施工平臺的方式進(jìn)行施工。

2 邊跨現(xiàn)澆段總體施工方案

2#墩為連續(xù)剛構(gòu)與預(yù)制架設(shè)梁交界墩，連續(xù)剛構(gòu)橋2#墩邊跨現(xiàn)澆段施工期間，2#墩小里程側(cè)預(yù)制梁在邊跨現(xiàn)澆段完成后進(jìn)行架設(shè)，因此2#墩邊跨現(xiàn)澆段施工為單懸臂現(xiàn)澆施工[1]。

根據(jù)墩身高度特點(diǎn)，邊跨現(xiàn)澆段采用了托架法施工。為避免單懸臂現(xiàn)澆段施工期間因不平衡荷載對墩身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，本工程采用在墩身對應(yīng)側(cè)設(shè)置反向承壓輔助托架、反向張拉鋼絞線束，通過反拉施配合適大小的平衡荷載，以抵消單懸臂現(xiàn)澆段荷載的不利影響[2]。

3 托架設(shè)計及安裝

3.1 配重托架設(shè)置

邊跨現(xiàn)澆段支架采用在墩身預(yù)埋支架預(yù)埋件，預(yù)埋件與托架采用焊接連接，托架主桁采用2I36b，托架腹桿采用2I28b，連接系采用[28b型鋼。托架上弦桿上布置15.5 m長I28b分配梁，間距50 cm，梁體實心段及合攏段錨固段下加密到25 cm。在分配梁上搭設(shè)扣件式鋼管支架，鋼管支架上設(shè)置縱橫方木，方木上鋪設(shè)鋼模。配重按邊跨現(xiàn)澆段墩頂以外懸臂段混凝土對墩中心力矩的70%配置，以平衡邊跨現(xiàn)澆段澆筑過程中的不平衡力矩以免引起墩身開裂。配重托架所用材料及規(guī)格、聯(lián)結(jié)系設(shè)置、與墩身連接方式、細(xì)部構(gòu)造及植筋等符合要求[3]。托架結(jié)構(gòu)見圖1。

3.2 工況分析

由邊跨現(xiàn)澆段施工工序知，托架在使用中根據(jù)其受力階段僅為砼澆筑工況計算托架相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，按實際結(jié)構(gòu)建模分析[4]，所建模型見圖2。

3.3 配重荷載計算

邊跨現(xiàn)澆段墩身頂以外懸臂段對墩中心力矩值為：71.03 m3×26 kN/m3×(2.55+1.4)m=7 295 kN·m。預(yù)應(yīng)力鋼絞線反拉力對墩中心力矩值為：0.7×7 295 kN·m=5 106 kN·m。預(yù)應(yīng)力鋼絞線反拉力合力值：5 106 kN·m/2.8 m=1 824 kN。共計設(shè)置兩束鋼絞線，每束鋼絞線反拉力為912 kN。

圖1 單懸臂現(xiàn)澆施工配重托架布置(單位：mm)

圖2 計算模型

3.4 反拉鋼絞線設(shè)計

鋼絞線采用8-?15.2 mm，1 860 MPa×139 mm2×8/(912 kN)=2 068 kN/912 kN=2.3≥2,滿足要求。

承臺頂對應(yīng)于每束鋼絞線設(shè)置4組精軋螺紋鋼筋，采用植筋方式設(shè)置，按偏于安全的方式“內(nèi)側(cè)兩組承擔(dān)0.8×912 kN=730 kN拉力，外側(cè)兩組承擔(dān)0.2×912 kN=182 kN拉力”考慮，則單根精軋螺紋鋼筋最大拉力值為730 kN/2=365 kN，精軋螺紋鋼筋采用?32 mm PSB930級，930 MPa×804.2 mm2/365 kN=2.04≥2,滿足要求。

3.5 托架頂分配梁設(shè)計驗算

分配梁采用2I56a，通過對分配梁的正應(yīng)力及剪應(yīng)力進(jìn)行計算，荷載分項系數(shù)取1.3，則分配梁正應(yīng)力σ=126.6 MPa<215 MPa，剪應(yīng)力τ=58.9 MPa<125 MPa，均滿足要求。

3.6 承臺頂錨筋植筋及下錨固梁設(shè)計

承臺頂對應(yīng)于每束鋼絞線設(shè)置4組精軋螺紋鋼筋，采用植筋方式設(shè)置，采用Midas進(jìn)行建模計算，模型簡化如圖3所示。

精軋螺紋鋼筋錨固點(diǎn)均采用彈性支撐模擬，其剛度系數(shù)k= 274 785 kN/m。

圖3 下錨固梁結(jié)構(gòu)計算簡圖(單位：kN)

分配梁采用2I40a，通過對最大彎曲正應(yīng)力及最大剪應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計算,荷載分項系數(shù)取1.3，則最大彎曲正應(yīng)力σmax=178.8 MPa<[σ]=205 MPa,滿足要求。最大剪應(yīng)力τ= 104.4 MPa<125 MPa，滿足要求。

3.7 下錨固鋼筋計算

由支座反力得知，最大支座反力值為320.7 kN，即單根精軋螺紋鋼筋最大拉力值為320.7 kN，精軋螺紋鋼筋采用?32 mmPSB930級，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為770MPa。下錨固鋼筋錨固安全系數(shù)為770 MPa×804.2 mm2/320.7 kN=1.94。

3.8 托架安裝

按設(shè)計圖紙要求加工邊跨現(xiàn)澆段托架及配重托架，現(xiàn)場采用墩旁塔吊安裝，分片、分件進(jìn)行安裝。配重托架安裝可滯后于邊跨現(xiàn)澆段托架安裝時間，但配重托架及反拉預(yù)應(yīng)力配重必須在邊跨現(xiàn)澆段澆筑前完成[5]。

4 反向張拉設(shè)計

4.1 反向張拉系統(tǒng)設(shè)計及施工

由于承臺施工期間未預(yù)埋錨固精軋螺紋鋼筋，需在承臺頂用水磨鉆機(jī)鉆芯成孔、預(yù)埋精軋螺紋鋼筋、A級植筋膠灌注的方式植筋。承臺混凝土為C35，精軋螺紋鋼筋采用直徑?32 mm PSB930級。

按《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2013)，精軋螺紋鋼筋的基本錨固長度為Ls=0.2αsptdfy/fbd；植筋錨固設(shè)計深度為Ld≥ψNψbrLs。式中：αspt為防止混凝土劈裂引用的計算系數(shù)；d為植筋公稱直徑；fy為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；fbd為植筋膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值；ψN為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；ψbr為結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)對承載力影響的系數(shù)。

查《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》，αspt取1.05，fbd取4.5，ψN取1.1(1.0×1.1×1.0)，ψea取1.0。

查《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG3362-2018)，PSB785預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值fy取650 MPa。則Ls=970 mm，Ld≥ψNψbrLs=1.1×1.0×970 mm=1.067 m，植筋錨固深度按1.1 m設(shè)計。

(1)鉆孔：水磨鉆鉆孔內(nèi)徑為40 mm，孔深1.144 m，鉆孔完成后，用空壓機(jī)吹出孔內(nèi)灰塵、積水，并實測鉆孔深度。

(2)植筋膠灌入：計算植筋膠體積，灌入時應(yīng)從孔底部開始灌入，確保鋼筋植入后，植筋膠充滿孔空隙。

(3)植筋：將直徑?32 mm PSB930的精軋螺紋鋼筋由孔口緩慢插入孔內(nèi)。植筋應(yīng)在灌入植筋膠后立即開始，植筋前，應(yīng)在鋼筋上做好標(biāo)記，確保植入長度滿足要求，鋼筋植入應(yīng)緩慢插入，以保證插入過程中孔內(nèi)植筋膠能緩慢擠壓上升并填充鋼筋與孔壁間間隙。

(4)預(yù)拉：植筋完成后，根據(jù)植筋膠產(chǎn)品說明書要求的固化時間，待植筋膠完全固化后，對鋼筋進(jìn)行預(yù)張拉試驗，預(yù)張拉力按：0.9×785 MPa×804.2 mm2=568 kN實施[6]。

4.2 反向張拉系統(tǒng)安裝

配重托架頂部設(shè)置橫向分配梁，承臺頂設(shè)置下錨固梁(見圖4)，分配梁與下錨固梁間設(shè)置鋼絞線實施張拉配重，鋼絞線錨固段設(shè)置在下錨固梁位置，張拉端設(shè)置在托架頂橫向分配梁頂[7]。

圖4 下錨固梁安裝示意(單位：mm)

托架頂橫向分配梁安裝后應(yīng)對分配梁頂面標(biāo)高進(jìn)行測量，以保證分配梁安裝的水平度，分配梁若與托架間存在間隙，應(yīng)采用適宜厚度的鋼板抄墊密實。

錨固分配梁安裝后應(yīng)對單個分配梁進(jìn)行水平度測量，采用精軋螺紋鋼筋上下設(shè)置錨固螺母夾緊錨固分配梁的方式進(jìn)行調(diào)整，上錨固螺母采用雙螺母。

4.3 反張拉配重實施

反拉配重最大值為182.4 t，共設(shè)置兩臺反拉千斤頂。在混凝土澆筑全過程中分3次完成配重，分次實施狀況見表1。直線段混凝土總方量為99.33 m3。配重實施注意事項：

(1)所使用的千斤頂與油表應(yīng)配套標(biāo)定、配套使用，使用前，應(yīng)進(jìn)行力值與壓力表讀數(shù)的換算。

表1 分次配重實施

(2)在直線段混凝土澆筑前，應(yīng)對配重托架進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓荷載按最大合力值的1.2倍進(jìn)行，并監(jiān)測托架變形。

(3)直線段混凝土澆筑過程中每階段配重順序應(yīng)為:先完成階段配重、再進(jìn)行相應(yīng)階段混凝土的澆筑。

(4)直線段混凝土澆筑完畢后，應(yīng)做好對反張拉鋼絞線的保護(hù)，可在鋼絞線外套波紋管，并在鋼絞線中部位置與墩壁間設(shè)置一道臨時軟連接，避免、減輕因大風(fēng)導(dǎo)致鋼絞線震顫、共振而破壞。

(5)反拉配重在邊跨合攏段混凝土澆筑完成且混凝土強(qiáng)度滿足100%后進(jìn)行解除。

4.4 反張拉受力分析

4.4.1 托架受力分析

分別對托架在鋼絞線張拉前、中，卸載后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，托架各項受力指標(biāo)及變形經(jīng)檢驗均滿足要求，安全可靠。托架受力構(gòu)件檢查效果情況見表2。

表2 托架構(gòu)件受力效果檢查情況

4.4.2 邊墩墩身反拉受力影響

橋墩是一種偏心受壓構(gòu)件，其承載能力取決于構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定。在橋墩兩端不平衡配重條件下，根據(jù)橋墩及上部約束條件，對橋墩在反拉過程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在邊跨現(xiàn)澆段施工過程中同步進(jìn)行不平衡配重反拉，兩側(cè)不平衡力差異較小，橋墩內(nèi)部應(yīng)力不會對橋墩產(chǎn)生不良影響。

5 結(jié)束語

本文針對大跨度、超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆單懸臂施工預(yù)壓開展研究，采用在承臺頂面設(shè)置反張拉錨固點(diǎn)對托架實施反向張拉的方法成功運(yùn)用，總結(jié)出單懸臂施工反拉預(yù)壓平衡配重方法，解決了超高墩預(yù)壓施工成本高、工期長、安全風(fēng)險大等施工難題，在今后的連續(xù)剛構(gòu)橋梁邊跨現(xiàn)澆支架預(yù)壓施工中具有推廣和借鑒價值。