大懸臂預(yù)制蓋梁分節(jié)安裝關(guān)鍵技術(shù)

徐紀(jì)洋

（中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

引言

20 世紀(jì)60 年代起，我國開始嘗試在混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)中采用預(yù)制節(jié)段拼裝工藝。伴隨國外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備不斷引進(jìn)，預(yù)制節(jié)段拼裝橋梁上部結(jié)構(gòu)在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用。

對于橋梁墩柱，在東海大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋等工程中，預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)均得到了成功應(yīng)用。經(jīng)過多年探索，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和安裝進(jìn)入高速發(fā)展期，上海目前新建的市政高架普遍采用預(yù)制拼裝工藝。

1 概述

S3 公路是上海市高速公路網(wǎng)及沿海大通道的重要組成部分，是“一環(huán)十二射”中東南部結(jié)構(gòu)性射線骨干道路，是市域東南片區(qū)的出省快速通道，也是中心城區(qū)通往浦東新區(qū)、自貿(mào)區(qū)新片區(qū)、奉賢區(qū)及杭州灣北岸經(jīng)濟(jì)帶的重要連接通道。

S3 公路3 標(biāo)段主線高架采用預(yù)制裝配式工 藝，結(jié)構(gòu)由下往上依次為：預(yù)制PHC 管樁（或灌注樁）、現(xiàn)澆承臺、立柱、預(yù)制蓋梁、預(yù)制小箱梁（或鋼砼組合梁）。其中，標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁長31 m，寬2.4 m，高2.8 m，總重約430 t，采用后張法預(yù)應(yīng)力體系。綜合考慮構(gòu)件運(yùn)輸及現(xiàn)場吊裝能力，將標(biāo)準(zhǔn)段蓋梁分為2 節(jié)，中間預(yù)留2 m 濕接段，分節(jié)安裝后澆筑成整體。單節(jié)蓋梁重心位置偏離立柱中心1 961 mm，蓋梁節(jié)段與立柱通過灌漿套筒連接。

由于分段蓋梁安裝后存在偏心，需要采取有效、穩(wěn)定的臨時(shí)措施來抵抗蓋梁長懸臂下沉帶來的安全、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[1]。

標(biāo)準(zhǔn)蓋梁分節(jié)段長14.5 m，分節(jié)起吊最大重量197 t，重心位置如圖1 所示。本文以分節(jié)蓋梁偏心安裝工藝展開論述，通過支架法和反拉法解決偏心問題，并對二者優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析討論。

2 支架法

在重心另一側(cè)使用型鋼搭設(shè)臨時(shí)支撐格構(gòu)架，與立柱一起承擔(dān)單節(jié)蓋梁荷載，實(shí)現(xiàn)平衡穩(wěn)定，如圖2 所示，直至蓋梁濕接段澆筑完成、第一批預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后拆撤支架[2]。

圖2 支架法示意圖Fig.2 Schematic diagram of bracket method

2.1 支架法關(guān)鍵技術(shù)

1）支架地基處理

將原地面開挖60 cm 后分2 層填筑建筑垃圾，每層打夯密實(shí)，單層厚度不大于30 cm；并抽檢進(jìn)行靜載試驗(yàn)驗(yàn)證，要求地基承載力不小于135 kPa。

2）格構(gòu)柱基座

本次采用預(yù)制C40 混凝土基座3 m×3 m× 0.3 m 進(jìn)行周轉(zhuǎn)使用，基座預(yù)埋螺栓與鋼支撐連接，如圖3 所示，螺栓采用M20。

圖3 臨時(shí)支撐與基礎(chǔ)連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of temporary support and foundation connection

預(yù)制基座安放到位后需對其進(jìn)行先期預(yù)壓，荷載組合取1.0支架自重+1.1蓋梁荷載+1.5掛籃荷載；現(xiàn)場設(shè)置總重70 t 預(yù)壓。預(yù)壓期間需密切觀測沉降位移情況，本文選取S3 項(xiàng)目現(xiàn)場先期吊裝的4 節(jié)蓋梁作為試驗(yàn)段進(jìn)行觀測，結(jié)果如表1 所示。

表1 支架基座相對沉降（mm）-時(shí)間記錄表Tab.1 Relative Settlement of Support Base (mm) -Time Record Table

預(yù)壓基座在24 h 后沉降值基本趨于0 mm，故規(guī)定提前3 d 開始預(yù)壓基座，盡可能減小地基沉降影響。

3）鋼支撐

格構(gòu)柱采用平面布置2.0 m×2.0 m 鋼支架；每節(jié)高度1～5 m、結(jié)構(gòu)綴件的節(jié)距2 m，主肢采用方鋼管（截面尺寸200 mm×200 mm×10 mm）、橫撐綴條采用HN400×200×8/13 型鋼，斜撐綴條采用B150×4 方鋼，支架上面采用雙拼HW400 熱軋H型鋼用以做分配梁，材質(zhì)為Q235b，每節(jié)段間使用法蘭盤進(jìn)行連接。頂部采用沙箱進(jìn)行標(biāo)高調(diào)節(jié)和便于支架拆除。沙箱與蓋梁底部接觸面墊土工布防止銹跡污染，如圖4 所示。

圖4 支架法臨時(shí)支撐示意圖Fig.4 Schematic diagram of temporary support using bracket method

根據(jù)施工需要，格構(gòu)柱主要承受自重荷載q1，及蓋梁荷載q2兩部分，q1由軟件建立模型直接確定，q2取最不利工況下蓋梁重心位置處于單根分配梁軸上方，使單側(cè)雙主肢接近軸心受壓狀態(tài)。

①結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

如圖4 所示，蓋梁重心位置距離支架支座 4.539 m。可將圖示工況簡化為桿系模型，蓋梁自重線性荷載合并為集中力作用于重心位置，在立柱和格構(gòu)柱中心各設(shè)置一固定鉸支座，支座間距6.5 m，求得格構(gòu)柱側(cè)支座反力593.4 kN。

則單側(cè)分配梁受均布荷載=593.4/2/2=148.35 kN。如圖5 所示，經(jīng)MIDAS CIVIL 建模分析后，得出最大應(yīng)力值27.29 Mpa<材料屈服應(yīng)力設(shè)計(jì)值=305 Mpa，最大位移1.12 mm<容許撓度值 2 000/400=5 mm。

圖5 有限元分析結(jié)果圖Fig.5 Finite Element Analysis Results

圖6 反拉施工示意圖Fig.6 Schematic diagram of reverse pulling construction

②柱體剛度驗(yàn)算

綜上所述，此構(gòu)型受力均勻、平衡，安全余量充足可靠，滿足施工要求。

2.2 蓋梁位移觀測

支架法施工后需密切監(jiān)控蓋梁頂部及基座沉降情況，實(shí)時(shí)調(diào)整蓋梁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。蓋梁及基座沉降情況如表2 所示。

表2 蓋梁安裝后沉降情況表Tab.2 Settlement of Cover Beam Installation

觀測結(jié)果表明，蓋梁就位3 h 內(nèi)沉降較為明顯，基座頂基本回到拆卸預(yù)壓塊前標(biāo)高，總體平均值為6 mm，支架產(chǎn)生13～15 mm 彈性變形，故沙箱初始標(biāo)高需上調(diào)21 mm 作為預(yù)留沉降量；復(fù)測平面位移均無明顯變化。

2.3 支架法施工周期

支架法需在現(xiàn)場提前3 d 處理預(yù)壓場地，需調(diào)動挖機(jī)、汽車吊等機(jī)械向前拓展作業(yè)面，對承擔(dān)構(gòu)件吊裝的履帶式起重機(jī)械無任何影響，落梁就位后即可卸鉤轉(zhuǎn)至下一作業(yè)點(diǎn)；前場能快速消化構(gòu)件。

蓋梁就位后，后續(xù)工序?yàn)闈窠拥啄５跄? d→濕接段鋼筋焊接、綁扎2 d→濕接段側(cè)模安裝、澆筑1 d→濕接段養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度7～14 d→蓋梁第一批預(yù)應(yīng)力張拉1 d→第一批張拉預(yù)應(yīng)力孔道壓漿1 d→拆除支架1 d；故從支架就位至拆除需17～24 d。

3 反拉法

蓋梁節(jié)段在立柱上安裝后，通過精軋螺紋鋼連接承臺內(nèi)預(yù)埋件與蓋梁，平衡蓋梁偏心。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）確定反拉平衡范圍

為方便計(jì)算，蓋梁反拉體系可簡化成桿系靜定結(jié)構(gòu)，異形蓋梁自重荷載簡化成線性分布荷載作用于桿系結(jié)構(gòu)，分別于立柱內(nèi)、外側(cè)墊板及中心墊板設(shè)置鉸支座，反拉點(diǎn)距離立柱中心4.1 m，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 反力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Reaction Calculation Results

計(jì)算得出拉桿在369.74 kN～1 856.53 kN 拉力區(qū)間內(nèi)可使蓋梁保持穩(wěn)定，超出此范圍蓋梁則易傾覆。理想狀態(tài)下鉸支座位于立柱中心時(shí)拉桿應(yīng)提供928.67 kN 拉力以保持蓋梁平衡狀態(tài)。

故本次選用3 根Φ50 精軋螺紋鋼作為反拉桿，PSB 強(qiáng)度不小于1 080 MPa，單根允許張拉力 2 120 kN，施加50 %張拉力，可以提供1 060 kN 反力，采用3 根可以保證3 180 kN＞928 kN，安全系數(shù)取值3.4[3]。

使用FEA NX 實(shí)體有限元分析軟件對蓋梁反拉完成后工況進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算蓋梁頂部單根反拉應(yīng)力值為14 MPa[4]。

2）預(yù)埋構(gòu)件施工及精確定位措施

①蓋梁預(yù)埋管道設(shè)置

預(yù)埋管道采用Φ80 mm、厚度3 mm 的PVC 管，高出蓋梁頂0.1 m 埋設(shè)。預(yù)埋PVC 管上、下口及中部在定位鋼筋上綁扎固定，保證管道無位移；且在澆筑前內(nèi)穿無縫鋼管襯管以確保PVC 管不發(fā)生形變。

蓋梁頂面預(yù)留孔周圍需局部找平，確保錨墊板可以水平放置。

②承臺內(nèi)預(yù)埋P 錨設(shè)置

承臺澆筑時(shí)，同步預(yù)埋精軋螺紋鋼，在承臺立柱插筋定位面板裝置中提前開設(shè)預(yù)留孔，確保預(yù)埋準(zhǔn)確性。精軋螺紋鋼端部使用螺帽及錨板固定，承臺內(nèi)錨固長度2.1 m。承臺澆筑時(shí)應(yīng)充分振搗，保證預(yù)埋上方混凝土密實(shí)。布置概況如圖7 所示。

圖7 蓋梁內(nèi)部預(yù)埋精軋螺紋鋼示意圖Fig.7 Schematic diagram of pre embedded precision rolled threaded steel inside the cover beam

③精軋螺紋鋼接長

蓋梁下落至立柱頂部，姿態(tài)調(diào)整完成后，將精軋螺紋鋼從蓋梁對應(yīng)預(yù)留孔下放至承臺頂面，采用專用接駁器接長，上下使用鎖定螺帽鎖死。

3）精軋螺紋鋼張拉

在梁頂使用穿心千斤頂同步張拉精軋螺紋鋼至設(shè)計(jì)值，以張拉總拉力為控制手段。張拉時(shí)注意觀察蓋梁姿態(tài)和吊機(jī)荷載卸載。張拉總拉桿力到928.67 kN，起重機(jī)械共卸載343.47 kN。張拉力誤差要求±10 %以內(nèi)，卸載力誤差要求±10 %以內(nèi)。分級張拉與分級卸載交叉進(jìn)行，張拉后持荷2 min，逐步緩慢達(dá)到蓋梁和立柱的初步拼裝就位。整個(gè)過程中須注意荷載加減作業(yè)的平緩、穩(wěn)定進(jìn)行。

4）P 錨張拉

反拉法因蓋梁在柱頂位置產(chǎn)生負(fù)彎矩最大達(dá) 4 803 kN·m。需在吊裝前完成P 錨張拉工序，蓋梁P 錨由4 根φs15.2-12 鋼束組成，高強(qiáng)度低松弛鋼絞線fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。由FEA NX 分析得鋼束所承受的最大1 257 MPa 拉應(yīng)力位于立柱頂部位置[5-7]。

此舉有效解決梁頂負(fù)彎曲應(yīng)力造成的砼開裂風(fēng)險(xiǎn)，張拉后該應(yīng)力值接近于0 MPa。

3.2 單節(jié)蓋梁施工周期

反拉法因蓋梁需要在預(yù)制廠提前3 d 完成P 錨張拉、壓漿、封錨工序，一定程度上增加后場存梁壓力，占用堆場寶貴空間。

蓋梁就位后，后續(xù)工序消耗時(shí)間于支架法相同，但現(xiàn)場吊裝因精軋螺紋鋼對拉完成后吊車才能脫鉤，往往同一施工窗口無法滿足1 輛履帶吊以上的吊裝機(jī)械交叉作業(yè)，故單日單機(jī)吊裝效率至少降低2 倍，在生產(chǎn)高峰期將進(jìn)一步增加后場存梁壓力。

4 結(jié)語

兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同場景下能分別發(fā)揮出其特色優(yōu)勢。反拉法僅需3 根拉桿，臨時(shí)結(jié)構(gòu)簡潔，拉桿位于承臺頂，無需占用額外場地及通道；施工整體形象優(yōu)勢明顯；但其由于施工階段受力相對復(fù)雜，需綜合考量14 MPa 的拉桿應(yīng)力及蓋梁頂彎曲應(yīng)力，質(zhì)量、安全隱患較大，尤其是蓋梁處于非靜定狀態(tài)的時(shí)間更長，同步張拉千斤頂及分級加載卸載要求極高的協(xié)同性，且對于先期預(yù)埋構(gòu)件的精度要求極高，施工難度較大。

支架法場地、通道占用多，但其施工階段受力明確，蓋梁落位即穩(wěn)定；在現(xiàn)場的前置施工可鋪開作業(yè)面，進(jìn)度、計(jì)劃上的可塑性更強(qiáng)；不額外占用起重機(jī)械作業(yè)時(shí)間，可快速減輕堆場壓力，充分發(fā)揮預(yù)制拼裝橋梁的快速施工優(yōu)勢。