架橋機(jī)荷載下大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

【摘要】預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)κ┕ぶ写髴冶凵w梁結(jié)構(gòu)安全有很大影響，是保證預(yù)應(yīng)力張拉施工安全的重要環(huán)節(jié)。以慈溪杭灣金融港綜合開(kāi)發(fā)配套基礎(chǔ)設(shè)施工程為依托，采用架橋機(jī)進(jìn)行架梁、運(yùn)梁施工，運(yùn)用有限元分析手段，分析了基于架橋機(jī)下大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)證了最不利條件下的結(jié)構(gòu)安全性，優(yōu)化了預(yù)應(yīng)力張拉順序。同時(shí)總結(jié)了基于架橋機(jī)下大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉施工的質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】架橋機(jī)； 大懸臂蓋梁； 預(yù)應(yīng)力； 張拉順序

【中圖分類(lèi)號(hào)】U441+.2A

0 引言

大懸臂蓋梁具有占地面積小、結(jié)構(gòu)輕巧美觀、視線通透性好等優(yōu)點(diǎn)，在城市高架橋獲得廣泛應(yīng)用［1-3］。為了提高吊梁施工效率、適應(yīng)緊湊施工環(huán)境，常常采用架橋機(jī)進(jìn)行施工。因蓋梁自重占總荷載的比例較小、架橋機(jī)自重大，導(dǎo)致架橋機(jī)在架梁、運(yùn)梁過(guò)程重對(duì)大懸臂蓋梁產(chǎn)生較大荷載、變形，影響蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉，存在安全隱患。

在查閱相關(guān)文獻(xiàn)、總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上［4-6］，對(duì)本工程大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。采用有限元數(shù)值分析的手段，基于架橋機(jī)下大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)證了最不利條件下結(jié)構(gòu)安全性，為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

本項(xiàng)目是慈溪杭灣金融港綜合開(kāi)發(fā)配套基礎(chǔ)設(shè)施一期工程，全線設(shè)置一座主線高架橋，全長(zhǎng)4770 m，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度26 m，主跨采用簡(jiǎn)支裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)以及鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，蓋梁382個(gè)，蓋梁以雙柱式鋼筋混凝土雙懸臂構(gòu)造為主，蓋梁長(zhǎng)度24.5 m，懸臂凈長(zhǎng)達(dá)9.25 m。橋墩立面如圖1所示，蓋梁平面圖如圖2所示。

1.2 工況說(shuō)明

一方面大懸臂蓋梁上架設(shè)架橋機(jī)，通過(guò)架橋機(jī)運(yùn)輸不同跨徑小箱梁，恒載重量大、蓋梁受力大。另一方面主跨小箱梁跨越既有營(yíng)運(yùn)道路，蓋梁施工時(shí)需懸挑至圍擋外，存在較大安全隱患。故為保證蓋梁施工中的安全，同時(shí)兼顧施工便利性，對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉順序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置

蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束為每束7根15.2 mm低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1395 MPa，共計(jì)3排21束。蓋梁立面及預(yù)應(yīng)力束布置如圖3所示。

大懸臂蓋梁因其結(jié)構(gòu)特殊，合理的張拉順序和上部結(jié)構(gòu)加載順序非常關(guān)鍵，必須對(duì)張拉過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行分析，尤其是最不利條件下。

3 大懸臂蓋梁有限元分析

采用Midas Civil 2020有限元軟件對(duì)76#—79#蓋梁建立橋梁整體計(jì)算的有限元計(jì)算模型，模型中采用梁?jiǎn)卧M蓋梁和混凝土小箱梁以及墩柱，混凝土材料為C50，彈性模量為3.45×104 MPa，泊松比為0.2，整體計(jì)算模型如圖4所示。

3.1 架梁工況驗(yàn)算

架橋機(jī)架梁示意、架梁順序示意分別如圖5、圖6所示。

圖5 架橋機(jī)架梁示意

圖6 架梁順序示意（單位：cm）

架橋機(jī)重量：F₁=750 kN

單片梁重量：F₂=1150 kN

總荷載：F= F₁+ F₂=1900 kN

以架梁工況第7片梁架完后架第8片梁時(shí)為驗(yàn)算工況，第8片梁為邊主梁。

中墩蓋梁荷載為：P₁=0.6F=1140 kN

架橋機(jī)后支腿（2個(gè)支點(diǎn)）每個(gè)支點(diǎn)荷載P=1/2P=570 kN

前墩荷載為：P₂=0.4F=760 kN

架橋機(jī)前支腿（2個(gè)支點(diǎn)）每個(gè)支點(diǎn)荷載P=P₂/2=380 kN

3.1.1 工況一：只張拉N2架梁計(jì)算

荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+架橋工況，架橋機(jī)按最不利位置放在76#和77#右側(cè)小箱梁處，蓋梁驗(yàn)算應(yīng)力圖和撓度如圖7～圖9所示。

鐵路與公路羅旭光： 架橋機(jī)荷載下大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

3.1.2 工況二：張拉N2和4根N3純蓋梁計(jì)算

3.1.2.1 純蓋梁驗(yàn)算

荷載組合：1.0自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—79#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-6、N3-8）工況，蓋梁驗(yàn)算應(yīng)力圖和撓度如圖10～圖12所示。

3.1.2.2 張拉N2和2根N3純蓋梁計(jì)算

荷載組合：1.0自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-2、N3-7）工況，蓋梁驗(yàn)算應(yīng)力和撓度如圖13～圖15所示。

3.1.2.3 張拉N2和2根N3架橋計(jì)算

荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-2、N3-7）+架橋工況，架橋機(jī)按最不利位置放在76#和77#右側(cè)小箱梁處，蓋梁驗(yàn)算應(yīng)力和撓度如圖16～圖18所示。

3.2 運(yùn)梁工況驗(yàn)算

運(yùn)梁時(shí)架橋機(jī)荷載：77#墩蓋梁荷載為：P₁=0.6F=450 kN；架橋機(jī)后支腿（2個(gè)支點(diǎn)）每個(gè)支點(diǎn)荷載P=P₁/2=225 kN；76#墩蓋梁荷載為：P₂=0.4F=300 kN；架橋機(jī)前支腿（2個(gè)支點(diǎn)）每個(gè)支點(diǎn)荷載P=P₂/2=150 kN。架橋機(jī)位置及載荷、運(yùn)梁時(shí)荷載追蹤示意、運(yùn)梁時(shí)反力，分別如圖19～圖21所示，運(yùn)梁時(shí)61#產(chǎn)生的最大反力為：464.5 kN和406.3 kN。

（1）工況一：張拉N2和4根N3鋼束運(yùn)梁計(jì)算。

荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#— 77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-6、N3-8）+運(yùn)梁工況，最不利位置蓋梁驗(yàn)算應(yīng)力和撓度，如圖22～圖24所示。

（2）工況二：張拉N2和2根N3鋼束運(yùn)梁計(jì)算。

荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-2、N3-7）+運(yùn)梁工況，最不利位置蓋梁驗(yàn)算應(yīng)力和撓度如圖25～圖27所示。

3.3 結(jié)果分析

（1）蓋梁在荷載組合：1.2自重+張拉76#—77#N2鋼束+架橋工況下拉應(yīng)力為2.63 MPa，大于容許拉應(yīng)力1.83 MPa，需補(bǔ)充張拉鋼束再進(jìn)行驗(yàn)算。

（2）在荷載組合：1.0自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-6、N3-8）工況下，純蓋梁拉應(yīng)力為1.99 MPa不滿足要求。為避免開(kāi)裂，建議張拉兩根。

（3）蓋梁在荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-6、N3-8）+架橋工況下，最大拉應(yīng)力為1.8 MPa，最大壓應(yīng)力為12.07 MPa，均小于容拉許應(yīng)力1.83 MPa和容許壓應(yīng)力16.8 MPa，滿足要求，最大擾度為5.71 mm。

（4）蓋梁在荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-2、N3-7）+架橋工況下，最大拉應(yīng)力為0.952 MPa，最大壓應(yīng)力為8.67 MPa，均小于容拉許應(yīng)力1.83 MPa和容許壓應(yīng)力16.8 MPa，滿足要求，最大擾度為4.53 mm。

（5）在蓋梁在荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-6、N3-8）+運(yùn)梁工況下，滿足相關(guān)要求。最大拉應(yīng)力為0.214 MPa，最大壓應(yīng)力為11.96 MPa，均小于容拉許應(yīng)力1.83 MPa和容許壓應(yīng)力16.8 MPa，滿足要求，最大撓度為4.23 mm。

（6）在蓋梁在荷載組合：1.2自重+張拉76#—79#N2鋼束+張拉76#—77#N3鋼束（N3-1、N3-3、N3-5、N3-7）和78#—79#N3鋼束（N3-2、N3-7）+運(yùn)梁工況下，滿足相關(guān)要求。最大拉應(yīng)力為0.643 MPa，最大壓應(yīng)力為8.67 MPa，均小于容拉許應(yīng)力1.83 MPa和容許壓應(yīng)力16.8 MPa，滿足要求，最大撓度為4.42 mm。

綜上所述，為避免開(kāi)裂，在最不利條件下建議張拉兩根N3。

4 蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉施工

4.1 張拉準(zhǔn)備

張拉前檢查設(shè)備等情況。

（1）張拉前檢查梁體混凝土是否達(dá)到張拉強(qiáng)度，錨墊板下混凝土是否密實(shí)。清除錨墊板上的混凝土，并檢查是否與孔道垂直，如超過(guò)3 mm，則需加扁墊板補(bǔ)平，在錨墊板上標(biāo)出錨杯安放位置。

（2）張拉前認(rèn)真檢查張拉系統(tǒng)，做到安全可靠，千斤頂后禁止站人，并制定詳細(xì)的安全措施。

（3）錨具用錨杯和夾片使用前應(yīng)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，千斤頂、油泵、壓力表按要求作定期校驗(yàn)標(biāo)定。

4.2 鋼束張拉步驟

0—初始應(yīng)力（10%σ_con）持荷2 min—100%σ_com持荷5 minσ_con（錨固）。

4.3 張拉順序

蓋梁分為兩次張拉，首先待混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%以上并養(yǎng)護(hù)不少于14 d以后進(jìn)行第1次預(yù)應(yīng)力張拉并在24 h內(nèi)壓漿，壓漿7 d后架設(shè)梁板（架梁順序見(jiàn)圖6所示），然后進(jìn)行第二次張拉。

張拉順序?yàn)榈谝慌鶱2，小箱梁架設(shè)完成后，第二批先N3后N1。

4.4 張拉控制

預(yù)應(yīng)力張拉采用張拉雙控，以應(yīng)力控制為主，張拉伸長(zhǎng)值校核，實(shí)際伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值之差在±6%以內(nèi)為合格。智能張拉過(guò)程中，張拉儀器將對(duì)張拉過(guò)程、張拉力控制、伸長(zhǎng)量量測(cè)等進(jìn)行自動(dòng)控制，并自動(dòng)記錄相關(guān)原始數(shù)據(jù)。

每一束張拉完成后，設(shè)備自動(dòng)退頂，保存數(shù)據(jù)。施工人員退去兩端工具錨，卸下千斤頂，并觀察鋼絞線有無(wú)滑動(dòng)現(xiàn)象。如無(wú)異常，進(jìn)行下一束道鋼束的張拉施工。

4.5 變形監(jiān)測(cè)

測(cè)量放線人員對(duì)墩柱頂和蓋梁頂坐標(biāo)進(jìn)行檢查，復(fù)核無(wú)誤后，進(jìn)行標(biāo)識(shí)。預(yù)應(yīng)力鋼索二次張拉過(guò)程中，用經(jīng)緯儀檢測(cè)變形情況，特別加強(qiáng)豎向變位的檢測(cè)。

4.6 孔道壓漿

按要求鋼束張拉完成后24 h內(nèi)，待預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力平穩(wěn)時(shí)及時(shí)進(jìn)行注漿，注漿要求采用智能壓漿施工工藝，要求每個(gè)孔道一次壓漿完成。

5 安全措施

（1）編束時(shí)保持每根鋼絞線平行不纏繞，每隔1～1.5 m用鐵絲綁扎一道，在每束的兩端2 m范圍內(nèi)保證綁扎間距不大于50 cm。

（2）張拉區(qū)域周?chē)鷳?yīng)設(shè)置明顯的警示標(biāo)志和標(biāo)牌，嚴(yán)禁非操作人員進(jìn)入張拉區(qū)。

（3）張拉時(shí)，模梁板兩端嚴(yán)禁站人，并在兩端設(shè)置安全保護(hù)設(shè)置。

（4）張拉力的作用線應(yīng)與鋼絞線中心一致，不得偏扭。

（5）張拉時(shí)，油泵應(yīng)徐徐加壓，使千斤頂加載平穩(wěn)、均勻、緩慢，卸載時(shí)，應(yīng)慢慢打開(kāi)油閥，使油壓緩緩下降。

6 結(jié)論

（1）運(yùn)用有限元分析手段，分析了基于架橋機(jī)下大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)證了最不利條件下的結(jié)構(gòu)安全性，優(yōu)化了預(yù)應(yīng)力張拉順序，并有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，提升施工安全、施工質(zhì)量。

（2）采用架橋機(jī)進(jìn)行架梁、運(yùn)梁施工，由于其自身重量大，在最不利條件下需要張拉2根N3鋼束，才能保證大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)不開(kāi)裂。

（3）主線高架橋在跨越營(yíng)運(yùn)道路下成功完成了大懸臂蓋梁預(yù)應(yīng)力張拉施工作業(yè)，對(duì)周邊環(huán)境影響小，不影響營(yíng)運(yùn)道路正常通行，實(shí)現(xiàn)文明施工，保障百姓正常生活，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，為今后解決類(lèi)似工程提供參考。

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