悬臂施工已经被广泛地应用在桥梁施工中,随着桥梁设计的样式多样化,这种工艺必定会发挥更大的潜力,笔者就祁临高速公路第八合同段张皮沟大桥的上部箱梁的施工,浅谈预应力箱梁悬臂施工工艺。
张皮沟大桥位于山西省灵石县燕家岭村境内,横跨张皮沟,此沟为典型V型沟谷,沟底宽约45米,地形起伏较大。主桥上部为458045米变截面br.C.连续刚构箱梁,箱梁根部梁高4.2米,高跨比1/19.05,跨中梁高1.8米,高跨比1/44.44,箱梁顶板厚25厘米,底板按二次抛物线厘米的横隔板及边跨设厚80厘米的端横隔板外,箱梁其余部位均不设横隔板,采用双向预应力体系。
悬臂施工法建造预应力混凝土梁桥时,不需要搭设支架,而是直接从已建墩台顶部逐段向跨径方向延伸施工,每延伸一段就施加预应力使与已建成的部分联结为整体。按照梁体的制造方式,悬臂施工法可分为悬臂拼装和悬臂浇筑两类。这里简要介绍一下悬臂浇筑施工工艺。
悬臂浇筑施工系利用悬吊式活动脚手架(简称挂篮)在墩柱两侧对称平衡地浇筑梁段混凝土(一般3-8米),每浇筑完一段,待混凝土达到设计强度后张拉纵向预应力钢绞线,然后向前移动挂篮,进行下一段施工。
张皮沟大桥上部箱梁悬臂浇筑共分为四个部分,即第一部分0号块施工;第二部分为2~8块梁段悬臂浇筑部分;第三部分为边跨现浇段施工;第四部分为合拢段施工,包括边跨合拢段施工和中跨合拢段施工。
1.0号块施工0号块是所有梁体中的高度最大、重量最重的一块,且在墩柱顶,不采用挂篮施工。0号快因为体积比较大,里面倒角多,所以分两次浇筑,第一次浇筑到腹板高度1.5米以上。0号块里面分布有纵向预应力钢绞线,横向和竖向的精轧螺纹钢。另外0号块顶板所有纵向预应力钢绞线管道都要通过。因此在浇筑前要仔细检查管道的坐标和质量,以免在0号块误差太大。
悬臂浇筑的部分共有2-8号块,每幅桥总计28块。挂篮作为悬臂浇筑的主要施工设备,钢筋绑扎,孔道安装,混凝土浇筑,钢绞线张拉等工序都要在上边操作,因此在设计时除要经济外,还必须有足够的安全性和灵活性,便于在施工过程中安全的操作。张皮沟大桥的挂篮主桁设计采用国产贝雷片,每片长3米,高1.5米,重270千克。上下横梁采用240工字钢焊接而成。外模采用定型模板,内模采用组合模板。祥见挂篮组装图挂篮在0号块竖向精轧螺纹钢张拉结束后就可以组装,在挂篮正式使用前要进行预压,检验实际的承载力和安全可靠性,并获得弹性变形的数据和消除挂篮的非弹性变形,为施工控制提供依据。1号块是悬臂浇筑部分的第一阶段,精确的控制挂篮的标高和平面位置,对全桥的控制提供保障。挂篮的标高要考虑以下因素:桥面设计标高;挂篮在不同荷载下的变形值,混凝土变形,包括温度应力变形和后期徐变变形。悬臂浇筑部分的混凝土要一次性浇筑完,避免梁体中部产生竖向裂缝。1号块浇筑后要进行纵向的预应力钢绞线张拉,张拉后即可松动后锚和向前移动挂篮,进行下一段施工,直到悬臂浇筑结束。
张皮沟大桥的过渡墩高33米,如果采用支架施工现浇段比较困难,我们施工采用挂篮做吊架,挂篮的主桁前支点在过渡墩顶。现浇段施工要在5号块施工的同时进行,以保证在8号块施工结束后可以及时进行边跨合拢。
合拢段施工是体系转换的过程,通过合拢段的施工,使桥梁完成体系的转换。首先进行边跨合拢,最后进行中跨合拢。边跨合拢采用吊架施工,待现浇段施工结束后,混凝土强度达到设计强度后即可进行边跨合拢段的施工。中跨合拢段的劲性骨架待边跨混凝土浇筑后,边跨挂篮拆除后才能合拢。中跨合拢段的混凝土浇筑要在一天中的最低温度下进行。应当指出的是,要严格控制合拢程序,否则会与设计的合拢后产生很大的误差,其结构恒载内力也会发生变化,体系转换时由徐变引起的内力重分布也不相同,故采用不同的合拢程序在结构中产生不同的最终恒载内力,对整个结构的竣工后使用产生很大的影响。
施工过程中的挠度计算不仅与力学计算模式的选取有关,而且更重要的是与许多挠度影响的因素有关,这些主要因素包括:施工阶段的一期恒载,即梁体自重和预加应力;施工临时荷载:悬浇的挂篮和模板机具设备重;人群荷载、大自然的温度变化、湿度变化、风荷载;桥墩变位、基础沉降、施工误差等。这些影响因素中,还有许多模糊不定及随机变化的因素的情况,因此,挠度监测十分困难。为了更加精确的控制梁体的挠度变形,每进行一块至少要分六个阶段进行观测,即混凝土浇筑前后、张拉前后、挂篮移动前后,观测已经浇筑的所有梁段,有条件可以每天观测,详细掌握挠度变化,为下一个块体施工提供依据。
在箱梁浇筑前要布设测量监控控制网,控制网的布设,应遵照变形观测能反映结构的实际变形为原则。我们考虑在每墩顶0号块的中心位置安装1个工作基点,工作基点要与附近的导线点形成控制网,并且要定期进行复核,以保证工作基点的误差在合格范围内。
通过我们精心组织施工,严格施工程序,加大监控力度,使得张皮沟大桥左幅的合拢误差都控制在合格范围内。
悬臂施工的方法从发明到现在,只不过短短的40多年,之所以能够被广泛地应用,正是因为它具有许多独特的优点。
虽然,悬臂施工方法具有许多优点,它同样存在一些缺点:悬臂浇筑必须等所有墩台施工完才能进行,而且在混凝土浇筑后要等强度达到设计强度才能进行下一道工序,这样会延长施工时间;施工监控比较复杂,施工误差再所难免,桥面没有混凝土调平层,块体接触处很容易产生不平整的现象。
张皮沟大桥成功合拢,是大跨度桥梁施工的又一典范。随着悬臂施工技术的进步和完善,施工机械化程度的提高,加上电子计算机辅助进行桥梁结构内力分析计算及施工控制,使悬臂施工法成为现代大跨径桥梁建造的主要施工方法,这也推动了桥梁进一步向高强、轻型、大跨方向发展。