高墩連續(xù)剛構(gòu)邊跨現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力配重技術(shù)研究

劉曉松

（中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 陜西西安 100142）

近年來隨著我國(guó)橋梁建設(shè)技術(shù)不斷發(fā)展革新，大跨度、高橋墩、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型獨(dú)特的橋梁建設(shè)項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有的橋梁施工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[1]。高墩橋梁在邊跨施工時(shí)，由于橋墩的制約，掛籃設(shè)備無法完成邊跨現(xiàn)澆段的澆筑施工，同時(shí)由于非對(duì)稱施工，需要考慮對(duì)稱配重[2-7]。針對(duì)上述問題，本文依托洛河特大橋工程項(xiàng)目，借鑒類似工程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高墩連續(xù)剛構(gòu)邊跨非對(duì)稱澆筑施工中的關(guān)鍵技術(shù)和預(yù)應(yīng)力配重進(jìn)行了研究，以便為類似工程項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程背景

洛河特大橋橋梁跨越洛河及西延鐵路，橋梁全長(zhǎng)1 538 m，跨徑布置為（6500+3×12000+6500），共有32 個(gè)墩臺(tái)（雙幅64 個(gè)），其中13#、18#分界墩的墩高分別為65.0 m、72.5 m，屬于超高墩。為保證現(xiàn)澆梁體線性，邊跨現(xiàn)澆段施工分為兩部分進(jìn)行，采用托架與掛籃系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行施工，托架施工3.89 m 梁段，掛籃施工2 m 梁段，掛籃施工2 m 段為后澆邊跨合龍段。（見圖1）

圖1 洛河特大橋橋型布置圖

洛河特大橋13#、18#交界墩的墩頂邊跨現(xiàn)澆段接近4 m，澆筑重量大。該重量?jī)H施加在墩頂一側(cè)，會(huì)對(duì)墩身產(chǎn)生較大不平衡彎矩，造成墩頂偏位超限和墩底出現(xiàn)拉應(yīng)力。若采用墩身預(yù)埋托架現(xiàn)澆邊跨段，則必須在另一側(cè)施加配重，以抵消不平衡彎矩；若采用落地支架施工邊跨現(xiàn)澆段，則支架高度大，造價(jià)高，且自身結(jié)構(gòu)安全性不宜保證。

針對(duì)上述問題，以交界墩為支點(diǎn)，在邊跨現(xiàn)澆段對(duì)側(cè)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋，通過控制預(yù)應(yīng)力大小來抵消不平衡彎矩。豎向預(yù)應(yīng)力筋上端錨固在墩頂，下端錨固在橋墩承臺(tái)。根據(jù)現(xiàn)澆段澆筑過程中的重量變化，基于力矩平衡的原則計(jì)算需要對(duì)稱施加的預(yù)應(yīng)力，然后通過分步張拉預(yù)應(yīng)力來平衡邊跨混凝土澆筑的不平衡彎矩。

2 托架設(shè)計(jì)

高墩連續(xù)剛構(gòu)邊跨現(xiàn)澆段澆筑施工，由于墩柱上部結(jié)構(gòu)離地高度過高且地面工作環(huán)境差，若采用落地支架施工，則支架高度大、造價(jià)高，且支架自身的結(jié)構(gòu)安全性不易保證。因此采用墩旁托架與掛籃系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行施工，以分界墩為支點(diǎn)，通過墩身內(nèi)的預(yù)埋錨固螺栓，在墩身沿橋向兩側(cè)安裝三角托架，然后在安裝好的托架上搭建模板并完成邊跨現(xiàn)澆段的澆筑，最后通過掛籃設(shè)備完成邊跨合龍段澆筑施工[8]。為了防止現(xiàn)澆段可能造成的墩底拉應(yīng)力，在現(xiàn)澆段的另一側(cè)設(shè)置了豎向預(yù)應(yīng)力筋配重，配重原理如圖2 所示，即通過分步張拉預(yù)應(yīng)力筋，來平衡邊跨現(xiàn)澆混凝土澆筑造成的不平衡彎矩。

圖2 配重示意圖

托架順橋向三角桁架支出墩外4.3 m、支撐架高5 m，每側(cè)設(shè)置4 榀，支撐架受力點(diǎn)預(yù)埋于墩柱內(nèi)。托架和斜桿采用32 a 工字鋼，托架頂布置I40 工字鋼作為橫梁，縱梁采用I14 工字鋼間距750 mm布置，托架搭設(shè)效果見圖3。分配梁上均布鋼管頂托及配套10 cm×10 cm 方木支撐現(xiàn)澆梁底模。

圖3 托架搭設(shè)效果圖

3 預(yù)應(yīng)力配重施工技術(shù)

3.1 工藝流程

預(yù)應(yīng)力配重技術(shù)適用于采用懸臂施工的高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，特別適用于主梁高度距地面高（橋墩高）、地面作業(yè)環(huán)境差、地質(zhì)條件差等原因?qū)е逻吙缰Ъ艽钤O(shè)風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高的情況。該技術(shù)首先在施工墩旁搭設(shè)托架，構(gòu)建施工平臺(tái)。其次依托施工平臺(tái)支設(shè)模板、綁扎鋼筋，安裝預(yù)應(yīng)力管道等，最后分層澆筑現(xiàn)澆段混凝土，在澆筑混凝土的同時(shí)采用預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行配重，抵消混凝土澆筑產(chǎn)生的不平衡彎矩，該技術(shù)施工流程如圖4 所示。

圖4 施工流程圖

3.2 托架預(yù)壓

由于托架會(huì)發(fā)生彈性變形，各桿件搭接存在初始間隙等原因，在外部荷載作用下容易變形下?lián)希瑥亩鹉０逑鲁翆?dǎo)致梁段出現(xiàn)裂縫，甚至由于變形過大導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。因此，在托架搭設(shè)完成后需要先對(duì)其進(jìn)行預(yù)壓，方能進(jìn)行后續(xù)混凝土澆筑。托架預(yù)壓首先是為了驗(yàn)證托架的承載力和穩(wěn)定性是否滿足要求；其次是消除其非彈性變形；最后是確定托架的彈性模量，為后續(xù)計(jì)算托架位移，設(shè)置模板預(yù)拱度提供依據(jù)。

采用墩底反力架預(yù)壓，即在邊墩承臺(tái)上設(shè)置3 根直徑32 mm 的精軋螺紋鋼剪力銷棒，剪力銷棒下面放置雙[28a 槽鋼反力梁，采用穿心式千斤頂配合鋼絞線張拉預(yù)壓。懸出墩頂蓋梁現(xiàn)澆段混凝土長(zhǎng)1.74 m，體積43.3 m3，重量108.25 t，施工荷載為5 t，合計(jì)預(yù)壓荷載為113.25 t。計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的彈性變形和非彈性變形，并提供給監(jiān)控單位，為立模標(biāo)高提供依據(jù)。

3.3 平衡配重計(jì)算

為保證施工階段橋墩結(jié)構(gòu)安全，避免橋墩底可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力，需要對(duì)現(xiàn)澆段另一側(cè)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力配重。邊跨現(xiàn)澆段施工時(shí)，橋墩受到的偏心荷載主要是邊跨現(xiàn)澆段鋼筋混凝土濕重、邊跨合龍段鋼筋混凝土的濕重、模板重以及施工機(jī)械荷載。邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)度為3.89 m，其中有2.15 m 的梁段混凝土作用在墩頂蓋梁上，有1.74 m 作用在墩身支架上，因此邊跨現(xiàn)澆段1.74 m 范圍的鋼筋混凝土重量給墩身所帶來偏心受壓，偏心作用點(diǎn)為蓋梁向外0.675 m 處。合龍段長(zhǎng)度為2 m，反側(cè)支架配重的重量計(jì)算按照力矩平衡原理進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

圖5 橋墩配重計(jì)算簡(jiǎn)圖

懸臂部分鋼筋混凝土重量+內(nèi)外側(cè)模重量：N1=1 132.5 kN，作用點(diǎn)距離1L=2.675 m；邊跨合龍段鋼筋混凝土的濕重、模板重以及施工機(jī)械荷載：N2=1 014 kN，作用點(diǎn)距離2L=4.74 m；G為反側(cè)支架配重的重量，作用點(diǎn)距離L=3.25 m；根據(jù)力矩平衡原理：

計(jì)算得G=2 411 kN，故選用4 束3φs15.2 mm 鋼絞線作為配重索，預(yù)應(yīng)力配重張拉端設(shè)置在前橫梁位置處，通過四個(gè)反拉點(diǎn)進(jìn)行配重，每個(gè)反拉點(diǎn)為3 根15.2 鋼絞線，則4 個(gè)反拉點(diǎn)12 根鋼絞線的張拉噸位為：

計(jì)算得F=200.92 kN，即配重索張拉力最大值為20.092 t。

根據(jù)現(xiàn)澆段澆筑進(jìn)度，分級(jí)張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線來平衡新澆混凝土的重量。預(yù)應(yīng)力配重采用的鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，鋼絞線公稱直徑15.2 mm，公稱面積Ay=140 mm2，彈性模量Ep=195 000 MPa。鋼絞線在張拉過程中每根索力為20.092 t，則：

由式（3）求得σ=1435.14 MPa=0.772fpk，鋼絞線強(qiáng)度滿足要求。

3.4 有限元模擬

為檢驗(yàn)在澆筑荷載與預(yù)應(yīng)力配重共同作用下墩頂托架是否安全，采用Midas/civil 建立有限元模型（圖6）進(jìn)行受力分析。模型中托架桿件和橋墩均采用梁?jiǎn)卧ⅲ捎冒鍐卧M混凝土澆筑模板，模型中忽略小橫梁與三角托架的相對(duì)高度位置，采用共節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)接觸傳力。三角托架與墩身采用剛性連接，模型邊界固結(jié)橋墩底部，通過施加梁?jiǎn)卧奢d來模擬現(xiàn)澆段混凝土對(duì)托架的壓力，在反側(cè)支架上施加4 個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載來模擬預(yù)應(yīng)力配重。

圖6 橋墩托架有限元模

計(jì)算結(jié)果顯示，托架結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力最大值為87.8 MPa（圖7），表現(xiàn)為與墩身連接處的拉應(yīng)力，未超過材料容許應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 托架應(yīng)力云圖（MPa）

三角托架最大位移為w=13.44 mm＜[w]=4 300/250=17.2 mm，出現(xiàn)在三角托架懸挑分配梁懸臂處（圖8），剛度滿足要求。

圖8 托架位移云圖（mm）

在“自重+混凝土濕重+配重”工況下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)為26.4，表現(xiàn)為配重支架局部桿件失穩(wěn)（圖9），穩(wěn)定系數(shù)大于4，滿足要求。

圖9 托架失穩(wěn)模態(tài)

為避免在非對(duì)稱澆筑施工中墩底出現(xiàn)拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂，在反側(cè)支架上設(shè)置預(yù)應(yīng)力配重，計(jì)算結(jié)果表明（圖10），墩柱混凝土全截面受壓，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，配重效果良好，保證了70m 高墩墩頂非對(duì)稱施工時(shí)橋墩受力安全。

圖10 橋墩應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

（1）采用的支撐結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力配重，可以有效保證橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的穩(wěn)定性。通過分步張拉預(yù)應(yīng)力筋，來平衡邊跨混凝土澆筑造成的不平衡彎矩，加強(qiáng)橋墩的抗彎性能及抗剪承載能力，提高了邊跨橋墩的整體穩(wěn)定性。

（2）預(yù)應(yīng)力配重相較于傳統(tǒng)的利用水箱、沙袋等配重的方式更合理、更實(shí)用、容易計(jì)算，施工技術(shù)人員容易掌握，加載位置明確，在混凝土澆筑過程中，通過控制預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力，能夠更加精確及時(shí)的調(diào)整配重荷載的施加噸位及速度。