架橋機荷載下大懸臂蓋梁預應力張拉設計與施工技術研究

【摘要】預應力張拉順序對施工中大懸臂蓋梁結構安全有很大影響，是保證預應力張拉施工安全的重要環節。以慈溪杭灣金融港綜合開發配套基礎設施工程為依托，采用架橋機進行架梁、運梁施工，運用有限元分析手段，分析了基于架橋機下大懸臂蓋梁預應力張拉順序對結構的影響，驗證了最不利條件下的結構安全性，優化了預應力張拉順序。同時總結了基于架橋機下大懸臂蓋梁預應力張拉施工的質量關鍵技術。

【關鍵詞】架橋機； 大懸臂蓋梁； 預應力； 張拉順序

【中圖分類號】U441+.2A

0 引言

大懸臂蓋梁具有占地面積小、結構輕巧美觀、視線通透性好等優點，在城市高架橋獲得廣泛應用［1-3］。為了提高吊梁施工效率、適應緊湊施工環境，常常采用架橋機進行施工。因蓋梁自重占總荷載的比例較小、架橋機自重大，導致架橋機在架梁、運梁過程重對大懸臂蓋梁產生較大荷載、變形，影響蓋梁預應力張拉，存在安全隱患。

在查閱相關文獻、總結現有研究成果的基礎上［4-6］，對本工程大懸臂蓋梁預應力張拉施工技術進行了系統研究。采用有限元數值分析的手段，基于架橋機下大懸臂蓋梁預應力張拉順序對結構的影響，驗證了最不利條件下結構安全性，為今后類似工程提供借鑒。

1 項目概況

1.1 工程概況

本項目是慈溪杭灣金融港綜合開發配套基礎設施一期工程，全線設置一座主線高架橋，全長4770 m，橋面標準寬度26 m，主跨采用簡支裝配式小箱梁結構以及鋼混組合梁結構，蓋梁382個，蓋梁以雙柱式鋼筋混凝土雙懸臂構造為主，蓋梁長度24.5 m，懸臂凈長達9.25 m。橋墩立面如圖1所示，蓋梁平面圖如圖2所示。

1.2 工況說明

一方面大懸臂蓋梁上架設架橋機，通過架橋機運輸不同跨徑小箱梁，恒載重量大、蓋梁受力大。另一方面主跨小箱梁跨越既有營運道路，蓋梁施工時需懸挑至圍擋外，存在較大安全隱患。故為保證蓋梁施工中的安全，同時兼顧施工便利性，對預應力張拉順序進行優化設計。

2 蓋梁預應力鋼束布置

蓋梁預應力鋼束為每束7根15.2 mm低松弛鋼絞線，抗拉強度設計值為1395 MPa，共計3排21束。蓋梁立面及預應力束布置如圖3所示。

大懸臂蓋梁因其結構特殊，合理的張拉順序和上部結構加載順序非常關鍵，必須對張拉過程中的結構安全性進行分析，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76#—79#蓋梁建立橋梁整體計算的有限元計算模型，模型中采用梁單元模擬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，整體計算模型如圖4所示。

3.1 架梁工況驗算

架橋機架梁示意、架梁順序示意分別如圖5、圖6所示。

圖5 架橋機架梁示意

圖6 架梁順序示意（單位：cm）

架橋機重量：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片梁時為驗算工況，第8片梁為邊主梁。

中墩蓋梁荷載為：P₁=0.6F=1140 kN

架橋機后支腿（2個支點）每個支點荷載P=1/2P=570 kN

前墩荷載為：P₂=0.4F=760 kN

架橋機前支腿（2個支點）每個支點荷載P=P₂/2=380 kN

3.1.1 工況一：只張拉N2架梁計算

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

鐵路與公路羅旭光： 架橋機荷載下大懸臂蓋梁預應力張拉設計與施工技術研究

3.1.2 工況二：張拉N2和4根N3純蓋梁計算

3.1.2.1 純蓋梁驗算

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，蓋梁驗算應力圖和撓度如圖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，蓋梁驗算應力和撓度如圖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，架橋機按最不利位置放在76#和77#右側小箱梁處，蓋梁驗算應力和撓度如圖16～圖18所示。

3.2 運梁工況驗算

運梁時架橋機荷載：77#墩蓋梁荷載為：P₁=0.6F=450 kN；架橋機后支腿（2個支點）每個支點荷載P=P₁/2=225 kN；76#墩蓋梁荷載為：P₂=0.4F=300 kN；架橋機前支腿（2個支點）每個支點荷載P=P₂/2=150 kN。架橋機位置及載荷、運梁時荷載追蹤示意、運梁時反力，分別如圖19～圖21所示，運梁時61#產生的最大反力為：464.5 kN和406.3 kN。

（1）工況一：張拉N2和4根N3鋼束運梁計算。

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）+運梁工況，最不利位置蓋梁驗算應力和撓度，如圖22～圖24所示。

（2）工況二：張拉N2和2根N3鋼束運梁計算。

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）+運梁工況，最不利位置蓋梁驗算應力和撓度如圖25～圖27所示。

3.3 結果分析

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

（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，純蓋梁拉應力為1.99 MPa不滿足要求。為避免開裂，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，最大拉應力為1.8 MPa，最大壓應力為12.07 MPa，均小于容拉許應力1.83 MPa和容許壓應力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，最大拉應力為0.952 MPa，最大壓應力為8.67 MPa，均小于容拉許應力1.83 MPa和容許壓應力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）+運梁工況下，滿足相關要求。最大拉應力為0.214 MPa，最大壓應力為11.96 MPa，均小于容拉許應力1.83 MPa和容許壓應力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）+運梁工況下，滿足相關要求。最大拉應力為0.643 MPa，最大壓應力為8.67 MPa，均小于容拉許應力1.83 MPa和容許壓應力16.8 MPa，滿足要求，最大撓度為4.42 mm。

綜上所述，為避免開裂，在最不利條件下建議張拉兩根N3。

4 蓋梁預應力張拉施工

4.1 張拉準備

張拉前檢查設備等情況。

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

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

（3）錨具用錨杯和夾片使用前應進行硬度試驗，千斤頂、油泵、壓力表按要求作定期校驗標定。

4.2 鋼束張拉步驟

0—初始應力（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，首先待混凝土強度達到100%以上并養護不少于14 d以后進行第1次預應力張拉并在24 h內壓漿，壓漿7 d后架設梁板（架梁順序見圖6所示），然后進行第二次張拉。

張拉順序為第一批N2，小箱梁架設完成后，第二批先N3后N1。

4.4 張拉控制

預應力張拉采用張拉雙控，以應力控制為主，張拉伸長值校核，實際伸長值與理論伸長值之差在±6%以內為合格。智能張拉過程中，張拉儀器將對張拉過程、張拉力控制、伸長量量測等進行自動控制，并自動記錄相關原始數據。

每一束張拉完成后，設備自動退頂，保存數據。施工人員退去兩端工具錨，卸下千斤頂，并觀察鋼絞線有無滑動現象。如無異常，進行下一束道鋼束的張拉施工。

4.5 變形監測

測量放線人員對墩柱頂和蓋梁頂坐標進行檢查，復核無誤后，進行標識。預應力鋼索二次張拉過程中，用經緯儀檢測變形情況，特別加強豎向變位的檢測。

4.6 孔道壓漿

按要求鋼束張拉完成后24 h內，待預應力鋼束應力平穩時及時進行注漿，注漿要求采用智能壓漿施工工藝，要求每個孔道一次壓漿完成。

5 安全措施

（1）編束時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范圍內保證綁扎間距不大于50 cm。

（2）張拉區域周圍應設置明顯的警示標志和標牌，嚴禁非操作人員進入張拉區。

（3）張拉時，模梁板兩端嚴禁站人，并在兩端設置安全保護設置。

（4）張拉力的作用線應與鋼絞線中心一致，不得偏扭。

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

6 結論

（1）運用有限元分析手段，分析了基于架橋機下大懸臂蓋梁預應力張拉對結構的影響，驗證了最不利條件下的結構安全性，優化了預應力張拉順序，并有效指導現場施工，提升施工安全、施工質量。

（2）采用架橋機進行架梁、運梁施工，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應力張拉時不開裂。

（3）主線高架橋在跨越營運道路下成功完成了大懸臂蓋梁預應力張拉施工作業，對周邊環境影響小，不影響營運道路正常通行，實現文明施工，保障百姓正常生活，經濟社會效益顯著，為今后解決類似工程提供參考。

參考文獻

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