国内首座单拱面预应力砼系杆拱桥施工和设计问题探讨

国内首座单拱面预应力磅系杆拱桥施工和设计问题探讨 开平市土木工程集团公司甄荣照 一 、 简况 广东省建筑设计研究院设计 的开平大 桥主 桥 , 为单拱面预应力硅 系杆拱 , 是国内 首座此结构形式的桥梁 。 单拱面预 应 力破系杆拱 , 是硷拱 和预 应 力硷 箱梁两种结构 , 通过 吊杆将其组合为一 个新的结构体系 。 拱式结构 , 具有跨越能力 强 , 承 载 力高 , 刚度大的优点 . 其缺点是存在 水平推 力 , 对荃础 要求高 . 预应力硷箱梁具 有整体性好 , 抗扭刚度大 , 抗拉弯能力强的 优点 . 可以承受拱产生的水平推力 , 既起 到 普通系杆拱 的 系杆作用 , 又可作桥面行车系 杆 ; 其缺点是截面随着跨度的加大而增加较 多 , 使自重迅速增加 。 但与拱组成共同受力 体系后 , 截面 可不随桥跨度的增加 而 增 加 , 即使在很大 的桥跨时 , 箱梁高度也可以 做得 很小 。 系杆拱桥将以受压为主的拱和抗拉弯 为主的箱 梁 , 通过 吊杆 连结 , 发挥了各自的 优势 . 劣势则互相抵销 , 实现 了良性互补 , 从 而达到跨越能力强 , 承载力高和刚度大的境 界 . 单拱面 系杆拱外形 上的特点 , 是将通常 盆于桥两边的拱 , 合二为一里于中央分隔带 上 , 这样虽然引入了一种新的空间计算 , 但 因每孔桥面仅有一片拱 , 所以从任何角度 看 . 都没有错落凌乱的观感 , 甚为美观 , 而 且 行车时没有压抑感 , 故而是一种新的桥式 。 这就 是单拱面预应力硷系杆拱的原理 和特点 。 本公司承建开平大桥期间 , 笔者主持制 定 了单拱面预应力硷系杆拱 的 施工方案 , 并 参予 了施工的全过程 . 下面就其施工过程作 一些介绍 , 并就设计问题谈谈自己的认识 。 二 、 预应力施工工艺和技术分析 单拱面预 应力系杆拱 , 按设计单位构 思 , 有两 种不同的施工方法 。 第一种是先搭支架完成对应于拱的箱 体 , 然后完成拱 , 再张拉吊杆 , 使之成为一个 受力体系 . 然 后以这个体系为依托 , 用双悬 臂挂篮分块浇筑两边的箱体(行车体系) 。 第二种是全面搭支架完成全部箱体 , 然 后完成拱 , 再张拉吊杆 。 第一种方法的优 . 点在 于支架耗费量少 , 但两个悬臂挂篮的制作工艺复杂 , 因有吊杆 妨碍 . 挂篮顺桥向移动必须借助较大 型的 水 上 吊装 设 备 . 而且 , 如 果桥面 宽度 较大 时 , 横 桥向尚需分节向两侧 延伸 , 施工工艺复杂 。 第二种方法的缺点是耗费支架多 , 但施 工过程构件受力状态 明确 . 安全可靠 , 工艺 简单 。 两种不同的施工方法 、 施工阶段产生的 内力不 同 , 因而 要根据施工单位的实际情况 先确定旅工方案 , 再进行结构设计 , 是比较 合适的程序 。 开平大桥是 在确定 采用第二种施工方 案后再进行结构设计的 。 开平大桥单拱面系杆拱跨径组合为钓 +60+ 40(m) , 桥宽 19m , 拱宽 Zm 。 箱体顺 桥向分五室 , 两边带悬臂板 2 . 3m 。 6Om 主孔 37 施工技术 广东土木与建筑19 9 6 年第 4 期 箱 体设 1 0条 中横 梁 , 2 条端横 梁 ; 40 1 二m 副 孔 设 8 条中横梁 , 2 条端横梁 。 吊杆设在中 横梁 中部 . 每处 2 根吊杆 , 中心距 100 cm 。 60 米主孔 系标(箱 梁)曾 、 计硷 7 80n 、 , 重 190ookN 。 箱体范 围平均 21 . 3kN/m : , 悬臂板 范围平均 . 13 kN/ .记 。 施工 荷载 考虑 5 . 0 0 kN/ J l 1。 系杆 支 架 . 根据 本 公 司 的设 备 , 采用打 钢 管桩做 临时 墩 . 在 墩顶架 设 横 梁 , 再顺 桥 向架设钢衍 架的方 法 。 临 时墩 的布置 , 考虑 了如下几方 面的因 素 : . 桩 的布置方 式 和桩的承载 力 ; 2 . 顺 桥 向钢析架的布置 方式 和强度(弯 距 、 剪 力)及挠度 ; 3 . 浇 筑箱体时 . 临时墩桩必 然产生 小量 下 沉 , 钢 析架在跨 中部位必 然有挠 曲变型 , 故 在墩 顶 部位 要 留8 0 10 0 厘米 施工缝 , 施 工缝不 得设在横梁 部位 。 很据以上原 则 . 并进 行 了计 算 、 比较 , G ,nl 主孔 中 间设 三 排 临 时 墩 . 跨距 1 5:。(见 附图) 1畏据现场 条件 . 箱体范围每组桩 群使用 , 喂 中2】3一6 钢 管 . 很 据 1 一于 算. 要求承载 力 最大 的桩 为箱体中桩 . 每恨 为3 9 5k N 。 翼板桩群 采用 2 恨 口)2 1 3一6钢管 , 主要 是考虑 稳定因素 。 纵 向 杭 架排距按四跨 均 布 荷载连续梁 最不利 的加荷方式 计算 。 计算结 果是以剪力 控制 排 距 . 为 1 . 0 2 m . 适 应 衍架连接风撑的 尺寸 . 定 为 . 0 0 n l。 单桩承载力和衍 架布置计 算 是 简单程 式 . 不详列 。 由于钢 管桩管径太 小 , 桩的长 细比较大 ( l 一r 一1 13) 占 交其压缩弯曲稳定是一个 主要 考虑因素我们用试验桩来测定单桩容许承 载力 . 方法是 在已完 成 的两 根 钻孔桩之 间打 一 很钢桩 . 在钻孔桩顶固定一 根钢 横 梁 . 用 T -斤顶咬压桩 . 测 定桩在 开始 弯曲变形时 的 3 8 承 载 力为 480kN 。 卸荷后 , 钢 桩反弹复原 , 也 没有下 沉 , 满足临时墩桩的要求 。 桩 施打过 程 , 指定专人监督 , 保证所有桩都按试验桩 的控制贯入度 施工 。 桩群组合连 结部位以下 长度则比试验 桩的长 度短 , 从 而保证了临时 墩 桩 在压杆 稳 定和承载力两 方 面都达 到使 用要求 。 另外 , 钢衔架的跨 中挠 度 值是 一个重要 因素 , 它控制 了施 工 预拱度 , 预 拱 度 预留不 准 确 , 箱体成 形后 必 然是波 浪形 , 严重 影响 美观 。 但 因钢衔架是 销接的 , 挠 度值不好计 算 , 其影响因素很多 , 如衍架的新旧不 同 , 销 子 的精密度 不 同 , 析架的 材质不 同 , 挠度都 不 同(由于衍架紧缺 , 一些杆件个别厂家使 用了代用材) 。 鉴于上述考 虑 , 我们 采用试验的 方法来 测 定挠 度值 : 随机抽取两组长 1 5 m 的衍架 , 两端固定在一块 16m 空心 板 上 , 按施工各 个阶段(底板 、 肋 、 顶 板)的荷 载 , 换算成等 效集中荷载 , 用 千斤顶 逐 阶 段 加 载 , 测 出挠 度 , 再 分析各个 阶段硷已达 到一定 强度将产 生的共 同作用 , 确定预拱度 。 实践证明 , 这种 方法确定的预拱度与实 际基本 相符 。 4On : 副孔 采用 中间两 排 临时 墩 , 计 算方 式同 6 0m 主孔 。 钢桩施打 , 立 桩 、 横梁 、 纵向衍架架设 , 模板制安 , 钢筋制安 , 预应 力 钢铰线束制安 等按一般做法 , 不赞述 。 在立柱与横梁之 间设粉砂箱 , 以便拆卸 模板支撑 。 另外 . 横 梁也是用钢 衍架拼 装而 成 , 立 柱顶部 位的 钢 衍 架 集 中 力很大 . 用 大 仿 木将上下弦 杆顶牢 , 防止衔架 变形 。 硷分底板 、 肋和 顶板 三次浇筑 。 底板 、 肋 从中跨(指临时跨)开始 , 而跨内则由跨中向 支座 扩展 , 支座 部 位 留 80 cm 的 施 工 缝 。 肋 完成后 , 待其 硷强度达 70 么以 上时 , 将底板 和肋的施工 缝浇筑好 。 由于顶板尚需在 拆除 肋模 板及安 装顶板模板 、 钢 筋 、 预应力束后 拖工技术 广东 土木与建筑19 96 年第 刁期 才浇筑 . 此过程较长 . 顶板浇筑硷时 . 底 板 和 肋的硷 强 度己达 到 00少6 , 可以和钢析架共 同受力了 。 经测定 , 顶板浇筑期间 . 纵向钢析 架的跨中挠度 没有增 加 。 顶板硷则是沿桥中线方向分三块浇筑 , :先中间 , 后两 侧 。 箱体硷 强 度 达3 5 号后 . 开始施加 预 应 力 , 60m 系杆 预 应 力束两端张拉 , 4Om 系杆 预 应力束一端张拉 。 须说 明的是 , 单向张拉 己超出 了规 范 宜 的 范 围 , 预 应力张拉损 耗 应子 考虑 。 6 0m 系杆 施加 预应 力后 , 立 柱顶 部 位的 横向衍架产 生 了扭 曲破 坏 , 用于加 强节 点的 杂树撑(施工 时 改变了原方案)被压断 , 这 些 破坏在浇筑硷过 程中是没有的 , 而 且跨中桥 面的高 度也 下降了 0 . s c m , 但箱体没有发现 裂缝 。 按 一 般的慨 念 . 预 应 力 施 加后 , 梁式构 件都在 l/600 1 / 10 00 范 围内向上 拱 , 桥面 似乎没有理 由下降 。 我们以为是测量错误所 致 。 但横 向钢衍架在施加预 应 力时才扭曲 , 木顶断 裂又如何解 释呢?经 反复研 讨 , 详细 分析了各方 面 的因素 , 发现 箱体底 板的 预应 力束 布置方 式 是 产生上 述现象的根本原因 : 60 1 1 、 系杆 在跨中提高了2 1 cm , 但 2 2束底板 束和底面的 旧对 距 离 是一个常数 , 这样 , 预 应 力束 是一条向上拱的微弯束 , 张 拉时 , 便 产生 了向 下压的 力 . 从而产 生 了节 点破 坏现 象 。 系杆 硅浇筑完后 , 即可搭设拱 支架 . 安 装模板 和钢筋 , 待系杆 施 加 预 应 力 后 , 再 浇 筑拱硷 。 主孔拱宽20 0 cm , 厚 12Ocm ; 副孔拱宽 20 0 c n l , 厚 loo cm , 均是箱型结构 . 分底板 、 侧 板和顶板的次序浇筑硷 。 每一阶段都是先浇 筑拱 脚1 / 8 , 再浇筑拱顶 l/4 , 其次是两 侧l / 8 至 1 / 4 . 两 侧余下 段最 后浇筑 。 不需要留湿 接缝 。 6 0,n 和 10,。 跨吊 杆 每根分别用 12训 : 和 9明 : 钢铰线组成 , 锚具 分别采 用 ovM1 5 一12和0 vM 1 5一9 , 单向张拉 。 吊杆预 应力 分两次施加 , 第一次 全部 吊束施加 约4 0% 张拉 力 (图纸提供了数据) . 第二次 施加 10 0 % 。 张拉顺序按设计规定 。 6Om 吊杆施工中发生了“ 个今后施工 中必须注 意的问题自锚 式锚具在低控 制应力时自锚力不 足引起的 滑束 。 6Om 吊杆施加 预 应 力 , 预 应力束测 定伸 长 量 大于计算伸长 量 5 0 一】0 0% . 不符合规 范 要求 。 而钢铰 线在购进后已按 规范进行 了 检验 , 质量合格 ; 千斤顶 和 油表 在 使 用前也 进 行 了校检 、 编 号 , 配 套 使用 , 这 两方 面 不 应 存在问题 。 我们和设 计人员共 同进行了探 讨 , 但始终没有找 出原因 , 便决定 吊杆 套 管 先不 要压浆 , 但考虑吊 杆 张 拉 后 , 系杆中部 已少许离模 , 故可以开始拆支架 。 但在模板底榔基本拆完时 , 所有的预 应 力束夹片几乎全部弹出或松开 , 严重的滑束 发生了 , 系杆中部下沉了6 c m , 有 一 条施 工 缝 产生了宽 1 . lmm 的 裂 缝(动静载试验 期 间 , 对其进行 了 测试 . 在 最大试验荷载作用 下 , 裂缝 最大处仅扩展 了 0 . O0 7mm , 卸荷后 复原 , 对结构无影响 , 后用环氧封闭) 。 也恰在 此 时 , 有关人员也 想通 了 测定与 计算伸长量不 符的原因 : 张 拉 后 , 系杆与拱 的相对距离缩减 了 0 . 搜2 . 7 cm(不 同部位 有 不同值) 。 将此值计算进去 . 实 际 伸长量和 计算伸长 量误差 在士 6写以内 , 符 合 规 范要 求 。 而在前段 的求解过程 , 大家都忽 略 了这 一 因素 , 正可谓智者千 虑 , 必有一失 。 滑束后 , 我们 检 查 了夹片的质量 . 并请 锚具生产厂到 现场 , 会同设计人员共同研究 事故原因 , 比较一致的结论是 : ovM 锚是 自 锚 式系列 , 在氏较低时 , 它的 自锚 力是不 足 的 。 6 0m 跨 的 吊杆 控制 应 力 a 最 大 为 0 . 3 2R息 , 最 小仅为 0 . la6R忿 , 这样 低 的 。 值 , 厂 家 也认为很难保证 自锚牢靠 。 后 来 , 我 们用钢铰 线逐根 张 拉 的办法 , 39 施工技术 广东土木与建筑199 6 年第 4 期 就 是将每根钢铰线都拉到0 . 7 6 R要 , 使其下 端紧固 , 并将端头弯曲焊固 , 然后全部放松 . 再按设计要求整束张拉 . 每完成一束则将端 头弯 曲焊固 , 在 全部束张 拉 完 后 , 迅速压浆 封锚 。 礴om 吊杆 张拉 , 采用 了前述 的办法 , 没 有发生问题 。 通过 此次实践 . 我们认为 , 预应力 一需使 用 低 。、 值的(营运 阶段 a、 值还是较高的) , 宜 使用 橄头 锚 。 当 然 , 需 多次调束的预应力 结 构(主要是吊杆) ovM 锚操作较为方便 , 它 张拉 时夹片松开 . 千斤顶回油时 , 夹片依 靠钢束的回缩 带动自锚 夹 紧钢铰线 , 所以很 方便 。 而徽头锚则需在垫板与锚板间垫入钢 片 . 多次张拉则要更换不同厚度的钢板 , 很 不方便 。 如何充分发挥 o vM 锚多次张拉方 便的优点 , 笔者认为 , 可以采用在夹片后加 压板的方式解决 。 因为 ovM 锚在夹片不弹 出的情况 下是 不会 滑束的 。 由于夹片的回缩 量不是绝对一致的 , 故而 要在钢绞线上套入 薄铁 环 . 调平夹 片 , 使压板 能 全 部压紧夹片 (或 仅有很 小的空 隙) 。 再次 张拉 时 , 可移开 压板 , 张拉后再 压上(o vM 锚在 没有较大震 动时 . 夹片基 本不 会弹出) 。 经过十三 个 月的奋战 , 国内首座单拱面 预 应力硷 系杆拱(据省科技情报中心检索 , 国外也仅有钢结构 的单拱面 系杆拱) , 终于 高 速 度高质量地完 成 了 , 省公路桥梁工程监 测站对 大桥进行 了 静 动载 试验 , 证明 “ 该桥 总体结构在 强 度 , 刚 度 方面均 达到设计标 准 . 受力状况良好 , 满足营 运要求 , 可以投入 正常使用 ” 。 有关部门对 大桥进行 了交工 、 竣 工验收 , 一致评定为优良 。 开平 大桥于今年三月申报科技成果 鉴 定 . 省 内外十多位 桥 梁专 家对申报进行了评 审 , 一致认为 : 单拱面 预 应 力 系 杆拱桥造型 新型 、 结构 独特 , 构思合理 , 开拓 了国内一种 新 桥型 , 建议 在有条件的情况 下 , 特别是城 市桥推广使用 。 40 三 、 进一步探讨的问肠 单拱面 预应力硷 系杆拱无疑 是一种结 构合理 , 造型新颖的新桥式 . 但 也因为是一 种新桥式 , 无论在设计和 施工方面都存在 不 完善的地方 。 这 种 桥 式要进 一 步 发 展 完善 , 笔者以 为 , 一些问题是值得进一步探讨的 : 1 . 开平大桥是一种刚性系杆刚性 拱的 组合结构 , 拱和箱梁刚度比的优 化问题值得 研讨 。 以6 0m系杆滑束后的状态 仅下 沉 了6 c m , 结构未破坏而论 , 系杆 强 度显 然 偏大了 . 而 4 0 m 系杆采用 同 一截 面是 更 大 了(当然有考虑桥型的因素) 。 总的来说 , 跨 越方 向拱的承载力高的优势未能很好地 发 挥 。 因此 , 拱和系杆刚度比的优化问题 , 是一 个值得研讨的课题 . 2 . 开平大桥系杆横梁均 为普通钢筋硷 结 构 , 故配筋 较 多 , 预应 力束穿越横梁 处较 为困难 , 宜采用后张无粘结预应 力 工艺 , 这 样 施工就容易多 了 , 也避免 了双向使用有枯 结预应 力束预留管 道迭合容易 串浆 , 而且降 低了受力筋有效高度的 问题 。 3 . 开 发新的施工工艺 . 是此 种结构 能否 发展的一 个关键 。 以开平大桥这祥的 地理环境和 通航高 度而论 . 满堂式支架无疑是 最合理的施工方 法 。 因为开平 大桥河面宽阔 , 大部份河 槽基 本等深 . 故不影响通航 。 另外 , 桥 的通 航高度 较低 , 高潮水位以上仅 8 . sm , 河 槽深 度也 仅 有 7 . sm , 而且河 床下 6一7m 即 为 硬 塑 粘 土 , 故 而临时墩 和支架的结构较为简单 。 假如 这些有 利的因素部份或全部不存 在 , 这种施 工方 法 就难以应用 了 , 必须 探求 一种 新的施工 办法 , 而结构设 计需相 适应 。 笔者顺应前文提及的设计单 位构思的 第一种施工方法 , 拟出如下设 想 : 按前述的第一种方法 , 先 完 成中间 箱 体 、 端横梁 、 拱和吊杆 , 使之成为一个受大体 广东土木与建筑”9沙偏年取遭 塑 二二. 哎哎哎 庭重丈重重羹奚暮嘎奚具具具具具具具具具具具具具具具具具具具具 l l l l l l l l l _ _ _i 己二 _ 卫巧下下 基鑫鸳烂邀矍当当当当当当当当当当当当当当当当当当当当当当当 狱狱自肺硬.农长. 1 , ,二,盔 r子 子 巨巨二二巨望兰乞一 闷闷闷 汤汤 _ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ) 火黔黔黔 二争几几 6 0 ) 。 系杆钢平台侧面图 互 “ 抖 . 需 阴川 竹本笼. 匕 - 一二一 ! 2 主墩承台面 厂厂飞豆豆八 乃、 口口 栩栩洒术称称N 扣入加履叮 叮 巡巡罗咫岑 岑必岑咫学 学 穿穿穿 、12 2 、卜L全 扭扭殆 殆禹 禹 二习之 之举鉴 鉴1 1 1 1 1 1 1万 l l l l l l li1 1 1 1 1 ! ! ! ! ! 曰曰 U U U曰 曰目目匕 匕 l l! ! ! 介介介介 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l ) ) )11 . !l l l l l l l l lI I I 份份 . 一 -州 州4 4 41 1 1 粉粉 军军) ) ) 李李1 1 1 舜舜) ) ) 越越 日日日日日日日日日日日日日日日日日日日卜 卜卜卜卜 干干 、 l/2 河中钢支撑结构 4 1 工 程质量分析 广东土木与建筑199 6 年第 4 期 在施工中如何保证钻孔灌注桩的施工质量 佛山市房建总公司基础安装分公 司杨广坚 摘要 : 取文根据钻孔灌注桩的施工特点 . 提 出一些质量控制潜施 . 供同行们参考 . 件希望作进一步的研究 。 随着我市 用地日益紧 张 , 高层建筑越 来质 量问题是桩径缩 小 、 露筋等 。 出现这 些 质量 越多 . 钻 孔灌 注 桩 在高层建筑 基础 方 面的应问题的主要 原因是 施工中的泥浆使用 、 清孔 、 用已相 当普 通 , 特别是大直径钻 孔桩的使用 水下 混凝 土 的配制 和 浇 注 , 但更 重要 的是现 能适用建筑 物单 桩单柱的承载力要求 。 但由场的施工 管理 , 亦 即是要 充分调动工 作人员 于珠江三 角 洲 平 原地表 下 地质构造变化较 的工作积极性和树立高 度的责任心来从事基 大 . 施工时 稍不注意就 会 出现工程质量问题 , 础工程施工 。 特 别 是大直径 钻孔 桩 的质量问题比较突 出 , 直 接影响了工程质 量和施 工工期 , 是值得 从 1 、 泥桨的制备和使用 事基础施工 的有关人员重 视的一个 问题 。 钻孔 灌注桩在 本地区使 用的 成孔护壁方为保证桩 的成孔 质 量 , 特 别 要注意护 壁 法多为泥浆护壁 , 排渣方 法 多为正循环 法 , 反泥 浆