（交通运输工程专业论文）高墩大跨连续刚构桥施工与控制技术.pdf

摘要 本文结合陕西省黄陵一延安高速公路洛河特大桥的施工进行的。洛河特大桥是一座 特大型预应力混凝土连续刚构桥，跨径布置为9 0 + 3x1 6 0 + 9 0 m ，最高墩1 4 3 5 m ，主梁 采用悬灌浇注，挂篮施工。该桥集高墩大跨于一体，施工要求高、技术难度大，因此有 必要对高墩施工质量控制、悬臂施工线形控制和应力监控进行系统研究总结，以便为同 类桥梁的设计与施工积累建设经验。 以洛河特大桥为工程实例，本文主要做了以下六个方面的工作： 1 、介绍洛河特大桥的关键施工工艺，包括高墩施工的内滑外翻模板技术、轻型挂 蓝技术、主梁混凝土施工技术、预应力技术及病害防治、钢筋连接等，为同类桥的施工 积累了经验并提供参考。 2 、结合高墩大跨连续刚构的特点，论述施工控制的目的、内容、方法和误差调整 理论，为洛河特大桥施工控制提供理论依据。 3 、以洛河特大桥为例，分析高墩大跨连续刚构桥的高墩及主梁施工线形、应力、 温度的监测内容、方法、仪器及测点布置，尽量做到在满足工程要求的前提下，降低对 仪器设备的要求和减少观测工作量。 4 、结合洛河特大桥线形控制实践，介绍了高墩大跨连续刚构桥悬臂施工线形控制 理论在工程实践中的具体实现。通过对主梁理论计算值与实测变形值的对比分析，总结 出主梁挠度变形规律。 5 、详细阐述洛河特大桥施工控制流程、分析模型、立模标高的确定及洛河特大桥 线形控制结果。洛河特大桥合龙后标高控制结果表明，本文所依据的结构计算方法及参 数识别方法合理。 6 、日照温差分析表明，高墩大跨桥梁具有明显的“背日葵”效应，日照温差对墩 项水平位移和最大悬臂主梁端点竖向位移影响最大接近l o o m m ；稳定性分析表明，合 龙前的最大悬臂阶段结构稳定性系数最低，只有4 8 ，成桥后提高到1 0 3 。由于低阶失 稳都是面外侧向失稳，故增加桥墩横撑数量对提高结构稳定性没有效果。 关键词：高墩大跨；连续刚构桥；施工；控制；日照温差效应：稳定分析 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sa b o u tl u o h eb r i d g eo fh u a n g l i n g - y a h a l lh i g h w a yi ns h a a n x ip r o v i n c e l u o h eb r i d g ei sal a r g es p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i db r i d g ew h o s es p a n a r r a n g e m e n ti st h e9 0 m + 3 1 6 0 m + 9 0m ，a n dh i g h e s tp i e r14 3 5 m t h em a i ng i r d e ri sb u i l tb y f r e ec a n t i l e v e rm e t h o d ，c a s t i n gi nf o r mt r a v e l e r s t h eb r i d g eh a st h ef e a t u r eo fh i g hp i e r sa n d l o n gs p a n , w h i c hc a u s et h ec o n s t r u c t i o nw i t hh i g hr e q u i r e m e n t s ，t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s i ti s n e c e s s a r yt os u m m a r yc o n t r o lo fh i g h - p i e rc o n s t r u c t i o nq u a l i t y ，l i n e a rc o n t r o lo fc a n t i l e v e r c o n s t r u c t i o na n ds t r e s si no r d e rt oa c c u m u l a t ec o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c ef o rb r i d g e so ft h e s i m i l a rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i nl i n ew i t ht h ep r i n c i p l eo ft h e o r ya n dp r a c t i c e ，t h i sa r t i c l e d o e st w o j o b sa sf o l l o w e d ： 1 c o m b i n e dw i t ht h ep r o c e s so fc a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o n , b r i d g ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y a n dc o n s t r u c t i o nc o n t r o lt h e o r yi si n t r o d u c e d a n df o r mt r a v e l e r ，p r e s t r e s s ，c o n n e c t i o n so f r e i n f o r c e db a ra r et h ek e ym e t h o d st ot h ec o n s t r u c t i o n 2 s y s t e mt h a ti st oo b s e r v et h ee l e v a t i o n ，d i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a l i t yi si n t r o d u c e d 3 r e s e a r c hi s s y s t e m a t i c a l l y c a r r i e do u to nc o n s t r u c t i o nc o n t r o ls y s t e mo f h i g h p i e r l o n g s p a nc o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e 4 c o m b i n e dw i t ha l i g n m e n tc o n t r o lp r a c t i c ei nl u o h cb r i d g e ，l i n e a rc o n t r o lt h e o r y c a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o no fe n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nh i g h p i e r l o n g s p a nc o n t i n u o u sr i g i df r a m e b r i d g e i s r e a l i z e d c o m p a r a t i o n b e t w e e nc a l c u l a t e dd e f o r m a t i o nv a l u e sa n dm e a s u r e d d e f o r m a t i o nv a l u e so ft h em a i ng i r d e ri sa n a l y s e d ，a n dd e f o r m a t i o nl a w si sd e r i v e d 5 c o m p u t e rp r o g r a mm i d a s c i v i lh a sb e e nu t i l i z e dt oa n a l y s et h ee f f e c to f s u n s h i n eo n t h es t r u c t u r e ；s t a b i l i t yo fh i g hp i e r i sa l s ob e e nc a c u l a t e dt h i sw a y k e yw o r d s ：h i g hp i e ra n dl o n gs p a n ；c o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g e s ；c o n s t r u c t i o n ； c o n t r o l ；t e m p e r a t u r ee f f e c tc a u s e db ys h u n s h i n e ；b u c k l i n ga n l y s i s i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 预应力混凝土连续刚构桥的发展和趋势 1 1 1 预应力混凝土连续刚构桥悬臂施工的历史 我国是世界上文明发达最早的国家之一。据史料考证，我国伸臂木梁桥的最早建造 年代，最迟在距今一千七百年前的公元三世纪初【徐君兰，2 0 0 0 1 。 1 9 世纪中期以前，各种桥梁均采用有支架的施工法。中小跨径的拱桥和简支梁桥大 部分使用有支架施工，该方法虽然简单可靠，但是却使桥梁的跨越能力受到很大限制。 随着科学技术的发展，桥梁跨度不断增大，尤其对跨越大江、大河和深沟的桥梁，若仍 然采用有支架的施工方法，将变得非常困难，甚至是不可能的，这时对于桥梁的主梁来 说，无支架施工是最简单、最可靠的施工方法。1 9 世纪中期，随着钢铁工业的发展和设 计水平的提高，美国等国修建了为数不多的悬臂钢箱梁，给悬臂施工即无支架施工方法 提供了有力的依据。 悬臂施工的历史可以上溯到公元四世纪，位于日本日光城的肖岗桥是有史以来最古 老的一座悬臂桥 葛耀君，2 0 0 3 】。随着预应力混凝土技术的发展，1 9 5 1 年德国工程师 f i n s t e r w a l d 在建造跨莱茵河的w o r m s 桥时，首创预应力混凝土悬臂梁桥挂篮悬浇的分 段施工新技术，为无支架自架设施工方法奠定了基础，并使预应力混凝土梁式桥首次突 破1 0 0 米跨度【曾华翔，2 0 0 0 。此后，预应力混凝土悬臂施工得到了大量的运用，盛行于 世界各地自架设体系施工法( 即将桥梁的上部结构分节段或分层来支撑，逐步完成全桥 的施工，也就是无支架而靠自身结构进行施工) 的广泛采用，使得混凝土桥得到了较大 发展，比如t 型刚构桥、大跨度钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土斜拉桥。 近3 0 年来，土木工程界最大而又引人注目的成就之一就是预应力混凝土桥梁分段 施工方法的形成及其分段施工技术的发展，而且得到了世界各国工程界的广泛承认 【p o d o l n yw j ，19 8 2 1 。 1 1 2 我国预应力混凝土连续刚构桥的发展现状 我国桥梁悬臂施工方面起步较晚。2 0 世纪5 0 年代初，我国开始预应力混凝土桥梁 的研究和应用，1 9 6 5 年首次采用悬臂施工法建成了第一座t 型连续刚构桥一盐步桥。 1 9 9 0 年建成第一座跨径为1 8 0 m 的广州洛溪大桥，桥跨布置为6 5 m + 1 2 5 m + 1 8 0 m + ll o m ， 桥宽1 5 1 4 m ，梁高3 m 1 0 m 。该桥第一次采用大吨位预应力体系和平弯束，大大增强了 第一章绪论 预应力混凝土桥梁的跨越能力，成为中国大跨径连续刚构桥迅速发展的一个重要开端。 1 9 9 7 年建成了我国最大跨径2 7 0 m 的广东虎门大桥辅航道桥( 当时该跨径是世界之最) ， 桥跨布置为1 5 0 m + 2 7 0 m + 1 5 0 m ，桥宽1 5 o m ，粱高5 0 m 1 4 8 m ，桥墩高3 5 m 。该桥在设 计、施工和科研方面均取得了重要的成果，如上部结构轻型化设计、纵向预应力布束上 取消弯起束和连续束等，为连续刚构预应力混凝土连续刚构桥得到了很快发展桥梁的进 一步发展作了充分的技术准备。 目前国内最长的连续刚构是黄石长江大桥，跨径是1 6 2 5 m + 3 2 4 5 m + 1 6 2 5 m ，全长 1 0 6 0 m 。如果设计中再考虑一些技术措施，预计在条件允许时连续刚构桥可发展到 12 0 0 m 一- , 15 0 0 m 的连续长度。 1 1 3 预应力混凝土连续刚构桥的发展趋势 目前连续刚构桥具有下列发展趋势： 1 、跨径进一步增大 随着施工工艺的改善和设计水平的提高，刚构桥将向大跨径发展。北京建达道桥咨 询公司在伶仃洋通道横门东航道桥投标工程中，曾提出了跨径3 1 8 m 的连续刚构方案。 可以预计，在不久的将来，跨径3 0 0 m 以上的连续刚构桥必将在中国出现。 2 、上部结构不断轻型化 挪威于1 9 9 8 年建成的s t o l m a s a s u n d e t 桥和r a f t s u n d e t 桥主跨分别为3 0 1 m 和2 9 8 m 。 主跨采用轻质混凝土来减轻上部结构自重，这是预应力混凝土连续刚构桥向大跨径发展 的必然途径。不断加强高强轻质材料的研究和应用，以达到减小结构尺寸和自重，加大 桥跨、降低建筑高度和造价等功能；同时充分发挥三向预应力的优点，采用长悬臂顶板 的单箱截面等，既可节约材料减轻结构自重，又可充分利用悬臂施工方法的特点加快施 工进度。由于采用大吨位锚具、高强混凝土和轻质混凝土，上部构造不断轻型化，这也 是连续刚构桥的发展方向。 3 、预应力束的类型和布置方式不断简化 在预应力钢筋布置方面，国内外将趋于使用高强低松弛钢绞线、大吨位钢束和张拉 锚固体系；取消连续束，适当减少下弯束，用竖向预应力和纵向预应力来辅助控制主拉 应力，不仅简化了预应力结构体系，而且极大地方便了施工，受到施工部门的欢迎。 4 、取消边跨合龙的落地支架 2 长安大学硕士学位论文 采用合适的边、主跨比，在导梁上合龙边跨，或与引桥的悬臂相连接来实现合龙。 在高墩的场合下，取消落地支架有一定的经济效益，方便了施工。 5 、上部结构连续长度继续增长 随着高速公路和城市立交桥的发展，为了适应高速行车的需要，越来越要求路线顺 畅和行车舒适。国外在桥梁设计中极力增大上部结构的连续长度，因而产生了“少用或 不用伸缩缝是最好的伸缩缝 的观点。 6 、重视桥梁美学及环境保护 桥梁是人类最杰出的建筑之一，闻名遐迩的美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港 桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、香港青马大 桥，这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观， 成为城市标志性建筑。宏伟壮观的澳大利亚悉尼港桥与现代化别具一格的悉尼歌剧院融 为一体，成为今日悉尼的象征。因此，2 l 世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型， 重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护达到人文景观同环境景观的完美结合。 4 1 2 预应力混凝土连续刚构桥的特点 谁 1 2 1 预应力混凝土连续刚构桥的结构特点 连续刚构桥是墩梁固接的连续结构，它利用高墩的柔度来适应结构由预应力、混凝 k 土收缩、徐变、和温度变化所引起的位移。它与连续梁桥的主要区别在于柔性桥墩的作 用，使结构在竖向荷载作用下，基本上属于一种墩台无推力的结构。典型的连续刚构桥 一般呈对称布置并采用悬臂施工方法修建。随着墩高的增加，桥墩对上部结构的嵌固作 用越来越小，逐步转化为柔性墩的作用。由此可见，连续刚构体系的主梁受力性能与连 续梁相差无几，而薄壁墩底部所承受的弯矩及梁体的轴向力均随着墩高的增加而减小。 连续刚构体系具有较大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度、受力性能好、变形小、跨 越能力大，能充分发挥高强材料的作用；其不设支座的优点则有利于施工；具有外形美观、 结构尺寸小、桥下净空大、桥上视野开阔、桥面行车平顺、伸缩缝少、养护简易、抗震 能力强等优点。连续刚构是一种极有生命力的桥梁结构形式，随着桥梁施工技术水平的 提高和对混凝土收缩、徐变、温度变化、预应力作用、墩台不均匀沉降等因素所引起的 附加内力的不断深入研究，大跨度预应力混凝土连续刚构桥已成为目前大跨桥梁主要采 用的结构体系之一。 3 第一章绪论 随着我国国民经济的持续发展，桥梁的美学功能在我国越来越被重视。大跨径连续 刚构桥结构轻盈，桥型舒展，具有较高的艺术欣赏性。在跨越沟壑的时候，能够很好地 与环境共同构成景观，显示出虬劲有力与朝气蓬勃。 连续刚构桥己成为我国桥梁工程的主要类型，随着悬臂施工法日趋完善并得到广泛 应用，大、中跨径预应力混凝土连续刚构设计方案获得了新的竞争力，逐步在1 0 0 m - 3 0 0 m 跨径范围内占主导地位。随着混凝土和钢材等材料向高强、轻质发展，悬臂建造 的预应力混凝土连续刚构桥将会更加繁荣与辉煌。 1 2 2 预应力混凝土连续刚构桥的施工特点 大跨径预应力混凝土刚构连续梁桥的施工一般采用悬臂浇筑方法。悬臂浇筑是 在桥墩两侧对称逐段浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉预应力钢束，移动机 具、模板，继续施工的方法。悬臂浇筑在桥墩施工结束后方能进行，整个桥梁的施工周 期较长，由于张拉龄期较短，混凝土收缩、徐变对结构受力的影响较大，但桥梁施工线 形可以通过每个浇筑段进行调整。 悬臂浇筑施工不需要专门的预制场地、和大型的吊装设备，从而减少了工程投资， 对于不适合修建预制场地的山区或湖波沼泽地是首选方案；悬臂施工在墩顶进行，不影 响桥下的通航和通行，对当地环境和经济影响较小；悬臂施工每一阶段施工重复进行， 有利于操作工人熟练掌握施工工艺、熟悉施工工序，提高施工技能，保证施工质量。 1 3 预应力混凝土连续刚构桥施工控制的重要性 桥梁施工是桥梁建设的关键环节，桥梁施工技术水平的高低直接影响到桥梁建设的 发展，而施工控制是施工技术的重要组成部分，并始终贯穿于桥梁施工中。随着交通事 业发展需要，大量的公路需要建设，桥梁作为公路的咽喉工程，其建设任务更加艰巨。 从过去十多年我国的交通建设中就可以看出桥梁建设的艰辛。事实上，任何桥梁施工， 特别是大跨径桥梁的施工，都是一个系统工程。在该系统中，设计图只是目标，而在自 开工到竣工整个为实现设计目标而必须经历的过程中，将受到许许多多确定和不确定因 素( 误差) 的影响，包括设计计算、桥用材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方 面在理想状态与实际状态之间存在的差异，施工中如何从各种受误差影响而失真的参数 中找出相对真实之值，对施工状态进行实时识别( 监测) 、调整( 纠偏) 、预测，对设计目 标的实现是至关重要的。上述工作一般需以现代控制论为理论基础来进行，所以称之为 4 长安大学硕士学位论文 施工控制。在近年来的桥梁建设中，人们已普遍认识到施工控制在施工技术中的重要地 位与作用。实际上，桥梁施工控制早在以前的施工过程中就己被人们采用，如在施工中 为了保证桥梁建成时的线形符合设计要求，在有支架施工时总是要在支架上设置预拱度： 在悬臂施工中总是要使施工节段的立模( 或安装) 标高高于设计标高一定数值，这实质上 就是在对施工实施控制，这些处理的好坏常常被看作是施工技术水平高低的体现。 桥梁施工控制不仅是桥梁施工技术的重要组成部分，而且也是实施难度相对较大的 部分。例如采用悬臂法施工的混凝土桥梁，除了本身材料的非匀质和材料特性的不稳定 外，它还要受温度、湿度、时间等因素的影响，加上采用悬臂施工这种自架设体系施工 方法，各节段混凝土或各层混凝土相互影响，且这种相互影响又有差异，这就必然造成 各节段或层的内力和位移随着混凝土浇筑或块件拼装过程变化而偏离设计值的现象，甚 至出现超过设计允许的内力和位移。对这种情况，若不通过有效的施工控制及时发现、 及时调整，就势必造成成桥状态的线形与内力不符合设计要求或在施工过程中结构的破。 坏。 桥梁施工控制是确保桥梁施工宏观质量的关键。衡量一座桥梁的施工宏观质量标准 就是其成桥状态的线形以及受力情况符合设计要求。对于桥梁的下部结构，只要基础埋 置深度和尺寸以及墩台尺寸准确就能达到标准要求，所以容易检查和控制。而对采用多 工序、多阶段施工的桥梁上部结构，要求结构内力和标高的最终状态符合设计要求，就磊 不那么容易了。比如预应力混凝土刚构桥在悬臂施工1 # 块时，如果预抛高设置不准，可 能影响到以后各节段和合龙标高以及全桥的线形。为确保桥梁施工质量，对施工过程进 行控制是必不可少的。目前我国计算机的应用已非常普通，技术人员完全可以对多阶段、 多程序的自架设体系施工方法进行模拟，可预先计算出各阶段内力和位移，称之为预计 值。将施工中的实测值与预计值进行比较，若有误差可以进行调整，直到达到最满意的 设计状态。也就是通过施工控制，使各阶段内力和变形达到预计值，最终达到设计要求， 确保建桥的施工质量。 桥梁施工控制又是桥梁建设的安全保证。施工控制为安全可靠地建好每一座桥，提 供强有力的保障体系。因为每一种体系的桥梁所采用的施工方法均按预定的程序进行。 施工中的每一阶段，结构的内力和变形是可以预计的，并且可以通过现代监测手段测出 各施工阶段实际的内力和变形，从而完全可以跟踪掌握施工进程和发展情况。当发现施 5 第一章绪论 工过程中监测的实际值与计算的预计值相差过大时，要进行检查和分析原因，而不能继 续施工。为避免突发事故的出现，按期、安全地建成一座桥梁，施工控制是有力的保证 和必要措旌。换句话，桥梁施工控制系统也就是桥梁建设的安全系统。 桥梁施工控制又是桥梁长期运营监测评估的先决条件。随着交通事业的发展荷载等 级、交通流量、行车速度等必然提高，还有一些不可预测的自然破坏力也将危及桥梁的 安全。因此，桥梁长期运营监测就显得尤为重要。长期监测所需要的很多数据都需要由 施工控制所提供，此外施工控制所埋设的应力测试元件以及标高测点也可提供作为监测 的依据，从而给桥梁运营阶段的养护工作提供科学的、可靠的数据，给桥梁的安全使用 提供可靠保证。 综上所述，桥梁施工控制是桥梁建设的重要组成部分，在桥梁建设中起着举足轻重 的作用。 1 4 我国预应力混凝土连续刚构桥出现的问题 目前，国内大跨径预应力混凝土梁桥存在的主要病害是主跨跨中下挠过大、箱梁梁 体裂缝( 斜裂缝、纵向裂缝、0 号块裂缝) 、桥墩墩身裂缝。 本文以下列举了我国几座大跨连续刚构桥梁的典型病害，为以后同类桥梁的分析提 供参考【刘瑞勋，2 0 0 5 。 1 、金沙大桥 本桥位于广东佛山，主桥为6 6 m + 1 2 0 m + 6 6 m 预应力混凝土连续刚构，单箱单室截 面，1 9 9 4 年通车，2 0 0 1 年加固。加固前主要病害为：跨中明显下挠量多达2 2 c m ；主跨箱 梁腹板有大量斜裂缝，最大裂缝宽度1 1 5 m m 。 2 、三门峡黄河公路大桥 本桥位于河南三门峡，主桥为1 0 5 m + 4 x 1 6 0 m + 1 0 5 m 预应力混凝土连续刚构，单箱 单室截面，1 9 9 3 年建成，2 0 0 3 年加固。加固前主要病害为：跨中明显下挠量多达1 8 c m ； 主跨箱梁腹板有大量斜裂缝，与水平向夹角4 5 度，最大裂缝宽度1 1 5 m m 。加固方案 为：箱内施加纵向体外预应力；粘贴钢板；裂缝修补。 3 、石龙特大桥 本桥位于广东石龙镇，为广深准高速铁路上的第一大桥，主桥为5 孔连续刚构，单 箱单室截面，1 9 9 3 年通车，2 0 0 1 年加固。加固前主要病害为：混凝土收缩和环境温度变 6 长安大学硕士学位论文 化引起的竖向裂缝，呈枣核形( 中间宽，两端窄) ，裂缝中间一段最宽达0 6 r a m ，两边为 0 1 m m 。 4 、天水路黄河桥 本桥位于甘肃兰州市，主桥为5 7 5 m + 3 1 0 5 m + 5 7 5 m 预应力混凝土连续刚构，单 箱双室截面，2 0 0 2 年在建过程中，该桥4 个主墩0 号块、l 号段均发现在箱内底板、腹 板、顶板、横隔墙上及部分腹板、底板端面上出现许多不同程度的水平及竖向裂缝。其 中1 个主墩裂缝最多达1 0 3 条，最长为2 8 m ，最宽达0 8 3 m m ，最深达9 9 m m 。钢筋混 凝土箱梁像本桥这样出现如此多的裂缝是少见的，应加强混凝土浇注及养护质量。 5 、大河铺特大桥 本桥主桥为1 0 0 m + 1 5 4 m + 1 0 0 m 预应力混凝土变截面连续刚构，单箱单室，1 9 9 4 年 建成，2 0 0 0 年加固。加固前主要病害为：跨中下挠达2 7 c m 左右；箱梁两侧腹板出现大量 的斜剪裂缝，最大裂缝达到l m m 。 ，。 国外大跨径预应力混凝土箱梁桥开裂也时有报道，近年报道的病害修复的预应力混 凝土桥梁如法国的b o i v r e 高架桥、韩国的w o n h y o 桥和n e wh a e n g i ug r a n d 桥、加拿大 的c o n f e d e r a t i o n 桥、德国b e n d o r f 桥 z o l l m a nc c ，1 9 8 5 ；y o os k , 1 9 9 5 ；c h oh n ，1 9 9 8 ； d i l g e rw h ，19 9 7 ；w i g h tr g ，2 0 0 3 。 1 5 施工控制中需要解决的主要问题 l 、施工预拱度及成桥线形的计算和控制 为保证一个跨径内的两个悬臂端的合龙精度，同时全桥的成桥线形平顺，在运营一 定时间后桥面能够达到设计所要求的标高，因此必须确定上部结构每一待浇段的预拱 度。 悬臂施工中预拱度的计算和控制是最困难的任务之一。预拱度的计算设计许多参 数，如挂篮的变形、梁段自重、预加应力、混凝土的弹性模量及收缩徐变系数、预加力 损失、桥墩变位、基础沉降、施工误差等。预拱度控制是通过控制立模标高实现的。立 模标高一般由设计标高、计算预拱度、挂篮弹性变形、上一节段的标高及徐变温度等产 生的影响组成。在悬臂段施工过程中，分别在张拉前、张拉后、转移挂篮前、转移挂篮 后、浇筑前、浇筑后六个工况对梁段位移测量，将测量数据与理论计算值比较，根据比 较结果对以后施工段预拱度进行纠偏修正并确定立模标高。 7 第一章绪论 2 、关键截面的应力控制 预应力混凝土刚构桥施工过程中，设计单位都要给出关键截面的应力值，但这个应 力值与施工过程中的实测值总有一定的差距，必须随着施工的进度进行测量，根据全桥 应力分布的要求，通过预应力的张拉进行调整。以保证全桥建成后的应力分布满足设计 要求。同时，通过张拉预应力钢筋适当调整预拱度值，有时会使得局部结构的预应力过 大，从而影响桥梁结构的使用和安全。施工中必须对关键截面的应力进行控制。 3 、解决问题的难点分析 在预应力混凝土刚构桥的监控中，以下问题较难解决： ( 1 ) 结构参数的正确识别 由于设计时所采用的诸如材料的弹性模量、构件自重、混凝土的收缩徐变系数、施 工临时荷载的条件等设计参数，与实际工程中所表现出来的参数性质不完全一致，从而 引起了实测参数与计算的不一致，因此要正确识别实际的结构参数，以便修正。 ( 2 ) 施工中误差的测量和调整 由于施工中的立模误差、测量误差等很难定量计算，因此影响了对施工参数预测的 准确性，应该研究准确的误差调整方法。 1 6 本文的主要研究内容 目前大跨度连续刚构桥建设正在如火如荼的进行当中，由于连续刚构桥本身的特 点，我国在西部大开发中也将更多地使用这种桥型，很多具有高墩、大跨度等特点。在 总结前人经验教训的基础上，本文结合陕西洛河特大桥建设，对高墩大跨连续刚构桥施 工与施工控制关键技术进行深入探索与研究，主要内容如下： 第一章绪论。介绍预应力混凝土连续刚构桥的发展和特点，分析预应力混凝土连 续刚构桥施工与施工控制的重要性，引出本文的研究内容。 第二章洛河特大桥关键施工技术。论述洛河特大桥的关键施工工艺，包括高墩施 工的内滑外翻模板技术和钢筋接长技术，轻型挂蓝技术、主梁混凝土施工技术及预应力 技术。 第三章悬臂施工控制理论。结合高墩大跨连续刚构的特点，论述施工控制的目的、 内容、方法和误差调整理论。 第四章施工控制监测系统。以洛河特大桥为例，分析高墩大跨连续刚构桥的高墩 8 长安大学硕士学位论文 及主梁施工线形、应力、温度的监测内容、方法、仪器及测点布置。 “ 第五章洛河特大桥施工控制。介绍洛河特大桥施工控制流程、分析模型、立模标 高的确定及洛河特大桥线形控制结果。分析日照温差效应和高墩稳定性，提出相应对策。 第六章结论与展望。 9 第二章洛河特大桥旌工关键技术 第二章洛河特大桥施工关键技术 洛河特大桥为陕西省黄陵一延安高速公路上一座薄壁高墩大跨度预应力钢筋混凝 土连续刚构桥，采用三向预应力混凝土薄壁单室箱梁。该桥采用悬臂浇筑法施工，施工 难度大。为保证工程优质、高效、经济、安全地完成，施工中采用了多项先进的施工技 术，本章对施工中的关键施工技术进行详细介绍。 2 1 洛河特大桥简介 洛河特大桥是西部大通道包( 头) 北( 海) 线陕西境内黄陵至延安段高速公路上的 一座特大型桥梁，如图2 1 所示。该桥起点桩号k 1 8 9 + 0 5 2 0 0 ，终点桩号k 1 9 0 + 1 0 8 0 0 ， 桥梁全长1 0 5 6 0 0 米。主桥为9 0 + 3x1 6 0 + 9 0 米预应力混凝土连续刚构，引桥分别是： 黄陵岸1 0 3 0 米预应力混凝土连续箱梁，延安岸3 3 0 米预应力混凝土连续箱梁。 图2 - 1 洛河特大桥主桥立面布置( 单位：c m ) 主桥上部结构9 0 + 3x1 6 0 + 9 0 米预应力混凝土连续刚构箱梁由上、下行的两个单箱 单室箱型断面组成，箱梁根部高度9 0 米，跨中高度3 5 米，其间梁高按二次抛物线变 化。箱梁顶板厚o 2 8 米，底板厚由跨中o 3 米按二次抛物线变化至根部1 1 米。箱梁顶 板宽1 2 0 米，底板宽6 5 米，腹板厚分别为o 4 米和0 6 米。桥墩顶部范围内箱梁顶板 厚o 5 米，底板厚1 3 米，腹板厚o 8 米，除桥墩顶部箱梁内设4 道横隔板外，其余均不 设横隔板。箱梁采用纵、横、竖向三向预应力体系。纵向预应力采用1 94 , j 1 5 2 4 、1 2 巾 1 0 长安大学硕士学位论文 j 1 5 2 4 ( 标准强度1 8 6 0 m p a 、面积1 4 0 r a m 2 、弹性模量1 9 x1 0 5 m p a 、锚下张拉控制应力o k = o 7 5 r y l ) a s t m a 4 1 6 9 2 2 7 0 钢绞线，采用o v m 锚具；竖向预应力采用d p j 3 2 精轧螺纹 粗钢筋( 标准强度7 5 0 m p a ) ，设计张拉吨位5 4 0 k n ，采用y g m 锚具；横向预应力采用 3 巾1 5 2 4 钢绞线，扁锚b m l 5 3 ，设计张拉吨位5 8 5 9 k n 。所有预应力管道均采用预埋 波纹管成型。 主桥两幅连续刚构箱梁均采用挂篮悬臂浇筑法施工，各单“t 箱梁除墩顶块件外， 分2 0 对梁段，即6 3 晰3 5 + 4 x 4 0 + 4 x 4 5 米进行对称悬臂浇筑，桥墩上块件长1 2 o 米，中孔合龙段长2 0 米，边孔现浇段长11 0 米。梁段悬臂浇筑最大块件重量1 6 3 0 吨， 挂篮自重按8 0 0 吨考虑，中孔合龙段吊架重量控制在2 0 吨以内。 主桥合龙顺序为先边跨、再次边跨、最后中跨合龙。 桥梁下部结构左、右相互分离，主桥桥墩采用双薄壁空心墩，横桥向宽6 5 米，顺 桥向单薄壁4 0 米及2 5 米，壁厚顺桥向0 5 米，横桥向o 5 米及1 0 米。主引桥分隔墩 墩高大于2 0 o 米时采用空心薄壁墩，墩高小于2 0 0 米时采用双柱式桥墩，桥台采用柱 式桥台。主桥桥墩采用直径2 0 米的钻孔灌注嵌岩桩，主引桥分隔墩及引桥桥墩采用直 径1 5 米的钻孔灌注桩，桥台采用直径1 5 米的钻孔灌注桩。主桥桥墩1 0 4 、1 1 4 、1 2 、 1 3 撑、1 矿、1 5 。高度分别为4 1 、6 4 、1 2 8 、1 4 3 5 、4 6 、3 5 米。 2 2 高墩施工技术 2 2 1 高墩施工模板 模板是混凝土高墩成型的重要施工结构。模板的结构、制作质量、拆装速度和周转 使用次数，直接影响墩台混凝土的质量、施工速度和工程成本。因此，模板是混凝土墩 台施工的一个重要环节。常用墩身钢模板型式有整体模板、滑模、拼板式模板( 俗称翻 模) 等。 整体钢模板对高墩来说不经济也不实用，在高墩施工中极少采用。滑模具有施工速 度快、节省劳力、施工操作安全及无施工接缝增加了混凝土的整体性，一般高墩施工时 优先考虑滑模施工法。当特大桥处在较差地形条件并且施工便道不便利的情况下，会出 现其各种材料不能及时供应的不足之处。翻模施工可以连续或间歇施工，并且对模板刚 度要求低，施工纠偏也较容易。根据洛河特大桥施工需求，综合各种模板特点后采用滑 膜与翻模相结合的施工方案，即内模采用滑模技术，外模采用塔吊翻模施工。 第二章洛河特大桥施工关键技术 l 、内模采用滑模技术 因墩身内部地方狭窄，不利于施工机械操作，易出现工程事故。内外模同时采用翻 模施工，对塔吊的工作依赖性增强，降低工作效率，增加工程成本，故墩身内外同时采 用翻模技术十分不利。在施工中考虑到滑模施工具有自爬升系统，移动模架和外模平行 进行，不和外模施工共用塔吊，可提高工作效率，并降低施工成本。滑模施工有施工速 度快、节省劳力、施工操作安全的特点。在内模施工中采用滑模施工，利用滑模的整体 性将墩中央滑模系统作为施工平台，解决墩顶空间狭小不利于施工操作的难题。 2 、外模使用翻模施工 模板在加工厂加工定制，结合模板重量和混凝土浇筑施工难易程度，墩身模板的标 准节长度确定为1 5 m ，每一节分成两块直模和两块曲模，块与块以及层与层之间通过 m 2 0 高强螺栓连接，标准段按3 m + 3 m + 3 m 的循环交替施工。 滑模与翻模技术的综合使用利用了各自的特点，缓解施工中对塔吊使用的冲突，提 高工效。在高墩施工中，除过混凝土以外的所有原材料都要通过塔吊运至塔顶，所以塔 吊的工作十分繁重，且塔吊的工作时间是有限的，更加体现出滑模与翻模施工组合的优 越性。 2 2 2 高墩施工中钢筋接长技术 洛河特大桥施工中对于直径大于1 6 m m 的钢筋采用等强直螺纹套管工艺进行接长， 等强直螺纹套管工艺的使用，极大地方便了施工，加快了施工的进度，保证了施工的质 量。钢筋等强直螺纹连接是我国近期开发成功的新一代钢筋机械连接技术，它通过对钢 筋端部冷墩扩粗、切削螺纹，再用连接套管对接钢筋。这种接头综合了套筒挤压接头和 锥螺纹接头的优点，具有接头强度、质量稳定、施工方便、连接速度快、应用范围广、 综合经济效益好等优点，有推广应用价值。 镦粗直螺纹钢筋接头是利用冷镦机将钢筋的连接端先进行镦粗，然后再用专用机床 对镦粗段进行套丝，利用带内螺纹的连接套筒将二根钢筋连接起来的一种钢筋接头。该 类型钢筋接头是建设部重点推广应用的十项新技术之一，不但弥补了焊接连接的不足， 而且在连接、套筒冷挤压连接方面具有更好的优越性【张正金，2 0 0 6 1 。 墩粗直螺纹接头技术的工艺流程分为三步，如图2 2 所示。1 粗钢筋接头部分；2 利用车丝机具车丝；3 采用扳手进行钢筋连接。 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 - 2 墩粗直螺纹接头工艺流程 为了充分发挥钢筋母材强度，连接套筒的设计强度大于等于钢筋抗拉强度标准值的 1 2 倍，直螺纹接头标准套筒的规格、尺寸如表2 1 所示，使用效果如图2 3 所示。 表2 - 1标准型套筒规格、尺寸 1 3 第二章洛河特大桥施工关键技术 图2 - 3 直螺纹套管的使用效果 2 3 挂篮形式和洛河特大桥挂篮选择 悬臂施工是连续刚构桥施工关键环节，施工中必须从原材料的准备、机械、人员等 多方面详细周密的计划准备。挂篮的选形是悬臂施工的一个重要环节。 挂篮是悬浇箱梁的主要设备，它是沿着轨道行走的活动脚手架及模板支架。挂篮按 结构形式可分为桁架式、三角斜拉带式、预应力束斜拉式、斜拉自锚式：按行走方式可 分为滑移式和滚动式；按平衡方式可分为压重式和自锚式。对某一具体工程，应根据梁 段分段情况，根据对挂篮重量的要求承受荷载及施工经验对挂篮进行认真详细的设计。 除必须满足强度、刚度、稳定性要求外，还要使其行走、锚固方便可靠，重量不大于设 计规定。挂篮由主桁架、锚固、平衡系统及吊杆、纵横梁等部分组成，由工厂或现场根 据挂篮设计图纸精加工而成。 随着挂篮结构设计的优化和材料工业的发展，挂篮材料的可选性也越来越大，这就 导致了挂篮重量呈不断下降的趋势，如图3 1 所示。参照挂篮总重与悬浇最大梁段的重 量比，最初的平行桁架式挂篮约在o 8 1 2 之间，个别高达2 以上。较后出现的挂篮则 逐渐下降为：三角型组合梁式挂篮为0 7 9 ，曲弦桁架式( 或称弓弦式) 降为o 5 0 ，菱形挂 篮降为o 3 3 ，滑动斜拉式则降为o 3 1 【王卫国，2 0 0 5 1 。 1 4 长安大学硕士学位论文 0 0 d 图2 - 4 挂篮的发展趋势图 主 2 3 1 常见挂篮的形式及分析 1 、平行桁架式挂篮 平行桁架式挂篮，如图2 5 所示，上部结构外形一般为一等高度桁梁，受力特点是底一 模平台及侧模架所承重量均由前后吊杆垂直传至桁梁节点和箱梁底板上，故又称吊篮式 结构。桁架在梁顶用压重或锚固或二者兼之来解决倾覆稳定问题，桁架本身为受弯结构。謦 平行桁架式挂篮由于其自重大，一般已不大采用。 图2 - 5平行桁架式挂篮 2 、平弦无平衡重挂篮 平弦无平衡重挂篮，如图2 6 所示，是在平行桁架式挂篮的基础上，取消压重，在主 桁上部增设前后上横桁，根据需要，其可沿主桁纵向滑移，并在主桁横移时吊住底模平台及 侧模支架。由于挂篮底部荷重作用在主桁架上的力臂减小，大大减小了倾覆力矩，故不需 1 5 0 0 d 0 q d 0 0 4 1 8 5 z 9 6 3 2 2 1 1 1 0 0 0 蝴车霉群k、西捌罩i_ 第二章洛河特大桥施工关键技术 平衡压重，其主桁后端则通过梁体竖向预应力筋锚固于主梁顶板上。 图2 - 6 平弦无平衡重挂篮 3 、三角组合梁式挂篮【姜永军，2 0 0 4 】 三角型组合梁挂篮，如图2 7 所示，是在平行桁架式挂篮的基础之上，将受弯桁架改 为三角形组合梁结构。由于其斜拉杆的拉力作用，大大降低了主梁的弯矩，从而使主梁能 采用单构件实体型钢。由于挂篮上部结构轻盈，除尾部锚固外，还需较大配重。其底模平 台及侧模支架等的承重传力与平行桁架式挂篮基本相同。三角型组合梁挂篮由于压重较 大，故应用受一定限制。 4 、弓弦式挂篮 _ 。多u 以 ，一 【 】 j 一 ii i ，一，一 捌丰罄 r 一 r 一 硼朋_ 术 c 】 2 号 【号 0 号 1 号 2 号 厶 j 1 一 一一一一 】c jc 皇旨 一i 毒吝带下屠蟀 图2 7三角组合粱式挂篮 弓弦式挂篮型挂篮( 又称曲弦桁架式) ，如图2 - 8 所示，挂篮主桁外形似弓形，故也可 认为是从平行桁架式挂篮演变而来，除具有桁高随弯矩大小变化外，还可在安装时施加预 应力以消除非弹性变形。故也可取消平衡重，所以一般重量较轻。弓弦式挂篮由于杆件以 常备式杆件为主而且自重较轻，对不想一次性投入过多的施工单位有一定吸引力，但其缺 1 6 长安大学硕士学位论文 点是杆件数量多、制作安装都较麻烦，且易丢失。 图2 - 8弓弦式挂篮 5 、滑动斜拉式挂篮 滑动斜拉式挂篮较之上述几种挂篮在力学体系方面有较大的突破，如图2 - 9 所示， 其上部采用斜拉体代替梁式结构的受力，而由此引起的水平分力，通过上下限位装置( 或 称水平制动装置) 承受，主梁的纵向倾覆稳定由后端锚固压力维持。其底模平台后端仍吊 挂或锚固于箱梁底板之上。滑动斜拉式挂篮由于兼有自重轻和无平衡重等特点，被认为是 国内目前最轻的挂篮之一，应用前景较好，但对挂篮的水平制动装置仍需进一步改善。 千斤顼 图2 - 9滑动斜拉式挂篮 6 、菱形挂篮 陈金水，2 0 0 5 】 菱形挂篮如图2 1 0 所示，其上部结构为菱形，前部伸出两伸臂小梁，作为挂篮底模平 台和侧模前移的滑道，其菱形结构后端锚固于箱梁项板上，无平衡压重，而且结构简单，故 1 7 第二章洛河特大桥施工关键技术 自重大大减轻。菱形挂篮具有结构简单、受力合理和一次移动到位等特点，较受欢迎。 图2 1 0 菱形挂篮 2 3 2 挂篮托架静力荷载试验 挂篮是利用已浇注的箱梁段，作为支撑点，通过桁架等主梁系统、底模系统，人为 创造一个工作平台。 2 3 2 1 试验目的 ( 1 ) 通过对挂篮的静力荷载试验，检验挂篮的强度和刚度是否满足要求； ( 2 ) 测试挂篮后锚钢筋的应力，检验后锚钢筋是否满足强度要求； ( 3 ) 通过挂篮前吊点的挠度测量，为大桥施工中的标高控制提供参考数据。 2 3 2 2 试验内容 ( 1 ) 上挂篮前，扩、1 群块必须是浇注完成并张拉，对支座做临时固结措施。为减小 梁段上的作业，可根据起吊运输能力将挂篮杆件在加工场拼装成若干组件，再将挂篮组 件吊至0 捍、1 4 块梁段上进行组装。 ( 2 ) 在已浇筑的0 4 、1 4 块箱梁顶面进行水平及中线测量，铺设轨道，组装挂篮，并 将挂篮对称行走就位、锚固。 ( 3 ) 在底篮的两侧，前后端及外模两侧均设置固定平台，内外模及箱梁前端设置悬 吊工作平台。 ( 4 ) 挂篮拼装完毕后，为验证挂篮的可靠性和消除其非弹性变形及其测出挂篮在不 同荷载下的实际变形量，以便在挠度控制中修正立模标高，在第一次使用前对挂篮进行 试压。试压的方式常用的有：水箱加载法、千斤顶高强钢筋加力法等。 ( 5 ) 模板校正、就位：模板分为底模、外侧模及内模。底模支撑吊篮底的纵、横梁 上，外侧模一般由外框架预先装成整体，内模由侧模、顶模及内框架组成，内模的模板 1 8 长安大学硕士学位论文 及框架因每一梁段均须修改高度，不宜做成整体。 ( 6 ) 预压荷载使用编织袋装填沙石或土进行加载，加载时要求对编织袋进行称重， 以保证加荷数量。对于墩较高的挂篮，可用钢绞线将荷载传递给挂篮进行预压试验，以 减少预压荷载的上下搬运，减少工作量；但对于高度大于1 0 0 米的高墩，这种方法就不 太适应，主要原因是用于传递荷载