（道路与铁道工程专业论文）大跨径预应力混凝土连续梁桥合理成桥状态研究.pdf

摘要 随着建筑材料和施工技术的不断发展，大跨径预应力混凝土连续梁桥近年来得到了 蓬勃的发展，为了使该桥型得到更广泛的应用和发展，本文从不同方面对其合理成桥状 态进行研究。 基于对国内多座在役及在建大跨径预应力混凝土连续梁桥的运营及施工情况的调 查，并在广泛收集国内外已有研究资料的基础上，总结出了预应力混凝土连续梁桥的发 展现状，并指出了预应力混凝土连续梁桥在施工中存在的主要问题；结合目前大跨径预 应力混凝土连续梁桥常用施工方法( 悬臂拼装法及悬臂浇注法) 的特点，提出达到合理 成桥状态必需的结构参数；并分别考虑了施工工艺、施工监测、结构计算模型、温度变 化及混凝土收缩、徐变等多方面因素对成桥状态的影响。 本文主要对合拢段的不同施工工艺进行研究，探讨了不同的合拢状态对合理成桥状 态的影响，主要考虑合拢时的温度、合拢段两端中线偏差及高程偏差的调整、合拢端口 的临时锁定以及合拢段的混凝土浇筑及预应力施工控制。最后对一座5 5 m + 3x lo o m + 5 5 m 的预应力混凝土连续梁桥在不同合拢顺序下的挠度及应力进行分析计算，分 析结果表明由边跨至中跨的顺序合拢所形成的最终成桥线形最为合理，由边跨至中跨的 顺序合拢和全桥一次性合拢所建成的桥跨结构其受力状态最为合理。 本文的研究成果对促进大跨径预应力混凝土连续梁桥的发展具有较大的实用价值。 关键词：合理成桥状态；大跨径预应力混凝土连续梁；施工控制；合拢顺序；挠度分 析；应力分析 a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n to fb u i l d i n gm a t e r i a l s ，l o n gs p a np cc o n t i n u o u sb e a m h a sav i g o r o u sd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s f o rt h eb e t t e ra p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，t h e p r o p e rb r i d g es t a t ew a sr e s e a r c h e df r o md i f f e r e n ta s p e c t si nt h i sp a p e r b a s e do ne m p l o y m e n ta n dc o n s t r u c t i o no fb o t hs e r v i c ea n du n d e rb u i l d i n gl o n gs p a np c c o n t i n u o u sb r i d g e si nc h i n aa n dc o m p r e h e n s i v ec o l l e c t i o no fe x i s t i n gr e s e a r c hd o c u m e n t si n a n db e y o n dt h e c o u n t r y , t h ed e v e l o p e ds t a t e m e n to fp cc o n t i n u o u sb e a mb r i d g e si s g e n e r a l i z e di nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，t h ep r e s e n tm a i np r o b l e m so fp cc o n t i n u o u s b e a m sb r i d g e si nc o n s t r u c t i n ga r ep o i n t e do u t a s s o c i a t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fu s u a l c o n s t r u c t i o nm e t h o d s c a n t i l e v e rc o n s o l i d a t i o na n dc a n t i l e v e rc a s t i n g ；t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r w h i c hn e c e s s a r yt ot h ep r o p e rb r i d g es t a t ew e r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r a l s o ，i tp u tf o r w a r d t h ee f f e c to nb r i d g es t a t ef r o ms e v e r a la s p e c t ss u c ha sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , c o n s t r u c t i o n m o n i t o r y , a n da n a l y t i c a lm o d e lo fs t r u c t u r e ，t e m p e r a t u r ec h a n g e sa n ds h r i n k a g ea n dc r e e po f c o n c r e t e t h ep a p e re s p e c i a l l ys t u d d e dt h ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fc l o s u r es e g m e n t ， d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c ew h i c hd i f f e r e n tc l o s u r eo r d e ri m p a c to np r o p e rb r i d g es t a t e e s p e c i a l l y c o n s i d e r e dt h et e m p e r a t u r ei nc l o s u r eo p e r a t i o n ，t h em o d i f i c a t i o no fc e n t e r l i n ed e v i a t i o no f c l o s u r e st w oe n d sa n dd e v i a t i o no fe l e v a t i o na n dt h et e m p o r a r yl o c k i n go fc l o s u r ep o r t ， c o n c r e t ep l a c i n ga n dp r e s t r e s s i n gc o n t r o lo fc l o s u r e a tl a s t ，t h ea n a l y s i so fd e f l e c t i o na n d s t r e s si nd i f f e r e n tc l o s u r eo r d e ro fo n ep cc o n t i n u o u s b r i d g e w h i c h s p a n i n 5 5 m + 3 x10 0 m + 5 5 mw e r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h er e s u l tp o i n t e do u tt h a tt h em o s tp r o p e r l i n es h a p eo c c u r r e di nt h eo r d e ro fs i d e - s p a nt om i d s p a n a l s o ，i tp o i n t e do u tt h a tt h em o s t p r o p e rs t r e s so fb r i d g eo c c u r r e di nt h eo r d e ro fs i d e s p a nt om i d - s p a na sw e l la sc l o s u r e a tt h e t h er e s e a r c hr e s u l ti nt h i sp a p e rh a sg r e a tv a l u ef o rt h ep r o m o t i o no fs m a l lt o w nb r i d g e d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：t h ep r o p e rb r i d g es t a t e ；l o n gs p a np cc o n t i n u o u sb e a m ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ； c l o s u r eo r d e r ；d e f l e c t i o na n a l y s i s ；s t r e s sa n a l y s i s i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者虢寺哼 扣7 让“日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：寻呻 导师签名：郝t 式 c 哆年应月) 6 日 呻年，钥日 长安大学硕 ：学位论文 第一章绪论 1 1 国内外连续梁桥发展现状 1 1 1 大跨径预应力混凝土连续梁桥的发展 1 9 世纪中期以前，各种桥梁均采用有支架的施工法。有支架施工法就是在桥位处搭 设支架，在支架上浇筑混凝土或拼装钢梁。整个施工过程主梁处于无应力状态。有支架 施工法无需预制场地，也不需要大型起吊设备，桥跨结构整体性好。但由于其需要搭设 支架，对于跨越大江、大河和深沟的桥梁及大跨径的桥梁，这种施工方法将变得非常困 难。同时，由于搭设支架影响排洪、通航等，施工期间可能受到洪水和漂流物的威胁， 会严重影响整个工程的进度。 1 9 世纪中期，随着钢铁工业的发展，桥梁的施工方法逐渐由原来的有支架施工过渡 到无支架施工，也即悬臂施工。所谓悬臂施工法是从桥墩开始向跨中不断接长梁体构件 ( 包括拼装与现浇) 的悬出架桥法。其有平衡悬臂施工、不平衡悬臂施工、悬臂浇筑施工 和悬臂拼装施工等。悬臂施工法的应用在很大程度上满足了大跨径桥梁的实现。如当时 美国跨径为4 8 6 m 的纽约勃罗克林悬索桥就是采用悬臂施工法实现的。但在这个时期，由 于钢筋混凝土和预应力混凝土还未发展起来，悬臂施工法的主要对象为大跨度钢桥。 随着2 0 世纪初钢筋混凝土与预应力混凝土的兴起，尤其是1 9 7 6 年后张学会的成立， 使预应力混凝土桥梁得到了突飞猛进的发展。悬臂施工法也逐渐运用在预应力混凝土桥 梁上。! t 1 1 1 9 2 8 年f r e y s s i e t 用悬臂施工法建造了主跨为1 8 5 m 的钢筋混凝土大跨径拱桥。 1 9 3 0 年e b a u m g a r t 用悬臂施工法建造了主跨为6 8 m 的钢筋混凝土梁桥等。由于将悬臂施 工法应用到预应力混凝土桥梁施工中，打破了建造预应力混凝土梁桥只能采用预制装配 和在支架上现浇施工的单一局面，使预应力混凝土桥梁结构的设计与施工得以全面发 展，出现了预应力混凝土t 型悬臂梁桥、连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥等各种新结构。 桥梁的跨径也在不断加大，由原来的十几米发展到现在的几百米。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始用悬臂施工法修建了许多大跨径的连续刚构桥。如1 9 8 8 年 建成的洛溪大桥，主跨为1 8 0 m ，全长1 9 1 6 m ，是国内首次修建的预应力混凝土连续刚构 桥。1 9 9 5 年建成的黄石长江大桥，主跨为2 4 5 m ，全长2 5 8 0 m 是目前国内最大的连续长度 的预应力混凝土连续刚构桥。1 9 9 7 年建成的广东虎门大桥辅航道桥，主跨2 7 0 米，是国 内最大跨径的连续刚构桥。1 9 9 9 年建成的厦门海沧大桥西航道桥，主跨长1 4 0 m ，全长 3 8 0 m 等等。 1 1 2 连续梁桥施工技术的发展 在我国中小跨径的预应力混凝土连续梁桥施工中，除了最古老的支架现浇方法外， 第一章绪论 还采用了先简支后连续、顶推法、移动模架逐孔浇筑法、移动导梁逐孔拼装法和梁体预 制浮吊安装法等施工技术。平衡悬臂拼装施工法和平衡悬臂浇筑施工法的采用促进了预 应力混凝土连续梁桥的发展。 大跨径预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。根据连续梁桥的特点，采 用逐段平衡悬臂浇筑，先形成t 构，再逐跨合拢，逐跨释放临时固定支座，完成体系转 换，最终形成多跨预应力混凝土连续梁桥。 大跨径预应力混凝土连续箱梁广泛采用挂篮进行悬臂浇筑施工。常用的挂篮形式有 偏架式和斜拉式。随着施工技术的进步，挂篮结构向着轻型化的方向发展，尽可能采用 构造合理、受力明确、自重轻、利用系数高、使用安全方便，具有良好技术经济指标的 挂篮。例如，上海黄浦江奉浦大桥等工程采用的菱型挂篮就是其中之一，该挂篮总重仅 5 0 t ，利用系数为4 o 【1 3 】。 高强度预应力钢材、高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系的研制开发和应用，促 进了大跨径预应力混凝土连续梁桥的发展。 在8 0 年代后期，国内开始生产1 8 6 0 m p a 的低松弛预应力钢绞线，加上与其配套的 大吨位预应力锚具和张拉设备的研制成功。c 5 0 与c 6 0 混凝土的应用，使得预应力连续 梁桥结构轻型化，跨越能力得到很大提高。在这以前，我国大量采用1 6 0 0 m p a 中5 的高 强度碳素钢丝和与其配套的钢质锥形锚( 即f 式锚具) ，这种锚具的张拉吨位小，使用 时的控制张拉力仅5 6 5 k n ，每张拉1 0 k n 预应力需要的布束面积约为0 2 5 5e m 2 k n ； 若采用巾i 1 5 2 1 2 型锚具张拉1 0 k n 预应力所需的布束面积约为0 0 9 6c m 2 k n ；采 用巾j1 5 2 - 2 2 型的锚具时，张拉1 0 k n 预应力所需的布束面积约为0 0 6 7 c m 2 k n t l 3 】。 三者的比例为1 ：0 3 8 ：0 2 6 ，由此可以看到，采用大吨位预应锚具体系后，使得预应 力箱梁布束范围内的顶板、腹板和底板尺寸可以减小，设计时由原来的布束控制改为受 力控制和按构造要求控制，这样，大大减小了箱梁断面的尺寸，减轻了上部结构的自重。 箱梁混凝土及钢绞线的用量能够大大减少，从而使得预应力结构设计更趋合理、经 济。若采用以往的钢质锥形锚具，预应力混凝土连续梁的跨越能力大多在1 0 0 m 左右。 随着1 8 6 0 m p a 钢绞线和大吨位预应力锚固体系的应用，建桥施工技术的发展，目前， 我国连续梁桥的最大跨径已达1 6 5 m ，连续刚构桥的最大跨径达到2 7 0 m ，从而使得我国 预应力混凝土梁桥的设计、施工技术进入世界先进行列。 1 2 国内大跨径p c 连续梁桥施工存在的主要问题 改革开放以来，随着科学技术的快速发展，特别是随着交通基础建设投资规模的加 大，我国桥梁事业得到了突飞猛进的发展，先后在长江、黄河、珠江等河流上建成了一 大批大跨径、深基础的桥梁，各种桥型的跨径纪录不断刷新，使我国在长大跨径悬索桥、 斜拉桥、拱桥和连续梁、连续刚构桥建设方面跨入了世界先进行列。大型桥梁在国民经 2 长安大学硕一l 学位论文 济和社会生活中的地位与作用越来越重要，人们对这些大型桥梁的施工质量、安全性以 及正常使用功能日趋关注，围绕桥梁结构的质量控制开展了大量的工作。 近些年来，国内修建了不少大跨径连续梁式桥，跨径纪录不断刷新，但是随之出现 的问题也不少。主要表现在运营若干年后相当一部分桥梁的变形( 挠度) 过大、梁体混 凝土开裂( 尤其是箱梁腹板因主拉应力过大产生的开裂) 等，造成这些问题的原因较为 复杂，可能与设计、施工有直接关系。 随着悬臂施工技术和施工设备的进步和完善，大跨度连续梁式桥的施工技术日趋成 熟，先进的施工技术又能影响和促进桥梁设计水平的提高和发展。大跨度连续梁式桥技 术含量高、施工难度大，施工方案的选定、施工机具的配备以及科学的施工组织是安全、 优质、快速、高效建设桥梁的关键，必须不断地进行科技创新，研究更先进的桥梁施工 新技术。大跨径连续梁式桥近几年在国内修建了不少，但是出现的问题也不少。针对大 跨连续梁式桥出现的质量问题，为了保证桥梁工程的质量，一方面应结合工程实践，及 时总结经验，开展设计理论和方法的研究对其产生的原因进行分析，研究防治措施，规 范各个环节，最大限度地减少桥梁建造缺陷。另一方面，应进一步加强施工质量管理和 施工控制，及时发现和解决问题，以使桥梁合拢后能达到一个合理的成桥状态，并在以 后的服役期限内不会出现大的质量问题。 1 3 本文研究的目的和意义 大跨径预应力混凝土连续梁桥通常使用的施工方法是自架设体系施工方法。自架设 体系施工方法的采用，必然给桥梁结构带来较为复杂的内力和位移变化，为了保证桥梁 施工质量和桥梁施工安全，使得桥梁在成桥后能达到合理的成桥状态，桥梁施工控制在 大跨径预应力混凝土连续梁桥建设中是不可缺少的。由于混凝土桥要受温度、湿度、时 间等因素的影响，加上采用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，由此，这些影响因素必然造成各节段或各层的内力和位移随 着混凝土浇注或块件拼装过程变化而偏离设计值。为了保证桥梁能达到合理的成桥状 态，必须要对建桥的整个过程进行严格的施工控制。也可以这样说，桥梁施工控制是桥 梁建设质量的保证。 桥梁施工控制又是桥梁建设的安全保证。为了安全可靠地建好每座桥，施工控制将 变得非常重要。因为每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，同时可通过监测手段得到各施工阶段结构 第一章绪论 的实际内力和变形，从而可以跟踪掌握施工进程和发展情况。当发现施工过程中监测的 实际值与计算的预计值相差过大时，就要进行检查和分析原因，而不能再继续进行施工， 否则，将可能出现事故。这方面实例太多，例如，跨径5 4 8 6 4 m 的加拿大魁北克桥就是 因为在施工中两次发生事故而闻名于世的。该桥采用悬臂拼装法施工，当南侧锚锭桁架 快架完时，突然崩塌坠落，原因是悬出的桁架太长( 悬臂长1 7 6 8 m ) ，因此，靠近中间 墩处的下弦杆受压力过大，致使下弦杆腹板失去稳定而引起全桁架严重破坏。尽管造成 事故的原因是设计问题，但若当时采用了施工控制手段，在内力较大的杆件中布置监控 测点，当发现异常现象时，及时停工检查，就不会发生突然崩塌坠落事故。由此可知， 为避免突发事故的出现，能按时安全地建成一座桥，施工控制是有力的保证。也可以这 样说，桥梁施工控制系统就是桥梁建设的安全系统。为确保桥梁施工的安全，桥梁施工 控制必不可少，尤其对造价昂贵的大跨度桥梁，更为重要，否则即使桥梁建设成功，由 于缺乏必要的监控手段，建成后的桥梁其受力和位移的状态是否合理也值得商榷。 施工控制不仅是建桥中的安全系统，也是桥梁营运中安全性和耐久性的综合监测系 统。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会危及桥梁的安全，若在建设桥梁时进行了施工控制，并预留长 期观测点，将会给桥梁创造终身安全监测的条件，从而给桥梁营运阶段的养护工作提供 科学的、可靠的数据，给桥梁安全使用提供可靠保证。这方面的反面事例在工程界是存 在的。比如韩国圣水桥，于1 9 9 4 年1 0 月突然在中跨断塌5 0 m ，其中1 5 m 掉入江中， 造成3 2 人死亡，1 7 人受重伤的重大事故，据称造成该桥在行车高峰期突然断裂的原因 是该桥长期超负荷运营，钢桁梁螺栓和杆件疲劳破坏所致。又如我国广州海印大桥，因 斜拉索的防护措施不够完善、可靠，造成斜拉索超应力，只使用几年就突然断裂，创造 了世界损桥年限最短的记录，不但造成重大的经济损失，而且也带来不良的社会影响。 以上实例说明，对于桥梁的运营阶段仍然急需要一套长期有效的监测系统，使桥梁养护 部门能根据该桥的实际使用情况进行有效的更换和维护，而不是目前只靠外观检查等简 单手段，得到粗略的依据进行不切要害的养护。要彻底改变目前我国桥梁养护部门的现 状，科学地、较为主动地预报桥梁各部位运营情况，必须在桥梁施工中进行施工控制， 建立施工控制系统，并使其能长期对桥梁营运阶段进行监测，这样才能确保桥梁在成桥 时达到合理的成桥状态，才能降低其在今后的运营中的风险。由此可见，桥梁施工控制 是大跨径预应力混凝土梁桥达到合理成桥状态的必要条件，也是现代桥梁建设的必然趋 4 长安大学硕l 学位论文 势。 1 4 本文研究的主要内容 本论文主要研究大跨径预应力混凝土连续梁桥为达到合理的成桥状态而在施工控 制过程中所采用的计算分析及控制方法理论，并运用到实际工程中，通过实际工程的监 控，总结经验和教训，为以后同类型桥梁在建成后能达到合理的成桥状态提供可借鉴的 方案。 首先，针对大跨径预应力混凝土连续梁桥施工的特点，提出合理的施工监控方案， 建立全面有效的监测系统，对挠度、温度、应力进行观测，检测材料力学参数等内容。 然后，对采集的数据进行分析处理，分析理论计算与实际施工情况之间的差异，运用现 代预测控制思想，对随机误差和系统误差进行识别判定。最后根据实测信息和识别结果， 调整参数，进行结构前进分析和倒退分析，并预告控制信息，提出合理的预抛高值指导 施工。 本文针对大跨度预应力混凝土连续梁式桥的施工技术和质量控制的特点，论述了大 跨度预应力混凝土连续梁式桥的施工方法、施工控制以及质量控制；详细介绍了主跨为 l o o m 连续梁桥的悬臂浇筑施工技术以及为使其达到合理的成桥状态而采用的施工工 艺、挠度及应力施工监控；并以此例为借鉴，对梁式桥在设计、施工、运营中出现的质 量问题、桥梁裂缝、悬臂施工质量通病及防治措施进行了分析和论述。 第二章大跨径p c 连续梁桥的主要施t 方法 第二章大跨径p c 连续梁桥的主要施工方法 2 1 悬臂施工方法的特点 初期的混凝土连续梁式桥采用搭设支架就地浇筑的施工，桥梁跨径多为3 0 m - - - 4 0 m 。 由于工期长，并耗用大量木材，因而建造数量少。2 0 世纪5 0 年代，悬臂施工方法从钢 桥引入到预应力混凝土桥后，使预应力混凝土桥得到了迅速发展。连续梁式桥则从传统 的支架施工法发展成现在广泛应用的悬臂施工法。 悬臂施工法用于建造预应力混凝土桥，是1 9 5 0 年由前联邦德国首创。它利用己建 成的桥墩沿桥跨径方向逐段地悬出接长对称施工，因此采用悬臂施工的必要条件是：施 工中墩与梁固结，施工过程中桥墩需承受不对称弯矩。 悬臂施工法是在已建成的桥墩上，沿桥梁跨径方向对称逐段施工的方法。它不仅在 施工期间不影响桥下通航或行车，同时密切配合设计和施工的要求，充分利用了预应力 混凝土承受负弯矩能力强的特点，将跨中正弯矩转移为支点负弯矩，提高了桥梁的跨越 能力。 采用悬臂施工法进行大跨径p c 连续梁桥结构施工时总的施工顺序是：墩顶0 号块 的浇筑；悬臂节段的预制安装或挂篮现浇：各桥跨间合拢段施工及相应的施工结构体系 转换；桥面系施工。要实现悬臂施工，在施工过程中必须保证墩与梁固结，尤其在连续 梁桥和悬臂梁桥施工中要采取临时墩梁固结措施。另外采用悬臂施工法，会出现施工期 的体系转换问题，如对于三跨预应力混凝土连续梁桥，采用悬臂施工时，结构的受力状 态呈t 形刚构，边跨合拢就位、更换支座后呈单悬臂梁，跨中合拢后呈连续梁的受力状 态。结构上进行设计时，必须考虑到与施工受力相一致。 悬臂施工时随梁段增加即悬臂长度的增长，梁内出现的负弯矩不断增大，对混凝土 桥必须在梁段上缘施加预应力，使其完成的梁段连成整体。其施工特点为： ( 1 ) 桥下不搭设支架，对在深水、大跨、通航、峡谷、高墩的条件下建桥而言， 其为最优的施工方案； ( 2 ) 工序较简单，施工设备少； ( 3 ) 多孔桥跨可平行作业，施工速度快； ( 4 ) 悬臂施工使跨中正弯矩转移到支点负弯矩，大大提高了桥梁的跨越能力； ( 5 ) 节省施工费用，降低工程造价。 6 长安大学硕十学位论文 由于上述特点，该法4 0 多年来得到蓬勃发展，由早期应用于t 形刚架桥、悬臂梁 桥，后来又被推广用于连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥和拱桥等。被推广应用的桥型采 用悬臂施工时，施工中由于存在受力体系转换问题，因此施工中应及时调整所施加的预 应力来适应这一转换，并考虑因体系转换及其它因素引起的次内力。在连续梁桥悬臂施 工时，结构的受力体系为t 形刚构悬臂梁，待施工合拢后形成连续梁。因此，在桥梁设 计中要考虑施工过程中的受力状态；要考虑由于体系转换及其它因素引起的附加内力。 而且为使施工受力与运营状态结构受力基本吻合，通常选取变截面梁。 悬臂施工是由两个相邻的桥墩同时向两侧分段进行，水平推进，直到跨中合拢，各 梁段用预应力紧密连成整体。它通常分为悬臂拼装施工和悬臂浇筑施工两类。 2 2 悬臂拼装施工技术 悬臂拼装是将预制好的梁段，用支承在己完成的悬臂梁段上的专用拼装吊机逐段拼 装。一个节段张拉锚固后，再拼装下一个节段。节段长度主要取决于吊机的起重能力， 一般为2 - 5 m 2 1 。悬拼的基本工序是：预制梁段、移位、存放、运输、起吊拼装和施加 预应力。 2 2 1 悬臂拼装施工特点 ( 1 ) 在跨间不需要搭设支架 在施工过程中，施工机具和人员的重量全部由墩台和已建成的梁段承受，随着施工 的进展，悬臂逐渐延伸，机具设备也逐步移置于梁端，始终无需用支架自下对梁做支撑。 ( 2 ) 减少施工设备，简化施工工序 应用悬臂拼装施工法易于做到施工阶段的受力与桥梁建成后运营期间受力尽量一 致。 ( 3 ) 多孔结构可以同时施工，加快施工进度 悬臂施工的阶段预制工作是在预制场提前进行的，可以与桥梁下部结构的施工同时 进行。拼装时占用施工周期的仅有吊装定位和穿束张拉等工序。一个节段的施工周期仅 1 1 5 天，在施工进度方面悬臂拼装施工法具有较大优势【1 1 。 ( 4 ) 悬臂拼装施工法充分利用预应力混凝土结构承载负弯矩能力强的特点，将跨 中正弯矩转移为支点负弯矩，使桥梁的跨越能力提高。 ( 5 ) 悬臂拼装施工可节省施工费用，降低工程造价。 7 第_ 二章大跨径p c 连续梁桥的主要施工方法 2 2 2 悬臂拼装施工方法 悬臂拼装是从桥墩顶开始，。将预制梁段对称吊装，就位后施加预应力，并逐渐接长 的一种施工方法。预制节段的拼装方法可根据施工现场条件和设备情况采用不同的施工 方案。对靠近岸边的梁段，当桥面不高且在陆地或便桥上可施工时，常采用自行式吊车、 龙门架拼装；对位于河中或通航孔的梁段，可采用水上浮吊拼装。如果桥墩很高且水深 流急，又不便在陆地上、水上施工时，就可以用各种吊机进行高空悬臂施工。吊机的种 类很多，有移动式吊车、析式吊车、缆索吊车和挂篮等。0 号块在墩顶托架上现浇，然 后用一台吊机对称同时吊装墩两侧的块件，在允许布置两台移动吊车后，开始独立对称 吊装。 在悬臂拼装施工方法中很重要的一环就是各节段间的接头方式。悬拼施工时0 号块 梁高最大，重量也最大，常采用悬浇相同的施工方法即在托架上现浇，国外也有在墩上 预制装配施工的梁段。接缝可采用三种方式： ( 1 ) 湿接缝：宽o 1 0 2 m ，因第一节段的施工精度直接影响到以后各节段的相对 位置，所以它常在o 号块与1 号块之间使用； ( 2 ) 胶接缝：用环氧树脂加水泥在节段接缝面上涂一层厚0 8 m m 的薄层，它在施 工中起润滑作用，使接缝面密贴，完工后可提高结构的抗剪能力、整体刚度和不透水性， 常在中间节段接缝使用； ( 3 ) 干接缝：即接缝间无任何填充材料，以往很少采用，主要担心接缝不密贴而 导致钢筋锈蚀，但是使用干接缝给施工带来很多方便。 2 2 3 臂拼装施工的适用范围 悬臂拼装施工将大跨径桥梁化整为零，预制和拼装方便，可以上、下部结构平行施 工，拼装周期短，施工速度快。同时预制节段施工质量易控制，减小了结构附加内力。 但预制节段需要较大的场地，要求有一定的起重能力，拼装精度对大跨桥梁要求很高。 因此悬臂拼装施工一般用于跨径小于l o o m 的桥梁。如荷兰的东希尔德桥，跨径9 5 m ， 节段长5 m ，节段间采用湿接缝，三个星期拼装两跨桥梁。 2 3 悬臂现浇施工技术 现浇悬臂施工主要有挂篮悬臂施工法、移动悬吊模架悬臂施工法和滑移支架悬臂施 工法等。本文主要介绍挂篮悬臂施工方法。 长安大学硕 ：学位论文 2 3 1 移动式挂篮悬臂施工法 ( 1 ) 托架 依据墩身高度、承台形式和地形条件，分别利用墩身、承台或地面设立支承托架。 托架可采用万能杆件拼制，它的高度和长度应视挂篮施工的需要和现浇段的长度而定， 横桥向的宽度一般比箱梁底宽出1 5 - - - - 2 o m ，以便于设立箱梁腹板的外侧模板。托架项 面与箱梁底面在桥纵向的线形应保持一致。常用的施工托架有两种：一是斜撑式，二是斜 拉式。为了消除托架在浇注梁段混凝土产生的变形，常用千斤顶法、水箱法对托架进行 预压。 ( 2 ) 挂篮 托架上施工几个梁段达到挂篮起步长度后，拼装对接挂篮，待其到一定长度之后， 再将对接挂篮分开，形成两个独立的挂篮向跨中逐段推进，新浇梁段达到设计强度后张 拉预应力束与前一梁段连成一体。挂篮是一个能自动行走的空中活动脚手架，悬挂在已 张拉的箱梁节段上，现浇段的模板安装、钢筋绑扎、管道安装、预应力张拉、压浆等工 作均在挂篮上进行。完成一个梁段后，挂篮可前移一个梁段，循环悬臂浇完所有梁段。 用挂篮悬臂浇筑施工，是1 9 5 9 年首先由前联邦德国迪维达克公司创造和使用的。 它将梁体没2 5 m 分为一个节段，以挂篮为施工机具进行对称悬臂浇筑施工。挂篮的构 造形式很多，通常由承重梁、悬吊模板、锚固装置、行走系统和工作平台几部分组成。 承重梁是挂篮的主要受力构件，可以采用钢板梁、工字钢梁或万能杆件组拼的钢桁梁和 贝雷钢梁等，可设置在桥面以上，它承受施工设备和新浇节段混凝土的全部重力，并通 过支点和锚固装置将荷载传到已施工完成的梁体上。当后支点的锚固能力不够时，可采 用尾端压重或利用梁内的竖向预应力钢筋等措施。挂篮的工作平台用于架设模板、安装 钢筋和张拉预应力束筋等工作。当该节段全部施工完成后，由行走系统将挂篮向前移动， 动力可由电动卷扬机牵引产生，包括向前牵引装置和尾索保护装置，行走系统可用轨道 轮或聚四氟乙烯滑板装置。 挂篮的功能是支承梁段模板，调整位置，吊运材料、机具，浇筑混凝土，拆模和在 挂篮上进行张拉工作。挂篮除强度应保证安全可靠外，还要求造价低、节省材料，操作 使用方便，变形小，稳定性好，装、拆、移动灵活和施工速度快等。 对于大跨径p c 连续梁桥而言，由于大部分采用混凝土箱形截面，且混凝土数量较 大，每一梁段的混凝土通常分两次浇筑，即先浇底板混凝土，后浇腹板及顶板混凝土。 9 第二章人跨径p c 连续粱桥的主要施t 方法 当所浇筑的箱梁腹板较高时，也可将腹板内模板改用滑动项升模板，这时可将腹板混凝 土与底板混凝土同时浇筑，待腹板浇筑到设计高度后，再安装顶板钢筋及预应力管道并 浇筑顶板混凝土。有时也可先将腹板预制之后进行安装，再现浇底板与项板，减少现场 浇筑工作量，并减小挂篮承受的一部分施工荷载。但此时应注意由混凝土龄期差而产生 的收缩、徐变内力，否则会对其成桥后的内力状态有一定的影响。 悬臂浇筑施工的周期一般为6 1 0 d ，依节段混凝土的数量和结构的复杂程度而不 同，在悬浇施工中，如何提高混凝土的早期强度对有效缩短施工周期关系较大，这也是 现场浇筑施工法的共性问题。 悬臂浇筑施工可使用少量机具设备，免去设置支架，方便地跨越深谷、大河和交通 量大地道路，施工不受跨径限制，但因施工受力特点，悬臂施工宜在变截面梁中使用， 对于大跨径p c 混凝土梁，大部分为变截面梁，适合悬臂浇筑施工方法地应用，据统计， 1 9 7 2 年后建造地跨度在1 0 0 m 以上的p c 混凝土连续梁桥中，采用悬臂浇筑施工的就占 8 0 以上。由于施工的主要作业都是在挂篮中进行，挂篮可设顶棚和外罩以减少外界气 候影响，便于养护和重复操作，有利于提高效率和保证质量；同时在悬浇过程中还可以 不断调整节段的施工误差，提高施工精度，使得成桥后的桥梁受力状态趋于更合理化。 2 3 2 合拢段的施工 合拢段施工是悬浇施工中的关键，当悬臂较长时，结构恒载和施工荷载将产生较大 的挠度，这些挠曲变形除在各节段施工中不断调整外，合拢时需详细调整。为了控制合 拢段的位置，可在合拢段内设置刚性支撑定位，采用早强水泥、控制合拢温度等措施提 高施工质量。设置刚性支撑锁定措施有：箱梁内外设刚性支撑、# i - n 性支撑与张拉临时 束或仅设内或外刚性支撑等。 合拢段的施工常采用现浇和拼装两种方法。采用拼装合拢，对预制和拼装精度的要 求较高，但工序简单，施工速度快；采用现浇合拢，因在施工过程中受到昼夜温差影响、 现浇混凝土的早期收缩及水化热的影响、已完成梁段混凝土的收缩徐变影响、结构体系 转换及施工荷载等因素的影响，需采取措施以保证合拢段的质量。 ( 1 ) 合拢段长度选择。合拢段长度在满足施工操作要求的前提下，应尽量缩短， 一般采用1 5 - - - - 2 0 m t l 7 1 。 ( 2 ) 合拢温度选择。一般宜在低温时合拢，遇夏季应在晚上合拢，并用草袋等覆 盖，以加强接头混凝土养护，使混凝土早期结硬过程中处于升温受压状态。 1 0 长安大学硕十学位论文 ( 3 ) 合拢段混凝土选择。混凝土中宜加入减水剂、早强剂，以便及早达到设计要 求的强度，及时张拉预应力束筋，防止合拢段混凝土出现裂缝。 ( 4 ) 合拢段采用临时锁定措施。采用劲性型钢或预制的混凝土柱安装在合拢段上 下部作支撑，然后张拉部分预应力钢束，待合拢段混凝土达到要求强度后，张拉其余预 应力束筋，最后拆除临时锁定装置。 ( 5 ) 为保证合拢段施工时混凝土始终处于稳定状态，在浇筑之前各悬臂端应附加 与混凝土自重相等的配重( 或称压重) ，配重需依桥轴线对称施加，按浇筑的混凝土的 自重分级卸载。如采用多跨一次合拢的施工方案，也应先在边跨合拢，同时需通过计算， 进行工艺设计和设备系统的优化组合。 2 3 3 悬臂现浇施工的工艺流程 用挂篮悬臂浇筑施工，除0 号块等少数梁段用托架施工外，其余利用挂篮施工。每 个梁段的混凝土宜一次浇筑，其循环作业工序为：挂篮前移、模板就位加固、钢筋绑扎 及管道安装、混凝土浇筑、混凝土养生、张拉压浆。施工周期一般为一周左右，其施工 工艺流程如图( 2 1 ) 所示。 图2 1 悬臂浇筑施工工艺流程 第一二章犬跨径p c 连续梁桥的主要施t 方法 2 4 悬臂施工的挠度控制要点 桥梁的悬臂施工中，施工挠度计算与控制以及科学合理确定悬臂每一待浇梁段或悬 拼段的预拱度是至关重要。只有预拱度设置合理，才能保证一个跨径内将要合拢的两个 悬臂端可能在同一水平线上，也才能使桥梁上部结构经历施工和运营状态，反复发生向 上或向下的挠度后，在结构运营一定时间后达到设计所期望的标高线形。 2 4 1 悬臂施工中的挠度计算与控制 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影 响挠度的因素相关，这些主要因素包括： ( 1 ) 施工阶段的一期恒载，即梁自身静载和预加应力； ( 2 ) 施工临时荷载； ( 3 ) 悬浇的挂篮和模板机具设备重； ( 4 ) 悬拼的缆索机具设备重； ( 5 ) 人群荷载、大自然的温度变化、湿度变化、风荷载； ( 6 ) 桥墩变位、基础沉降、施工误差等。 这些主要影响因素中，还有许多模糊不定及随机变化因素的情况，如混凝土材料自 身的弹塑性性能、收缩与徐变变形的性能；各节段施工工期的不定性使混凝土加载龄期的 变化与不规律性；预应力钢束的应力损失的随机性；日照温度使结构内外温度变化的不 均衡等，再加上施工荷载及预应力筋张拉锚固的增多而随机变化，致使精确计算挠度变 形比较困难。为了用理论指导施工的进行，必须按既定施工程序对挠度按弹性和徐变挠 度两部分进行计算和控制。 桥梁悬臂施工时结构的总挠度计算包括短期弹性挠度和已发生的徐变挠度变形，计 算公式为： f = ( 一+ 。+ z ) 【1 + 矽( f ，f ) 】 式中：工一扣除预应力损失后的预加力产生的挠度； 正。一梁段自身静载( 即一期恒载) 产生的下挠度； 六一悬臂施工时的临时施工荷载产生的下挠度； 妒( f ，r ) 一混凝土随龄期增大的徐变系数。 1 2 长安大学硕 = 学位论文 对于桥梁长期荷载作用下的总挠度计算，还必须考虑二期恒载和活载的作用所产生 的挠度，计算公式为： 纛= ( 一+ 正。+ 尼) 1 + 缈( f 。，f ) 】+ 式中：厶一二期恒载作用下产生的挠度； 缈( 乙，f ) 一混凝土的徐变系数终值； 一静活载作用下产生的挠度。 2 4 2 悬臂施工时预拱度的设置 为了克服桥梁悬臂施工引起的结构的短期弹性挠度和长期徐变挠度，保证桥梁在同 一跨内合拢时两悬臂端的标高相差不大，对于悬臂施工的两端应保持平衡并预设上拱 度。一般设置预拱度的曲线和数值，是将施工开始到完工后三年左右时间每一节点的弹 性和徐变总挠度曲线及数值反向设置，即为主桥的理论上拱度曲线。考虑到各个桥梁工 地的温度和湿度环境及桥梁施工方法及时间进度安排的不同，各系数取值不同，并与工 地实际情况不完全相符，还必须依据各个桥梁施工中的实测值对系数项进行修正，并结 合施工实际酌情调整和控制。理论和实践的结合，是设置预拱度抵消挠度的有效方法。 ( 1 ) 悬臂拼装与悬臂浇筑挠度的比较 相对于悬臂拼装施工来说，控制挠度和设置预拱度的方法是与悬臂浇筑施工是相同 的。但是悬拼施工的挠度比同跨长悬浇施工的挠度要小得多，通常情况下为1 2 - - - - 1 3 ， 这主要是因为悬拼前预制梁段己存放一段时间，使混凝土的一些弹性和徐变变形已发生 了一部分。 ( 2 ) 设置预拱度应考虑的因素 除考虑一期恒载、混凝土徐变产生的挠度对设簧预拱度的影响外，当悬臂梁合拢转 换成连续体系以后，还有二期恒载、次内力( - - 次预应力、徐变、收缩及温度影响) 和 1 2 汽车静活载的影响。为了施工的简化，通常可以将这些影响值的总和作为跨中预拱 度的最大值，以两桥墩支点为零点，其余各点可以近似地按二次抛物线进行分配。悬臂 梁施工中预拱度的设置和方法参见表2 1 表中挂篮伸臂的挠曲，可通过调整吊带长度预 先消除。 1 3 第二章大跨径p c 连续梁桥的主要施t 方法 表2 1 悬臂旌工中的预拱度设置内容 阶增( + )施下方法预拱度分 影响冈素 计算方法 段减( ) 悬拼浇注 配 悬一期恒载 + 臂 预加应力 按悬臂 施 施= 设备静载 + 梁逐段叠加值 工 挂篮伸臂挠曲 + 计算 阶 徐变变形 + 段 二期恒载 + 厶 次应力 + 口 拢二次预应力 + 按成桥按二次 后温度 q - 计算跨抛物线 。_ 及 徐变 + 中最大比例分 通 收缩 值 配 车 1 2 汽车荷载 + ( 不计冲击力) 注：表中“+ ”表示预拱向上，“”表示预拱向。卜( 或扣除) 2 5 悬臂浇筑与悬臂拼装的比较 悬臂浇筑法在发展中国家应用较为普遍，其特点是：适应性强；工程造价一般比悬 拼法节省；运输、起吊设备要求低；全部为湿接头，施工质量及其控制易保证；工期较 长、劳动力用量多。悬臂拼装法广泛应用于发达国家，其特点为：工业化生产及机械化 程度高，比悬浇施工速度快：工期短、劳动力用量少；高强混凝土质量容易保证，但接 头处易造成预应力损失，施工控制要求高；工程造价一般比悬浇法高。我国的连续梁式 桥一般采用悬臂浇筑法施工，但也有一些桥梁采用拼装法，如广东佛开高速公路九江大 桥( 主跨1 6 0 m 的连续刚构) 、湖北宜昌夷陵长江大桥( 主跨3 4 8 m 的三塔单索面预应力硷 斜拉桥) 等。 现将两种施工方法比较如下： ( 1 ) 从设计角度看，两种施工方法需要的混凝土与钢筋的材料用量大致相等，成 1 4 长安大学硕士学位论文 桥后受力及结构行为基本相同，主要区别在于施工阶段的内力与变形有所不同。 ( 2 ) 从施工进度方面看，采用预制梁段的施工速度比现浇快得多，上部结构的梁 段预制与桥梁下部工程可平行作业，梁段在预制场提前预制，拼装时仅占用施工周期的 运输吊装定位和穿束张拉等工序。一个梁段的施工周期仅l 1 5 天。而悬浇施工要等到 桥墩建好后才可以进行梁部施工，且梁部施工速度又取决于混凝土的养护时间，每个梁 段的施工周期一周左右。 ( 3 ) 从施工机具设备方面看，悬臂拼装施工需要预制场地和运架梁段设备，一般 需要起重昂机l o o t 以上，因此预制拼装施工对建造多跨长桥较经济；悬臂浇筑施工对特 殊设备投资少，仅需要可反复周转使用的挂篮及1 5 t 以上的吊机即可，因此该法用于建 造不太长的大跨度桥梁较为方便和经济。 ( 4 ) 从施工质量方面看，悬臂拼装施工的梁段质量容易得到保证，但要注意预制 梁段的接头，必须仔细设计和施工，避免出现因环氧树脂或湿接缝处达不到粘结强度而 引起剪切破坏，必须注意梁的整体性。悬臂浇注施工时，梁体的钢筋连续性好，混凝土 的整体性也较好，但是应注意高空作业工作量大、工作面小，要从设计和施工方面考虑 保证节段混凝土的现浇质量。 ( 5 ) 从施工变形控制及稳定性安全的方面看，悬臂拼装的施工变形及稳定性控制 较难，应特别注意保证中间体系的施工稳定性，必须严格控制几何位置，使相邻截面中 因弹性变形、徐变和收缩引起的挠度相协调，以免发生梁体上翘及过大的二次弯矩值。 而悬臂浇注时，对施工中的变形控制较易，可以逐段调整挂篮标高