高墩大跨连续刚构桥施工技术研究报告之二.doc

超高薄壁空心墩外翻内爬模施工技术1前言根据对典型高墩大跨连续刚构桥施工稳定性的研究指出，结构的稳定性计算表明，试验模型实测的失稳临界荷载总是大大低于理论的计算值，这是由于结构不可避免地存在一些几何偏差和缺陷，而几何缺陷对临界荷载的影响很大。本项目具有138m高墩、主跨为160m为一典型的高墩大跨连续刚构，理论分析表明，“T”构在最大悬臂状态下（73m长）时，9#(138m墩高)和8#(130m墩高)墩的稳定特征值较小，稳定安全储备不大，如果高墩的墩身由于施工的原因而出现了偏斜、弯曲等几何缺陷，将会使结构的稳定性大大下降，甚至产生整体失稳的严重后果。在施工中只有严格控制墩身的垂直度，才能使结构的稳定得到根本的保证。葫芦河特大桥位于陕西黄土沟壑地区，由于工程的特殊地理位置，日照温差较大，而且主墩均为薄壁空心墩，受日照温差影响后，墩身不可避免将出现位移。根据计算，日照温差致使混凝土箱形空心墩身发生弯曲变形，使墩顶发生较大位移，138m的高墩位移甚至可达到3cm。温度变化对超高墩混凝土结构的受力与变形影响很大，并随温度的改变而改变。在不同时刻对结构状态进行量测，其结果是不一样的，如果在施工控制中忽略了该项因素，就必然难以得到结构的真实状态数据(与控制理想状态比较)，从而也难以保证控制的有效性。因此，在施工控制中必须考虑日照温差对结构的位移影响。2工程概况葫芦特大桥是黄陵至延安段高速公路上的一座特大型连续刚构梁桥，位于中国西部黄土高坡陕西黄陵县境内，桥梁全长1468m,主桥为90m+3160m+90m共660m五跨曲线连续刚构桥，上、下行分离。主梁为三向预应力连续箱梁结构。主桥桥墩采用双薄壁空心墩，单幅由两个4.0m6.5m薄壁空心墩组成，其中9#墩最高，达138m高。7#和10#墩壁厚0.5m，8#、9#墩壁厚横桥向0.7m，顺桥向1.2m。主桥桥墩7#、8#、9#、10#高度分别为80m、138m、130m、58m。7#墩单幅从基顶起40m高，8#墩单幅从基顶起44m、86m高,9#墩单幅从基顶起46m、92m高设高度为1m的横撑，将两个薄壁空心墩联接成一体。葫芦河特大桥主桥立面图见图2-1所示，箱梁墩顶和跨中断面图如图2-2所示，主墩封顶见图2-3，墩身立面和断面图如图2-4所示。群桩基础，矩形承台。6#墩11#墩7#墩8#墩1300000138008000009#墩10#墩图2-1葫芦河特大桥主桥立面图 图2-2 主梁墩顶及跨中断面主要尺寸图 单位：cm图2-3 葫芦河特大桥墩身封顶图图2-4 9墩墩身立面及断面图 单位：cm3超高薄壁空心墩施工难点3.1稳定性分析根据对138米薄壁空心墩在不同工况下的稳定特征值的分析表明，在主墩施工过程中的稳定特征值足够，表明主桥在墩身施工阶段的稳定性满足要求；但在最大双悬臂状态下的稳定特征值计算表明，当主墩高度超过100m时，虽满足要求，但其稳定特征值较小，墩越高则最大双悬臂状态时结构稳定特征值越小。结构的稳定性试验表明，由于结构模型不可避免的存在一些几何偏差和缺陷，而几何缺陷对于临界荷载的影响是很大的，故一般情况下试验模型实测的失稳临界荷载值总是大大低于理论计算值。由于葫芦河特大桥是一典型的高墩大跨连续刚构桥，在最大双悬臂状态时，8#、9#墩的稳定安全储备不大，如果高墩墩身由于施工原因而出现了偏差、弯曲等几何缺陷，将会使结构的稳定性大大下降甚至产生整体失稳的严重后果。在施工时只有严格控制墩身的垂直度，才能从根本上使结构的稳定性得到保证。3.2日照温差对墩身的位移及应力的影响项目地处中国西部黄土高原，薄壁空心超高墩在施工过程中，太阳辐射强烈，日照温差致使混凝土箱形空心墩身发生弯曲变形，使墩顶发生较大位移，138m的高墩位移甚至可达到3cm。根据计算，温度变化对超高墩混凝土结构的受力与变形影响很大，并随温度的改变而改变。在不同时刻对结构状态进行量测，其结果是不一样的，如果在施工控制中忽略了该项因素，就必然难以得到结构的真实状态数据(与控制理想状态比较)，从而也难以保证控制的有效性。因此，在施工控制中必须考虑日照温差对结构的位移影响。根据对连续晴好及连续阴雨天气的数组观测数据进行分析可知，混凝土空心墩内外壁的最大温度差在20。采用程序计算可得，6月份最大温差应力为1.96MPa，10月份最大温差应力为2.13MPa，都接近C40混凝土强度的轴心抗拉标准值2.60MPa。这种温差应力与其它荷载的组合有可能使混凝土开裂。尤其在墩身的施工过程中，混凝土结构未达到设计强度之前由于日照温差的影响完全可能致使结构开裂，因此，高墩的混凝土养护必须考虑空心墩内外壁温差对结构的影响，并尽可能将此种温差控制在该时刻结构允许的范围内，避免结构的开裂。3.3工期压力项目地处西部，一年的有效施工时间仅个月，且、月为雨季，因此，施工工期非常紧张，而且资金异常紧张，因此桥墩的顺利施工将成为能否按期完成施工任务的关键，高墩模板的施工设计也就成了此桥高墩施工的技术重点。3.4方案选择目前，高墩施工中主要的施工方法有：爬模、滑模及翻模施工等。下面对这三种主要的高墩施工方法进行简要描述并作对比。爬模施工爬模是利用已浇筑的混凝土墩身作为支撑，依靠模板提升爬架，依靠爬架提升模板。它集工作平台、支架、模板于一身，无需提升设备，无需为施工模板搭设工作平台，也不需为模板搭设支架，依靠自身动力交替垂直或斜向爬升和下降。爬模的主要优点是不需要大型起重设备，容易形成作业平台，施工安全。缺点是施工时需要滑轨和大量的预埋件，模板就位相对较慢。滑模施工滑模施工是借助液压千斤顶在支撑杆上按既定的速度进行爬升，模板的下部混凝土滑出随即进行抹光，在滑空的模板内再分层绑扎钢筋、灌注混凝土、提升，然后再循环，直至设计标高。滑模施工能确保结构的整体性，保证工程整体质量，而且施工进度快，省工省时工效高。但滑模结构复杂，设备投入量大，而且工艺要求严格，混凝土质量难以控制，尤其是控制好混凝土的出模强度是滑模施工的关键技术之一，也是确保结构混凝土质量的必要条件。出模强度过低，会使结构混凝土流坠、跑浆、坍塌；出模强度过高时，会使结构混凝土出现拉裂、滑痕、疏松、不密实、不美观等。由于滑升过程中，内外模与已浇筑的混凝土表面有摩擦，势必会造成混凝土表面不光滑，故在模板提升后，出模部分的混凝土表面必须再次收浆压光，易形成表面龟裂纹。高墩的垂直度控制是施工控制中的一项重要内容，对结构的稳定性具有至关重要的意义。而滑模施工中模板易偏扭，且纠偏不易，一次纠正量不宜过大，需逐步调整到位。采用滑模施工时，百米高墩混凝土的养护难度较大，且拆模较早，易造成养护时间不足、墩身内外温差过大，使混凝土开裂等一系列的问题。翻模施工翻模由滑模演变而来，它由3-4节段的大块组合模板、支架和内外工作平台组成。随着各阶段混凝土的灌注，采用液压千斤顶或塔吊为动力提升平台并带动支架使模板不断翻升直至墩顶。翻模施工时，模板可在施工现场进行制作，成本相对较低；模板和内外作业平台可一次安装，并且适用于多种混凝土运输和提升方式，施工速度快，对泵送混凝土施工，能够随模板的上翻同步接长泵送管道，提高了混凝土的灌注速度；能够随时纠正墩身的施工误差，便于模板能够及时清理、修整、刷油，混凝土表面平整光洁；其主要的优点是混凝土外观质量好，方便施工，节省劳动力，施工周期短。另外翻模的分节数可超过三节而爬模的节数一般不宜超过三节。缺点是需要大型起重设备。在本项目中，结合上述因素，由于主墩内壁为直坡，故可考虑采用爬模的施工方法；由于高墩大跨连续刚构施工中，塔吊是必不可少的施工机具，因此，为节约投入，提高塔吊的机械使用效率，经多次多方面的分析研究决定采用以塔吊为提升动力的外翻内爬模板的设计方案。本项施工技术整合了这两项技术的优点, 尤其要特别指出的是该套模板与滑模、爬模等传统结构最大区别在于模板安装好后,只与下层已固节的墩身模板接触,施工荷载对其不发生影响,有效的提高了立模精度,这对控制138米高墩墩身混凝土质量以及墩身的垂直偏位起到了关键性的作用。可流水快速作业,从工艺上实现了整个墩身零施工缝，从根本上确保了墩身的表观及内部质量。4模板的设计及应用4.1设计的总体方案高墩模板设计综合考虑场地、工程质量、桥墩设计、钢筋混凝土施工、起吊设备等多方面的因素，并对国内外高墩施工认真研究，确定采取外翻内爬的模板设计方案。整个模板系统由外模、内模及内井架和其他辅助设备组成。外模分为四节，每节2m，桁架结构，一次架立好，生根节2m，附着于已浇筑完的混凝土上，翻升由底节依次往上翻升。内井架设计成一整体，整体提升，高度由一次浇筑混凝土的高度控制， 考虑到新旧混凝土的结合，内模高6.6m，底节0.6m，附着于老的达到一定强度的混凝土上。内井架用于支撑内模板，因钢筋绑扎的需要（竖向主筋9m），因此需在内井架上设工作平台，供施工人员作业使用，内井架高设计为10.5m。4.2外模结构考虑到拉杆布置及模板整体的受力效果，每节外模由8块组成，即四块定型平板模和四块角模块组成。模板横、竖缝均采用企口方式拼接，外模板面板采用鞍钢=6mm钢板，竖筋用8槽钢，横向拉杆位置设12双槽钢（注意横纵拉杆上下错位）。分块模板接口采用L80808mm钢板式法兰连接。为安全方便施工，每节段水平桁架两道，上50cm、下50cm各一道；550cm200cm模板设竖向桁架4道，250cm200cm模板设竖向桁架3道，在设计过程中为节省材料模板围带与桁架考虑共同受力；角模做成角隅结构。分层竖向桁架对齐并注意错开拉杆孔位。外模的规格及数量： 550200cm平模 2块；250200cm平模 2块；7550200cm角模 4块；模板主要构件的计算：面板的选用主要是根据以往的工程实际用6mm热扎钢板。竖向背楞间距及选用规格是依据桥梁施工计算手册进行荷载组合验算，横向围带及桁架的设计是根据围带和桁架变形协调来选材验算的，桁架的高度为60cm主要是考虑施工安全方便。为了减少拉杆数量在墩身6.5m方向每层设三道，4m方向每层两道尺寸如图2-6、2-7，横向围带和桁架联合结构的计算简图2-5为多跨连续梁。在计算围带和桁架变形协调受力时，围带和桁架的分配系数是按照惯性矩进行的，考虑桁架与围带之间为焊接，为安全起见在计算围带和桁架的分配系数时，未计算斜杆惯性矩的影响。图2-5 计算简图1、2-法兰L80808； 3-竖肋8； 4-围带12； 5-面板； 6-斜撑角钢L63636； 7-法兰板10230120； 8-边桁架L63636； 9-边桁架 L63636； 10-横连角钢L63636；11-操作平台A3;图2-6 550200cm面模 (单位：cm)图2-7 外模组装图4.3内模及内井架内井架与内模整体提升就位后，内、外模同步固定，考虑到内模作业空间小，且拆除时无落点存放，只能随着墩身的施工不断提升，受塔吊起重能力的限制，经精确计算各项荷载，制作时弱化其结构，与内井字架构成可拆分的整体结构。9#内模整体控制高度为6.6m，顶节和中间节为2m、底节高2.6m。底节段0.6m固定在终凝混凝土上如图2-8。内模钢板厚=4mm，避开拉杆位置设脱模机构，脱模后内模板与井架的联系以倒链受力为主，脱模机构为辅。井字架采用型钢和角钢组合焊接,加斜撑形成矩形井架结构，底部设基座与墩身内部终凝混凝土预埋套筒,采用三角钢架牛腿的方式生根。井字架水平支撑层距2m以便模板装拆,从整体迅速提升的角度出发,原则上内模和井字架总重量控制在8T以内,可对井字架进行适当的弱化设计。在内井字架上搭设方木，方木上铺木板，木板上铺2mm钢板，形成内侧施工平台，进行钢筋、混凝土、模板作业。a：内井架组装图b：内井架生根图图2-8 内井架图内模按普通模板拼装设计，考虑到方便拆模按照模板的拆装顺序模板接缝设成企口缝。详见图2-9。1-面板4mm； 2-法兰 角钢L63636； 3-纵筋6.3； 4-法兰板8mm； 5-加强筋板10mm；6-连接销儿； 7-固定套及加强筋A3。图2-9 内模角模板在7#、10#内模设计中，由于混凝土壁厚仅为50cm，不便于振捣及下料，在内侧模上开窗。详见图2-10。1-面板4mm； 2-法兰角钢L63636； 3-纵筋6.3； 4-背带10； 5-法兰板8mm； 6-连接板8mm； 7-加强筋板10mm； 8-连接销儿；图2-10 190cm260cm内模 (单位：cm)4.4模板的固定拉杆的层距选择1m，拉杆孔垂直位置设在每节段2m高模板的上50cm和下50cm处;平面每层设顺桥向三道，设计通气孔位全部为拉杆位置，不再另行留设，薄壁内设钢筋撑,非通气孔位置的拉杆洞在拆模时及时堵好，横桥向两道，考虑到拆装和重复利用，每根拉杆均加PVC外套，拉杆采用20圆钢。井字架上设脱模机构，脱模机构为正反丝结构形式，方便拆装，有效缩短工序循环时间（模板拉杆布置见图2-11）。每一节段纵向定型模、角模及层间均在桁架上用螺栓联接成一个整体。生根节2m内、外模分别用套筒与主桥墩身钢筋连接，以消除外模翻升时的不安全隐患。图2-11 模板拉杆布置图 (单位：cm)4.5工作平台外工作平台：在外部桁架上附着比较灵巧的人行平台，宽度60cm，以能行走和进行简单操作为原则，同时起到安全防护的作用。在顶面沿周边设立防护栏杆，栏杆外侧至模板底部设封闭安全网。施工平台上面铺设5cm厚木板或2mm厚钢板网，供操作人员作业、行走，存放小型机具,整修外模板。内工作平台：负责钢筋接长、绑孔，临时存放小型机具和周转性材料，混凝土施工。由于9#墩每个循环井字架生根考虑0.5m高，未拆除内模板高度6.6m,下一循环钢筋绑扎和模板架立需不小于3.4m的工作平台，井字架的高度不小于10.5m，否则无法进行钢筋制安、架立模板和混凝土灌注等工序。4.6模板的翻升作业9#主墩每次混凝土灌注6m高为一个作业循环，外模为翻模，内模与内井架整体提升。外模分A、B、C、D四节大块组合模板，节高2m。施工时根据基顶中心放出立模边线，立模边线外用砂浆找平，找平层用水平尺分段抄平，待砂浆硬化后先立A节，由下至上依次为A、B、C、D节段模板（如图2-12）。当第D节段混凝土强度达到3Mpa，A段混凝土强度达到10Mpa时，拆除A节段模板，此时荷载由已硬化的墩身混凝土传至基顶。利用塔式起重机、人工辅助将A节段模板翻升至D节上面，依次循环形成拆模，翻升，组拼,钢筋长接绑扎,提升内模与井架,泵送管道接长，灌注混凝土，养生和墩身十字线测量定位、标高测量的不间断作业，直至达到设计高度。翻模施工见图2-13，模板由下至上排列为第一循环ABCD、第二循环DABC、第三循环CDAB、第四循环BCDA。图2-12 外模的翻升示意图图2-13 翻模施工4.7辅助设备主要辅助设备有：电梯与塔吊。主桥四个墩各设一部塔式吊机，一部施工电梯。塔吊设在主桥墩身左右幅之间，并尽量避开结构物的重要部位，减小施工干扰，墩身施工时，每22m预埋金属杆件，用于塔吊附着杆与墩身连接。塔吊用于内模内井架的整体提升，材料、小型机具、模板、钢筋等的垂直运输，由于内模和井架的总重9T，因此选用5023型塔吊，在17m作业半径均能起吊10T。施工电梯设在桥墩一侧便于悬灌时施工人员直接到达桥面。塔吊基础与承台施工同步进行（平面位置见图2-14）。(9#承台墩身平面示意图)图2-14 墩身结构尺寸及塔吊布置图 (单位：cm)5超高薄壁空心墩垂直度及施工裂缝控制5.1超高薄壁空心墩垂直度控制5.1.1垂直度控制薄壁空心高墩施工中，由于垂直度对于结构在最大双悬臂状态下的稳定性具有至关重要的意义，因此，必须对此进行控制，防止结构出现失稳。在已施工的承台上，利用全站仪定位，保证墩柱初始定位准确，然后绑扎钢筋、立模，进行混凝土的浇筑。在模板翻升定位的施工中，采用激光铅锤仪对模板的垂直定位进行校核、检测，随时对模板产生的偏位进行纠正，确保墩身的垂直度和中线偏差不积累，定期对主墩中心位置进行复核，确保轴线不偏位。5.1.2主墩墩顶日照温差效应位移置于自然环境中的混凝土结构，长期受到自然界气温的变化和日照辐射等强烈作用。由于混凝土结构物的热传导性能差，其周围环境气温以及日照辐射作用将使结构表面温度迅速上升或降低，但结构的内部温度仍处于原来状态，于是在混凝土结构中形成较大的温度梯度，使混凝土结构的各部分处于不同温度状态。通常在日照作用下，薄壁空心柔性高墩的向阳壁板的表面温度因太阳辐射而显著升高，而背阳面壁板只是随着气温缓慢升高，待向阳面壁板表面温度达到最高温度时，由于混凝土热传导性能很差，使得薄壁空心柔性高墩内表面温度比向阳面壁板低得多，而与墩内气温相接近。此时会产生很大的温度变形。由于项目地处西部地区，太阳辐射强烈，日照温差致使混凝土箱形柔性高墩发生弯曲变形，使墩顶发生较大位移，138m的高墩位移甚至可达到3cm。根据计算，温度变化对超高墩混凝土结构的受力与变形影响很大，并随温度的改变而改变。在不同时刻对结构状态进行量测，其结果是不一样的，如果在施工控制中忽略了该项因素，就必然难以得到结构的真实状态数据(与控制理想状态比较)，从而也难以保证控制的有效性。因此，在墩身的垂直度施工控制中必须考虑日照温差对墩顶的位移影响。由于墩身受日照温差的影响，墩顶产生位移对模板的垂直度检测结果势必产生干扰，而墩身的垂直度控制非常严格，规范要求：垂直度允许偏差不大于20mm，轴线偏位为10mm。而且，主梁与主墩属于刚接的结构形式，主梁底宽与墩柱横桥向同宽，因此，若不对墩身的垂直度检测结果进行日照温差的修正，一方面墩柱的垂直度和轴线偏位将超出规范允许的范围，另一方面，将对主梁的线型控制精度产生影响；偏位不断累加，势必对结构在最大双悬臂状态下的稳定性产生严重威胁。根据现场的实际墩顶位移观测和薄壁空心高墩内外温差量测结果表明，一般在早8点前，薄壁空心高墩的内外温差较小，且墩柱越高温差越大其偏移量也越大。因而此时刻墩顶位移受日照温差的影响较小，可不考虑该时刻的墩顶日照温差的影响，此时可以采用激光铅锤仪进行检测，并用其观测结果直接校正模板。因此，在施工中，我们根据施工的实际需要，选择合适的时间段进行观测。一般可选择在早8点前进行模板的定位检测。实际施工中，由于工期较为紧张，可按既有的施工观测经验或程序计算的结果，考虑此时刻日照温差的影响及墩柱施工的实际高度对墩顶的位移影响值，先行进行模板的初步定位，并进行钢筋的绑扎等施工，在合适的时间段再对模板的定位进行仔细的检查，对偏位进行修正。根据我们现场的实际施工经验，采取上述方法进行模板校正，经过与在合适时间段检测结果对比，一般均能满足施工需要，只需对模板进行微调即可满足规范和结构稳定性的需要。采用该施工方法，既保证了垂直度的要求，也满足了实际施工工期的需要。5.2超高薄壁空心墩混凝土表面裂缝控制由上述分析可知，混凝土薄壁空心柔性高墩在温差的作用下，薄壁空心柔性高墩内表面温度比向阳面壁板低得多，而与墩内气温相接近。此时会产生很大的温度变形。由此产生的温度变形当被结构的内外约束阻碍时会产生相当大的温差应力。根据连续晴好及连续阴雨天气的数组观测数据进行分析可知，混凝土空心墩内外壁的最大温度差在20。根据程序计算可知，6月份最大温差应力为1.961MPa，10月份最大温差应力为2.134MPa，都接近C40混凝土强度的轴心抗拉标准值2.60MPa。这种温差应力与其它荷载的组合有可能使混凝土开裂。尤其在墩身的施工过程中，混凝土结构未达到设计强度之前由于日照温差的影响完全可能致使结构开裂，因此，高墩的混凝土养护必须考虑空心墩内外壁温差对结构的影响，并尽可能将此种温差控制在该时刻结构允许的范围内，避免结构的开裂。实际施工中，我们在主墩表面布置钢筋6钢筋网片作为防裂钢筋网，减轻混凝土的收缩程度，提高混凝土极限拉伸值，加强墩身的抗裂性能。另一方面，为尽可能的降低墩身内外温差应力的影响，最根本的措施是在混凝土浇筑前，对主墩的内外模板进行浇水降温，并对新旧混凝土结合面进行浇水，一方面可以降低温差，另一方面可以加强墩身新老混凝土的结合性能。根据现场实际观测，一般日照温差影响较大的时间段为每天的早8点后至晚9点前后，在该时间段时，必须加强未到强度的墩身混凝土的养护，尤其要注意刚浇筑完成已经初凝尚未终凝的混凝土的养护，防止结构在此时开裂，对结构的耐久性产生影响。6结论在本项目的实施过程中，充分考虑了项目的实际地理地形位置，对薄壁空心柔性高墩施工的难度作了充分的分析，综合考虑上部结构的施工特点，主墩采用了外翻内爬模板施工技术；并对日照温差对混凝土薄壁空心柔性高墩的影响进行了分析计算，并在实际施工控制中予以采用，取得了较好的效果。施工中结合各方面因素综合研究后确定采用的百米薄壁空心高墩外翻内爬模施工技术，在葫芦河特大桥的施工实践中得到了很好的应用，取得了较好的施工效果。主墩模板采用外翻内爬的整体设