高墩大跨连续刚构桥施工技术研究总报告

超高墩大跨预应力混凝土曲线超高墩大跨预应力混凝土曲线 连续刚构桥综合施工技术连续刚构桥综合施工技术 1 前言前言 葫芦河特大桥是黄延高速公路上的一座特大连续刚构箱梁桥 位于陕西黄土高 原南部黄陵县境内 是西部大通道包头 西安 重庆 北海段在陕西境内的重要组 成部分 连接中华民族的始祖发源地陕西省黄陵县及革命胜地延安 大桥主墩最高 达 138m 主桥为 90m 3 160m 90m 共 660m 五跨连续刚构 施工中在墩身质量及 梁体的线型控制等方面可借鉴的施工经验稀少 为此 中铁十六局集团以 超高墩 大跨径预应力混凝土曲线连续刚桥施工技术 为课题 成立了科研攻关小组 进行 工程研究 研究的主导思想是 立足国内现有的施工技术 机械设备和工程材料 进行施工技术的综合研究 中铁十六局集团的有关人员会同陕西省高速公路建设集团公司及设计院等单位 从 2003 年 7 月至 2006 年 9 月组织科研攻关 在刚构桥施工的关键技术上 如 大 体积混凝土温度控制 超高墩外翻内爬模施工技术 超高墩大跨曲线连续刚构箱梁 线型控制 高墩边跨直线段无配重现浇施工等 解决了施工难题 有力地保障了工 程施工的顺利进行 大桥于 2006 年 9 月 30 日建成通车 达到了优质 高效 安全 的总目标 得到了监理单位 建设单位的肯定 大桥的修建成功 为以后同类工程 的修建提供了可贵的经验 具有重要的参考价值 2 工程概况及特点工程概况及特点 2 12 1 工程概况工程概况 葫芦河特大桥为双向四车道 设计标准为汽车超 20 挂车 120 设计时速 80km h 桥面净宽为 2 净 10 75m 0 5m 防护栏 2 0m 分隔带 投资总额 14110 万元 大桥全长 1468m 主桥为 90m 3 160m 90m 预应力混凝土连续箱梁刚构 引 桥分别是 黄陵岸为 6 50m 预应力混凝土连续 T 梁 延安岸为 10 50m 预应力混 凝土连续 T 梁 全桥平面位于 R 2500m 的 S 型曲线上 纵面位于 R 20000m 的凹 型竖曲线上 2 1 12 1 1 桥址区自然地理概况桥址区自然地理概况 葫芦河特大桥位于黄陵县阿党镇西龚家塬村南约 2 0km 处 桥位处河道顺直 水流基本畅通 河底断面规则 呈 U 型 沟顶距河底约 190m 沟底宽约 300m 水 面宽 20m 桥位处 Q1 300 511m3 s H1 300 814 96m V1 300 2 11m s 桥址位于葫芦河下游 位于黄土高塬的沟壑地貌区 谷底较宽阔 分布有一级阶地 二级阶地 设计地震基本烈度为 6 度 桥位区两岸斜坡上部黄土属 III 级自重湿陷性 黄土 层厚约 12m 桥址区地处内陆 受西伯利亚寒流侵袭 兼之地型复杂 台塬 沟壑 丘陵起 伏不平 构成气候多变 极端最高气温 36 5 极端最低气温 21 4 最大风速 22m s 最大积雪深度为 20cm 最大冻土深度为 69cm 雨季在每年的 6 10 月 多 年平均降雨量为 390mm 700mm 2 1 22 1 2 主桥设计要点主桥设计要点 主桥桩基为直径 2m 嵌岩桩 引桥为直径 1 5m 摩擦桩 主桥桥墩 7 8 9 10 为双薄壁空心墩 墩高分别为 80m 130m 138m 和 58m 引桥墩 高在 20m 至 55m 范围内为薄壁空心墩 墩高在 20m 以下为双柱式实心方墩 见大桥实景图 葫芦河特大桥实景图 主桥上部结构由上 下行的两个单箱单室变截面箱梁断面组成 箱梁根部高度 9 0m 跨中梁高 3 5m 其间梁高按二次抛物线变化 箱梁顶板宽 12 0m 底板宽 6 5m 腹板分别为 0 4m 0 6m 桥墩顶部范围内箱梁顶板厚 0 5m 底板厚 1 3m 腹板厚 0 8m 除桥墩顶部箱梁内设 4 道横隔板外 其余均不设横隔板 主 墩采用 C40 混凝土 主梁采用 C50 混凝土 主桥两幅连续刚构箱梁采用挂篮悬臂浇筑法施工 T 构箱梁除墩顶 0 块件外 其余分 20 块对称梁段 即 6 3 0m 6 3 5m 4 4 0m 4 4 5m 进行对称悬臂浇 筑 桥墩顶上 0 块长 12m 中孔合拢段长 2 0m 原设计为 边孔现浇段长 8 9m 合拢段长 2 0m 考虑支架现浇难度 安全 项目投入和施工进度 变更为 调整为 通过配重浇注边跨 21 块段 4 5m 长 并调整合拢顺序 即先中跨再次边跨合拢 最后浇筑边跨合拢段 1 2m 全桥合拢 梁段悬臂浇筑最大块件重量 163 0t 挂 篮自重按 80 0t 考虑 挂篮与梁段悬臂浇筑块件重量比控制在 0 5 以内 主梁采用纵 横 竖向三向预应力体系 竖向预应力采用 32l粗钢筋 标准强 度为 750MPa 采用 YGM 锚具 设计张拉力为 540kN 纵 横向预应力采用 j15 24 高强度低松弛钢绞线 标准强度为 1860MPa 设计张拉应力均为 1395MPa 其中主桥顶板预应力钢束采用 OVM15 19 锚固体系 底板采用 OVM15 16 锚固体系 横向除墩顶箱梁内 4 道横隔板为 BM15 5 锚固体系外 其余均采用 BM15 3 锚固体系 全桥双幅纵向钢束共计 884 束 其中 T 构施工阶段纵向钢束为 624 束 体系 转换时张拉 260 束 全桥横向钢束为 1796 束 竖向预应力钢束为 8420 根 2 1 32 1 3 支座构造支座构造 在边跨处采用 KG GPZ5000 型桥梁盆式支座 每半幅边跨支点处设置两个该类 型支座 2 22 2 施工特点施工特点 2 2 12 2 1 大体积承台混凝土冬季防裂施工大体积承台混凝土冬季防裂施工 主墩承台混凝土体积巨大 其中以 8 9 墩承台体积最大 其尺寸为 18 5m 11 5m 4m 长 宽 高 一次浇筑混凝土最大体积为 851m3 而根据工 期安排承台需在冬季完成施工 对于大体积混凝土施工阶段来讲 裂缝是由于混凝 土内外存在温差 因温度变化而引起的 由于混凝土温度变化产生变形受到混凝土 内部和外部的约束影响 产生较大应力 尤其是拉应力 是导致混凝土产生裂缝的 主要原因 为避免混凝土出现裂缝 不影响结构的受力和正常的使用 必须采取可 靠措施防止内外出现过大温差 对混凝土温度变化加以控制 严格控制裂缝出现 工程地处黄土地区 连续刚构对地基沉降有着严格的要求 过大的沉降将会引起结 构内力的变化 并危害结构本身 设计要求混凝土的浇注必须一次性完成 如此大 体积的混凝土 产生的水化热非常之大 在冬季施工 给混凝土内外温差的控制增 加了相当的难度 2 2 22 2 2 双薄壁空心超高墩施工双薄壁空心超高墩施工 主桥桥墩为双薄壁空心墩 7 8 9 10 墩墩高分别为 80m 130m 138m 和 58m 由于桥墩较高 对桥墩的垂直度和偏位要求很高 对主墩的内外模板设计 混凝土的浇注及养护 均有很大的难度 根据有关的文献资料记载 如此高墩在最大悬臂状态下 73m 长 时 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 本项目为一典型的连续刚构 理论分析表明 最大悬臂状态下的 9 和 8 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 本项目位于黄土沟壑地区 由于项目的特殊地理位置 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 高墩墩 顶位移甚至可达到 3cm 左右 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 左右 从混凝土空心墩温差应力数据分析可知 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 2 2 32 2 3 超高墩大跨悬灌线型控制施工超高墩大跨悬灌线型控制施工 由于墩高跨大 悬臂浇注时梁段的变形较大 且受日照温差 温度 预应力 临时荷载及混凝土的强度 弹性模量的影响 各节段的预抛值控制难度较大 线型 控制的合拢精度要求高 横桥向为 5mm 竖桥向为 10mm 梁段的合拢施工技术较 为复杂 成桥后的线型及应力状态必须与设计相吻合 由于受混凝土的徐变影响 通车后跨中的挠度下沉较多 影响通车后的结构线型及使用 故必须采取可靠措施 使得各 T 构在形成体系之前尽可能减少混凝土徐变对梁体带来的影响 本项目位于黄土沟壑地区 且为超高墩大跨径的曲线连续刚构桥梁 由于项目 的特殊地理位置 日照温差较大 而且主墩均为薄壁空心墩 主梁为箱梁 均为箱 型结构 受日照温差影响后 墩身和悬臂箱梁不可避免将出现位移 而且这两种位 移相互叠加后对最大悬臂状态下结构本身的安全和悬臂挂篮施工的线型控制将产生 不可预料的影响 因此在施工过程中必须给予足够重视 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 2 2 42 2 4 湿陷性黄土地基高边墩边跨现浇段施工湿陷性黄土地基高边墩边跨现浇段施工 边跨现浇段的施工难度较大 边墩距地面高度分别为 58 36m 现浇段的长度 为 8 9m 边跨合拢段的长度为 2m 该部分混凝土的体积为 108 35m3 边墩的断面 分别为 6 墩断面 4 6 5m 11 墩断面为 3 6 5m 均为薄壁空心墩 若采用墩身 预埋托架现浇 则由于弯矩大必须在墩身另一面逐级按浇筑混凝土的施工重量加载 配重以平衡该弯矩 且托架的强度必须足够 若采用落地支架施工 地基上部黄土 属 III 级自重湿陷性黄土 层厚约 12m 由于边墩高度较高及边跨现浇段长度太长 支架的材料投入和地基处理均较大 且支架的弹性与非弹性的变形难以控制 边跨 现浇段的施工难度较大 考虑到上述因素 因此 无论采用托架或落地支架的施工方案 均必须对此方 案作深入的研究 采取可靠 经济的施工技术措施予以解决 2 32 3 国内研究现状国内研究现状 随着高速交通的迅速发展 要求行车平顺舒适 多伸缩缝的 T 型刚构也不能很 好满足要求 因此连续梁得到了迅速的发展 悬臂施工时 梁墩临时固结 合拢后 梁墩处改设支座 转换体系而成连续梁 连续梁除两端外其他无伸缩缝 有利于行 车 但需梁墩临时固结和转换体系 同时需设大 t 位盆式支座 费用高 养护工作 量大 于是连续刚构应运而生 近年来得到较快的发展 其结构特点是梁体连续 梁墩固结 既保持了连续梁无伸缩缝 行车平顺的优点 又保持了 T 型刚构不设支 座 不需转换体系的优点 方便施工 且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度 能满足特大跨径桥梁的受力要求 大跨径预应力连续刚构桥由于其具有大跨 高墩 的能力 且施工中省料 省工 省时 近年来 这种桥型已获得愈来愈广泛的重视 随着交通事业的发展 线路指标不断提高 中西部地区特有的地势 地貌决定了必 将修建大量的高墩大跨连续刚构桥梁 而且 随着设计 施工 监控技术的日益进 步 高墩大跨连续刚构桥向着更高墩 更大跨的方向发展 2 3 12 3 1 国内公路桥梁中建成的墩高在 138m 以上 主跨为 160m 的薄壁柔性高墩大跨 预应力混凝土连续刚构桥尚未见报导 详见查新报告 2 3 22 3 2 高墩的日照温差空间扭曲对薄壁空心高墩的垂直度控制影响 空心薄壁墩内 外日照温差应力对墩柱的防裂控制影响等因日照温差的地区 地形及桥型布置的差 异性缺乏可以采用的现成技术资料 需要在实际施工中加以研究 2 3 32 3 3 高墩的日照温差空间扭曲 日照温差对大悬臂箱梁空间扭曲等方面对主结构 线型控制影响的复杂问题没有现成的技术资料可以遵循 有待探索 研究 2 3 42 3 4 在落地支架上浇筑边跨现浇段及合拢段 合拢边跨 这是在大多数连续刚构 桥上采用的方法 在高墩的情况下 落地支架费材费力 如果支架搭在水中或地质 地形条件特殊时 难度更大 需探索不用落地支架的途径 这是连续刚构桥发展的 必然趋势 依托葫芦河特大桥工程 开展对超高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构桥的系 统研究 可以为今后类似桥梁的设计 施工 监控提供宝贵的施工经验 并将对大 跨径桥梁的发展及整个西北黄土沟壑地区选择合理的桥型有现实意义 对促进高等 级公路在西北地区乃至整个中西部地区的发展有重要意义 3 3 主要施工方法及技术成果主要施工方法及技术成果 3 13 1 主要施工方法主要施工方法 根据施工的实际地形地质情况 结合超高墩大跨预应力混凝土连续刚构的施工 特点 主要采取了以下一些施工方法 1 1 桩基采用挖孔和钻孔相结合的施工技术 混凝土浇筑采用搅拌站拌制 输送车运 送至工作面 按水下混凝土施工要求进行灌注 2 2 主墩大体积承台冬季混凝土施工技术 通过优化施工配合比 掺入一定量的粉煤 灰代替水泥 降低混凝土的水化热 浇筑混凝土时分层厚度控制在 25 30cm 左右 混凝土入模温度控制在 5 左右 施工中在承台内部布置冷却水管和测温点 通过 冷却水的循环结合测温点的温度测量 及时调整冷却水的流量 精确控制混凝土内 外温差 并采用暖棚养护 严格控制施工裂缝的产生 3 3 四个主墩高度分别为 80m 130m 138m 和 58m 采用超高墩外翻内爬模施工技 术 主墩墩柱的主筋连接采用等强直罗纹连接套筒技术 既加快了施工进度 又确 保了工程的施工质量 节约了人工和材料 4 4 主梁为 90m 3 160m 90m 的连续刚构 0 块采用在墩顶预埋托架现浇的施工方 法进行 为提高模板利用效率 将高墩外模改为 0 块外模使用 在布置 0 块外模时 考虑将两端靠近 1 节段的侧模长度定为 4 8m 长 拼装挂篮后 穿入外滑梁前移作 为挂篮的侧模使用 单幅桥 5 跨连续刚构在 4 个主墩上按 T 构用挂篮分段对称悬 臂浇筑 1 20 节段 为缩短边跨现浇段的长度 在边跨处采用挂篮不平衡悬臂浇筑 21 节段 跨中合拢段在吊架上现浇 边跨现浇段在墩身预埋托架上浇筑 5 5 全桥合拢顺序为 中跨 次边跨 边跨 边跨和中跨合拢段采用体内劲性骨架锁 定和张拉临时束的方案 次边跨合拢段采用体内劲性骨架锁定和张拉临时束及顶推 方案 确保成桥后的线形 锁定锁定 合拢段劲性骨架预埋在 20 段 边跨处为 21 段 底腹板处共有四处 预埋长度 为 100cm 外露长度为 25cm 合拢段施工时 在合拢段底模铺设完毕 侧模滑移就 位后 将一侧预埋的劲性骨架与合拢段的劲性骨架相焊接 另一侧的劲性骨架不焊 接保持自由伸缩 合拢段劲性骨架焊接选取一天中温度合适的时间段 将合拢段的 劲性骨架与预埋的劲性骨架焊接锁定 锁定后 对合拢段 D1 D2束 边跨处为 B1 B2束 进行临时张拉 张拉力为 50 k 顶推顶推 各主墩的高度均较高 由于合拢段混凝土浇筑等强后 要进行合拢段的底板束 的张拉施工 而张拉后跨中梁段混凝土势必受到压缩 且次边跨的主墩 7 10 墩 墩顶将受到由于张拉底板束而形成的水平拉力 次边跨主墩将向跨中方向倾斜 为 平衡此力并在主桥合拢后保证墩身的垂直 防止墩柱产生过大的不平衡力矩 必须 在次边跨进行顶推 次边跨合拢段锁定前 采用两台 YDC400t 千斤顶对次边跨两端的梁段进行顶推 顶推位置布置在箱梁顶 腹板的交接处 将合拢段顶开 每台千斤顶的顶推力为 90t 顶推完成后 按中跨及边跨施工程序进行劲性骨架的焊接和临时束的张拉施工 顶推中 按照每级 10t 加载进行 顶推前 对合拢段的距离进行测量 并记录 初值 顶推过程中 每级加载完成后 对合拢段的距离进行量测 顶推施工中 7 8 墩次边跨和 9 10 墩次边跨应分级对称进行 浇筑混凝土时间的选择浇筑混凝土时间的选择 在合拢段施工前 7 天 对主桥合拢段施工处的温度进行监控 选择合适温度锁 定 低温浇筑合拢段混凝土 通过观测 主桥左幅中跨 次边跨选择在一天中温度 较高时进行 15 00 17 00 时 主桥左幅中跨 次边跨合拢时间为 2005 年 11 月 12 月 主桥右幅及左幅边跨合拢段的施工时间选择在一天中温度较低时进行 1 00 5 00 时 主桥右幅及左幅边跨合拢段的施工时间为 2006 年 4 月 5 月 体系转换体系转换 体系转换与中跨 次边跨及边跨的合拢同步进行 施工程序如下 中跨合拢并张拉完 D1 D9束预应力钢束后 形成 形刚构 然后同时进行 次边跨合拢段的施工 张拉完次边跨 D1 D9束预应力钢束 形成 形刚构 然后同时进行边跨的合拢段的施工 张拉完边跨 B1 B7束预应力钢束后 进行次边跨 D10 D17束预应力钢束的张拉 然后进行中跨 D10 D17束预应力钢束的张拉 至此 全 桥由各单 T 静定结构形成连续的超静定结构 全桥完成体系转换 3 1 63 1 6 在四个主墩配置了 4 个塔吊 一方面可作为外翻内爬模板的提升动力 另外 可作为墩身施工中钢筋等材料的吊装使用 T 构施工中可作为预埋件 模板 钢 筋 预应力筋等材料的吊装使用 并可作为挂篮的吊装 拼装来使用 此外 输送 泵的泵管也可沿塔吊竖向布置至墩顶 并为墩柱 7 8 9 三个主墩配备了电梯 电梯可作为工人上下班使用 也可垂直运送小型机具 10 墩采用在左 右幅墩柱间 搭设钢管脚手架 布设马道的方式以便于工人上下班 7 7 主墩混凝土的浇筑及 0 块 T 构各块段 边跨现浇段的混凝土浇筑均采用搅拌 站拌制 混凝土输送车运送至墩底 输送泵泵送至浇筑工作面的方法施工 3 23 2 主要技术成果主要技术成果 3 2 13 2 1 大体积承台混凝土冬季施工技术大体积承台混凝土冬季施工技术 主墩承台体积较大 8 9 墩承台体积为 851m3 设计要求一次性浇筑完成 而且承台不得产生裂缝 对于大体积混凝土施工阶段来讲 裂缝是由于混凝土温度 变形而引起的 而在冬季进行施工时 由于外界气温的下降 混凝土内外温差有可 能加大 由于混凝土温度变化产生的变形受到混凝土内部和外部的约束影响 产生 较大拉应力 是导致混凝土产生裂缝的主要原因 为确保混凝土浇注过程中不出现裂缝 必须采取可靠措施 一是从原材料着手 通过优化混凝土的配合比 采用低水化热的水泥和掺入一定量的粉煤灰 降低混凝 土产生的水化热 二是通过在承台混凝土结构内部埋设冷却水管和测温点 通过冷 却水循环 降低混凝土内部温度 减小内表温差 控制混凝土内外温差小于 25 通过测温点测量 掌握内部各测点温度变化 以便及时调整冷却水的流量 精确控 制温差 三是因在冬季施工 项目所在地区气温较低 极端最低气温 21 4 且早 晚温差较大 因此 必须加强混凝土外部的保温措施 确保混凝土的内外温差小于 25 并防止混凝土因外部温度过低引起表面被冻裂 四是控制混凝土的入模温度 在 5 左右 以降低混凝土本身的水化绝对热 通过在葫芦河特大桥 8 9 墩的承台施工中 我们总结认为 在大体积混凝土 施工中确定混凝土浇筑分层厚度较为重要 一般宜为 25 30cm 控制混凝土的入模 温度在 5 左右 在混凝土内部分层埋设 32mm 的冷却水管 根据监测情况调整水 温及流量 水流量一般应大于 18L min 因冬期施工 在混凝土表面覆盖薄膜及棉 被 外部搭设保温暖棚 探索出了采用合理布置冷却水管和测温点 控制混凝土的 内外温差的有效方法 确保施工质量 保证混凝土不开裂 采用矿渣硅酸盐水泥 掺入粉煤灰及高效减水剂 等量替代水泥用量 既有效地降低了混凝土水化绝对热 量 又节约了水泥的用量 承台混凝土施工后 经检验没有发现温度裂缝 证明所采用的施工方法与降温 监测措施是行之有效的 3 2 23 2 2 超高墩外翻内爬模设计及垂直度及防裂施工控制超高墩外翻内爬模设计及垂直度及防裂施工控制 主桥桥墩为双薄壁空心墩 主梁与墩身采用刚接的结构形式 鉴于超高墩的垂 直度对于大悬臂状态下 T 构的稳定性具有非常重要的意义 因此必须保证墩身的 垂直度和定位的准确 主桥高墩是否能快速 安全和高精准的施工将成为葫芦河特 大桥能否按期完成施工任务的关键 四个主墩高度分别为 80m 130m 138m 和 58m 为保证快速 高效 优质的 进行施工 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 组装成一整体 利用塔吊整体同步提升 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 附着于已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 由于高墩施工中的垂直度控制及混凝土外观质量的高要求 因此 在设计模板 时必须考虑模板的整体刚度 在模板外侧加设桁架 结合桁架并在外模外侧沿模板 四周设置操作平台 并在各层模板间布置上下人梯 便于工人上下检查及施工需要 内外模板间采用拉筋加固 确保施工质量 施工时 一个循环浇筑混凝土 6m 正常 3 天一个循环 每墩日进尺可达 2m 做到快速流水作业 施工效率明显提高 从工 艺上实现了整个墩身零施工缝 施工中 模板定位时要充分考虑日照温差对薄壁空心高墩的影响 必须严格控 制墩柱的垂直度 结合计算及现场观测的结果 为减少这种自然因素的影响 模板 定位检测的时间段一般是将一天中温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采 集时间如早 8 点前进行 但实际施工中不可能完全选择在该时间段进行模板的垂直 度检测 因此 在其余时间观测时 必须结合不同的时间段 日照温差及温度对于 薄壁空心高墩的影响修正检测的结果 鉴于日照温差对于薄壁空心高墩的影响是多 方面的 从混凝土空心墩温差应力分析计算可知 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 施工中必须 在日照温差相对较大的白天对薄壁空心高墩的内外温差进行控制 避免产生裂缝 通过在葫芦河特大桥四个主墩的工程实践 总结出了一整套适合于超高墩快速 高效 优质施工的外翻内爬模板施工技术 对于薄壁空心高墩的垂直度检测 控制 以及混凝土的养护 防裂都作了有益的探索 3 2 33 2 3 超高墩大跨预应力钢筋混凝土曲线连续刚构线型控制施工技术超高墩大跨预应力钢筋混凝土曲线连续刚构线型控制施工技术 线型控制分为竖向挠度线型控制和轴向线型控制两个部分 对于一般的连续刚 构桥梁而言 线型控制主要为竖向挠度控制 但由于本项目特殊性 挠度及轴向的 线型控制均较为重要 竖向挠度线型控制竖向挠度线型控制 主桥上部结构采用悬臂挂篮施工技术 施工中采用公路桥梁结构计算程序 GQJS 计算出各施工阶段的预抛高值 挠度变形值 并将跨中预留的徐变沉降量予 以叠加得出理论控制值 其中跨中三年预留沉降量按 15cm 考虑 并按正弦曲线在半 跨予以分布 但当按这些理论值进行施工时 结构的实际变形却未必能达到预期的 结果 这是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不完全 一致而引起的 或者是由于施工中的立模误差 测量误差 观测误差等 或者两者 兼而有之 这种偏差随着连续刚构桥悬臂的不断加伸 逐渐累积 因此必须及时有 效地将实测数据 体系本身的变化 挠度 应力 现场气温 日照温差的影响等 调整参数信息 误差信息反馈到实际施工控制中 指导现场施工作业 将实测结构 控制参数输入 得出有效调整量 获得最优调整方案 同时预告下阶段结构状态 葫芦河特大桥主梁标高控制采用了以最小二乘法为基础进行参数识别与修正的 误差分析和状态预测方法 在确保所得的挠度观测数据及立模标高进行温度修正后 不受温度效应影响之后 对所采集的实测数据与计算数据进行对比分析 通过对已 成结构实际状态与仿真计算理想状态之间误差的分析 采用最小二乘法对计算模型 中的参数进行调整 使仿真计算的结果与实际结构状态相一致 经过反复几次的参 数识别调整之后 修正过的仿真计算模型的计算结果与结构的实际状态逐渐相吻合 施工进入自适应状态 由此 可以比较准确地预测结构的后期标高 保证结构线型 满足设计和施工的要求 根据对实际施工中砼的容重和弹性模量 预应力管道的摩 阻率 和孔道偏差影响系数 k 值进行测定的结果 结合敏感性参数分析表明主梁混 凝土的容重 弹性模量和预应力束张拉力对线型控制影响较大 将该三项参数作为 待识别的参数 施工时建立控制网络 具体识别方法是以最小二乘法为参数估计准则 进行施 工控制 具体操作如下 在施工第 N 号节段时 由挂篮移位的梁体变位实测值与理 论计算值得差别 可识别出第 N 1 号节段的弹性模量的真实值 同样 由浇筑混凝 土时的变位值可识别出第 N 号节段的重量即混凝土的容重真实值 由预应力张拉时 的变为可识别出第 N 号节段对应的预应力束的张拉力 在识别出各参数后 及时将 它们反映在 GQJS 的计算中 以获得修正后的下一节段的预抛高值 至此 形成施 工 量测 识别 修正 预测 调整 施工的循环过程 竖向挠度线型控制施工基本程序 竖向挠度线型控制施工基本程序 考虑上部结构施工后 自重对墩柱的压缩 考虑墩高的影响 通过计算确定 各 T 构 0 段的预抛高量及后期各块段施工完成后由于自重对墩柱压缩的影响 按设计参数计算出各梁段在不同工况下竖向的变形 提供初始的预抛高值 对比各节段在不同工况下的实测与按设计参数计算的竖向变形值 采用参数识别法 修正各设计参数 重新计算后续梁段的立模预抛高值 通过不断的识别与调整 直 至计算的预抛高值与实际施工工况相符合 使施工控制逐渐进入自适应状态 对挂篮进行等效加载预压 消除挂篮的非弹性变形 测出挂篮在不同重量及 不同节段长度时的弹性变形值 为后续梁段的施工提供由于挂篮的弹性变形而产生 的预抛高值 孔道摩阻测试 测试目的 确保对各梁段准确施加预应力 并通过测试修正 值和 值 为 悬灌各节段的预拱度的计算提供可靠的计算参数 使该参数对悬灌各节段预拱度计 算的影响尽可能减至最低 通过孔道摩阻测试 得出了实际施工形成的管道的摩阻系数和孔道偏差系数 为精确施加预应力提供了必要的参数 也为实际块段的预拱度的计算提供了必要的 可靠参数 对于长大悬臂状态下的主梁而言 日照温差也将对悬臂端的位移产生较大的 影响 施工监控过程中需要对不同墩的相同块段的立模标高分别作出相应的温度修 正 建议最好在 8 点左右温度场比较均匀的时间进行立模 此时只需对当时的温度 与合拢时的温度之差对墩顶位移的影响进行修正即可 混凝土徐变预留下沉量 跨中三年混凝土徐变预留沉降量按 15cm 考虑 并按 正弦曲线在半跨予以分布 次边跨及中跨分布方程为 Hy 150 sin X 40 边跨分布方程为 Hy 150 sin X1 0 618 45 Hy 150 sin X2 0 372 45 上述方程中 其中 Hy 为预留的徐变沉降量 X 为沿各 T 构纵向布置的横轴 坐标原点为 0 块中心点 X1为沿各 T 构纵向布置的横轴 坐标原点为 0 块中心点 X2为沿各 T 构纵向布置的横轴 坐标原点为边跨支点端头处 为施工方便 我们将水准点引至各主墩 T 构 0 梁段上 便于施工中的测量 需要 但考虑到各主墩的高度均较高 悬灌施工的上部荷载势必压缩各主墩 因此 各墩顶 0 梁段绝对高度必将下降 施工中 我们在满足施工精度的前提下 经过观 测和计算 每隔 3 4 个节段 即对墩顶的 0 段上的水准点高程进行修正 轴向线型控制轴向线型控制 轴向线型控制施工基本程序 轴向线型控制施工基本程序 在悬臂施工过程中 日照温差致使混凝土薄壁空心墩身发生弯曲变形 使墩 顶发生较大位移 由于特殊的地理位置和桥梁主墩及桥梁的轴向布置 日照温差对 于葫芦河特大桥混凝土薄壁空心墩的弯曲影响根据现场温度场的实际监测和计算可 以认为 这种日照温差对于墩柱弯曲影响基本在横桥向 对主梁悬臂施工的标高产 生的影响甚小 因此 在竖向挠度控制中不考虑日照温差对墩柱弯曲影响而产生的 挠度影响 而对于横向的线型控制而言 这种影响较大 相对于 5mm 的横桥向合拢 误差而言 为减少这种自然因素的影响 目前的做法通常是将控制理想状态定位在 某一特定温度下 从而将温度变化对结构的影响相对排除 过滤 一般是将一天中 温度变化较小的早晨作为控制所需实测数据的采集时间等 悬臂浇筑施工过程中 不断加长的悬臂长度 由于桥梁的竖曲线和平面曲线 的影响 T 构两侧的不平衡性势必对桥墩本身造成弯曲影响 这将对桥梁的轴向 控制产生影响 在施工控制中 根据现场对于这种影响的实际的观测结果 我们采 取在各 T 构 0 块的中心布置定位基点 每 3 4 个节段浇筑完成后即对该基点的 坐标进行观测平差 以修正这种影响 减小合拢误差 各 T 构 0 块中心布置定位基点时 其测量的定位时间段必须在早 8 点前 温度场比较均匀的时间进行 修正各基点坐标时 也应选择在该时间段进行测量 对悬臂浇筑的各块段进行坐标定位时 尽量选择在早 8 点前温度场比较均匀 的时间进行 但由于施工的不确定性 无法全部选择在该时间段进行测量 此时 对于测量的结果应考虑日照温差对于薄壁空心墩柱的弯曲影响予以修正 无论是竖向还是横向的线型控制施工 该调整过程是动态的调整过程 必须根 据实际的施工情况反馈 及时对预抛高值和各基点的坐标 绝对标高进行调整 确 保施工安全和设计的线型得以实现 施工中 在每梁段的端部顶面 埋设 3 个观测点 对每工况下的该梁段的挠度 变化进行观测 每梁段的中线采用全站仪进行测量控制 合拢前 提前 4 个节段对 全桥进行中线联测 对相对悬臂端的挠度进行观测 必要时可进行调整 以确保合 拢精度和线型要求 通过施工实践 总结出适合于超高墩大跨预应力混凝土曲线连续刚构线型控制 的施工技术 成功地完成了葫芦河特大桥主桥 138m 高墩 90m 3 160m 90m 的悬灌线 型控制 成桥后的线型优美 符合设计的线型和应力状态的要求 合拢最大误差竖 向为 8mm 横向为 4mm 满足设计关于合拢误差竖向为 10mm 横向为 5mm 的要求 3 2 43 2 4 边跨不平衡悬浇和墩顶托架无配重浇筑施工技术边跨不平衡悬浇和墩顶托架无配重浇筑施工技术 原设计边跨现浇段的长度为 8 9m 合拢段的长度为 2m 该部分混凝土体积为 108 35m3 含 8 9m 长现浇段和 2m 长的合拢段 两个边墩的高度分别为 58m 36m 地基为 12m 层厚的湿陷性黄土 原设计合拢顺序为边跨 次边跨 中 跨 边跨现浇段采用支架方案时 其支架所需工程数量巨大 且由于分隔墩位于湿 陷性黄土区段 黄土层厚约 12m 支架基础需采用孔桩处理 而且施工周期较长 劳动强度高 不利于缩短工期及加快合拢施工进度 采用托架方案时 则可大大降 低劳动强度缩短施工周期 节约大量的支架工程数量 且避免了支架基础所需的工 程投入 但由于原设计的边跨现浇段的长度为 8 9m 合拢段长度为 2m 而连续刚 构在 6 墩盖梁上长度为 2 1m 在 11 墩盖梁上长度为 1 9m 而该悬挑段的混凝土 方量约为 80m3 混凝土重量约为 200t 现浇段悬挑长度太长 上部荷载对分隔墩 6 11 墩 墩身的偏心距 e 值偏大 使分隔墩身产生较大的倾覆力矩 为了抵抗 其倾覆力矩 需要利用相反一侧的托架和预设的张拉索预加荷载平衡其倾覆力矩 以使分隔墩本身保持其稳定状态 故按照目前设计的边跨现浇段长度 无论是托架 方案或支架方案 均有较大的施工难度 而造成该难度的主要因素为 边墩高度较高 边跨现浇段长度太长 边墩支架处地基处理难度较大 为解决 III 级自重湿陷性黄土地基高边墩长现浇段的施工难题 我们在综合分析 落地支架 墩身预埋托架等其它施工方法的利弊之后 查找国内相关资料 在边跨 左幅 T 构已经悬浇至 10 13 节段时 提出了下列施工方案 合拢顺序改为 中跨 次边跨 边跨 启用边跨顶板纵向预应力预备钢束 在 7 10 墩 T 构靠近边墩侧利用挂篮浇注一块 4 5m 长的不平衡梁段 21 段 为 平衡 21 段在 7 10 墩 T 构上产生的弯矩及挠度影响 确保 T 构施工的安全 和线型控制 同时在 7 10 墩 T 构近次边跨侧 20 段上实施平衡配重 从而达 到缩短边跨现浇段长度的目的 边跨现浇段由原设计的 8 9m 长调整为 5 2m 合拢 段长度由原设计的 2m 调整为 1 2m 调整后悬挑最大边跨现浇段混凝土体积为 38 55m3 边墩悬挑长度分别为 6 墩为 3 1m 11 墩为 3 3m 扣除 6 11 墩主梁侧盖梁宽度 据此 托架方案非 常简单 而且由于悬挑长度及重量均较小 故对墩身的倾覆力矩也较小 因此 无 须设置平衡托架来平衡由于边跨现浇段施工对边墩造成的倾覆力矩 边跨合拢段采用前移挂篮 在挂篮上浇注合拢段的施工方法进行施工 为取消 采用落地支架浇筑边跨现浇段及合拢段做出了新的尝试 探索 据此调整后对全桥悬臂施工在线型控制上重新进行计算 对两个 T 构因合拢 顺序改变 不平衡悬浇块段及不平衡配重施工对 T 构本身产生的竖向挠度影响采 用 GQJS 重新予以计算 根据计算结果 对后续梁段的预抛高值进行调整 以满足 线型控制和设计应力状态的要求 调整后采用的边跨不平衡悬浇段及边跨现浇段综合施工方案 使整个方案变的 简单 易操作 施工速度快 节约了大量的材料 人工投入 经济效益明显 通过该方案在黄延高速公路上的两座连续刚构桥梁上的成功实施 成功解决了 湿陷性黄土地基高边墩长大边跨现浇段的施工难题 对不用落地支架的途径进行边 跨现浇段和边跨合拢段的施工做出了有益的探索 同时也为悬臂已经实施后改变施 工方案时的线型控制技术作出了有益的尝试 确保了全桥的高精度的合拢 并取得 了可靠 宝贵的实践经验 该施工技术可在同类高边墩的悬臂浇筑施工或在边跨现 浇段处于水中或其它特殊地形下而不宜采用落地支架施工时考虑采用 施工效果明 显 施工难度较小 应用前景广阔 4 4 主要社会经济效益分析主要社会经济效益分析 葫芦河特大桥是黄延高速公路上规模最大 施工难度最高的一座桥梁 集大体 积承台混凝土 百米薄壁空心高墩 大跨连续刚构为一体 施工技术含量高 工期 紧迫 施工非常困难 资金异常紧张 通过采用新技术 新工艺 新材料 为高墩 大跨连续刚构桥梁施工总结出了一整套先进 科学的施工工艺 加快了施工速度 提高了工程质量 确保了施工安全 受到了交通部和陕西省交通厅的表扬 取得了 显著的经济和社会效益 4 14 1 经济效益分析经济效益分析 大体积承台混凝土施工中 通过优化施工配合比 掺入一定量的粉煤灰等量 替代水泥 既降低混凝土产生的水化绝对热 又节约水泥 421t 该项节约材料费用 7 8 万余元 超高墩外翻内爬模板的设计和应用 该翻模施工与同类型滑模施工相比较 滑模施工每墩液压系统滑轨需要 48mm 普通钢管 壁厚 3 5mm 64 根 每延米 3 81kg 以 9 墩为例 墩高 138m 共计用钢管 33650kg 共计 11 8 万元 全桥四 个主墩共计节约钢管材料费 34 6 万元 每箱节约滑模施工中额定起重量为 1 5t 液 压单作用千斤顶 28 台 每主墩 4 箱 全桥 4 个主墩共计节约 448 台千斤顶 共计节 约 22 4 万元 另以每循环拆模和装模的工作量统计 滑模需要人工 40 人 而该翻 模需要人工 20 人 以 9 墩为例 共计浇注混凝土 施工节段数 23 次 则 9 墩每 箱节约人工 460 个 一个主墩共计 4 箱 全桥四个主墩共计节约人工 5440 个 节约 人工费 27 2 万元 全桥四个主墩共计节约费用 84 2 万元 此外 大大提高了施工效率 节约了墩身的施工时间 正常情况下 采用该翻 模施工法 9 墩只需 3 个月的时间即可完工 若采用滑模施工则施工时间延长一个月 为整个上部结构的施工争取了时间 主墩施工中 主筋连接采用镦直螺纹连接套筒施工技术 取代传统的焊接施 工工艺 既保证了施工质量 又节约了费用 提高了施工效率 各主墩节约费用如 下 表表 1 主墩经济效益分析主墩经济效益分析 直螺纹连接工艺普通焊接工艺对比节约费用 墩号 墩高 m 主筋 根数 根 接头 个数 个 材料费 万元 人工费 万元 材料费 万元 人工费 万元 材料费 万元 人工费 万元 780828 45685 726 53 80 81 8 8130624 360147 63 69 47 21 83 6 9138624 360158 23 8107 51 83 7 1058736 45663 91 64 73 60 82 0 合 计25 41130 622 15 211 1 全桥各主墩节约人工费 材料费共计 16 3 万元 主桥墩身翻模模板改主桥墩身翻模模板改 0 0 块侧模 挂篮侧模块侧模 挂篮侧模 为提高模板使用效率 在主墩完成施工任务后 根据现场的实际施工情况 将 主桥墩身侧模模板拼装成 0 段的侧模模板 施工时 合理安排 0 块两端外侧模板的 长度 浇筑完成 0 段后 在 0 段上拼装完成挂篮 将该段侧模前移就位 改为挂篮 的侧模使用 主桥墩身翻模模板改 0 块侧模 挂篮侧模既提高了施工的效率 节省 了模板的二次吊装 也提高了模板的使用率 节约模板 240t 共计节约费用 84 万元 边跨不平衡悬臂浇筑 缩短边跨现浇段综合施工技术边跨不平衡悬臂浇筑 缩短边跨现浇段综合施工技术 在原设计边跨现浇段施工难度较大的基础上 采用了边跨不平衡悬臂浇筑 改 变合拢顺序 缩短边跨现浇段的综合施工工艺 与采用原设计方案时所用的落地支 架方案相比较如下 采用落地支架方案 全桥采用落地支架方案 全桥 4 4 个边跨现浇段 个边跨现浇段 支架材料采用万能杆件 150t 租金 180 元 t 月 施工周期为 8 个月 费用计 21 6 万元 基础处理 1 2m 孔径桩基共计 12 根 每根长 25m 共计费用 64 5 万 元 承台四个 每个承台尺寸为 2m 2m 8m 共计费用为 6 4 万元 边跨现浇段 侧模采用钢模板 按与变更后的方案相比较增加的投入 四个边现浇段的侧模共计 80t 共计费用 28 万元 底模共计增加 117m2 内模共计增加 207 72 m2 共计 4 9 万 元 6 墩每边跨现浇段的支架搭设时间为 3 个月 拆除时间为 2 个月 11 墩每边 跨现浇段的支架搭设时间为 2 个月 拆除时间为 1 5 个月 每处每天需人工 20 人 则人工费用为 51 万元 上述各项共计费用 176 4 万元 变更后的托架方案 变更后的托架方案 托架材料采用钢材 共计使用 23 6t 计费用 9 0 万元 托架施工时间只需 1 个月 则该两种方案相比较后共计节约费用 167 4 万元 综上所述 共计节约费用 359 7 万元 取得了较好的经济效益 4 24 2 社会效益分析社会效益分析 浇筑的大体积承台混凝土未见有裂缝 采用粉煤灰代替水泥的使用 在节约 水泥的同时 又解决了热电厂废除的粉煤灰 保护了环境 取得了较好的社会效益 使用直螺纹连接套筒施工技术 施工效率大幅提高 以 9 墩为例 节约施工 时间 22 5 天 为快速 优质 高效进行桥墩的施工提供了技术保障 外翻内爬模与以往其他高墩所使用的模板相比较 对内壁直坡的空心墩采用 外翻内爬式 外模从底节往上依次翻升 内模与内井架组装成一整体 从而实现内 模与内井架以塔吊为动力整体同步提升 一个循环浇注混凝土 6m 正常 3 天一个循 环 每墩日进尺可达 2m 做到快速流水作业 施工效率明显提高 从工艺上实现了 整个墩身零施工缝 采用外翻内爬模板施工 其最大的优点在于模板安装好后 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 138m 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 从根本上 保证了墩身的表观及内部质量 社会效益显著 主墩翻模改 0 段侧模及挂篮侧模的施工方案 既节约施工中模板的投入 又 解决了模板的二次吊装问题 全桥共计节约施工时间 10 天 提高了塔吊的使用效率 采用边跨不平衡悬浇和墩顶托架无配重浇筑的施工技术 解决了长大 高边 墩 湿陷性黄土地基的边跨现浇段的施工难题 保证了施工质量 提高了施工效率 节约施工时间 5 个月 施工效果显著