悬臂浇筑施工中边跨现浇段施工方案的优化

悬臂浇筑施工中边跨现浇段施工方案的优化昆明铁路枢纽工程跨中宝铁路悬臂浇筑施工中边跨现浇段施工方案进行了优化，即将原设计先边跨现浇段支架搭设预压，后进行合拢及现浇段浇筑改为挂蓝一次性完成边跨现浇段及合拢段浇筑，本文通过应力监测及变形监测分析了方案改变后对已浇筑梁端的结构受力影响，对比了两种方案结构预拱度的差别，评价了方案优化后现浇段自重对桥梁整体受力结构的影响程度，分析了运营阶段中，优化方案的压应力分布情况，同时通过监测指导施工中采取了切实可行的措施，保证了线形控制的精度和合拢精度。标签：悬臂；浇筑中；边跨现浇段；施工方案；优化引言：昆明铁路枢纽工程马家塘双线特大桥40+64+40m连续梁跨中宝铁路施工，原设计先进行边跨现浇段支架安装、预压，后挂蓝移动到位浇筑现浇段及边跨合拢段，根据现场实际情况看，边墩高度高，处于河道风口区，支架搭设高度较高时稳定性较弱，且施工期间大风天气较多，风力经常达到5到6级，对高支架有较大影响，为了简化施工安全控制难度，施工中对原设计方案进行了优化，利用了挂蓝结构一次性完成了边跨现浇段及合拢段浇筑，未搭设边跨现浇段支架。对于采用悬臂施工预应力混凝土连续梁、连续刚构桥来说，这类桥的形成要经过一个复杂的过程。如何避免施工中主梁截面出现过大的应力，确保施工过程中的可靠度和安全性；在如何保证合拢前两悬臂端竖向挠度的偏差和主梁轴线的横向偏移不超过容许范围；如何保证合拢后的桥面线形及受力状态符合设计要求；这些问题若处理不当，不仅会对结构受力不利，而且可能会使主梁梁底线形不顺畅，形成永久性缺陷而影响外形美观。虽然可以通过理论计算得到各施工阶段的理论立模标高值和内力值，但由于混凝土桥梁除了本身材料是非均匀质材料和材料特性不稳定外，它还要受温度、湿度、时间等因素的影响。而且，悬臂施工过程中各节段混凝土相互影响，这种相互影响又存在差异，这些影响因素必然造成各节段的内力和位移随着混凝土浇筑过程的变化而偏离设计值，从而导致全桥合拢的困难，或桥梁线形及内力状态与设计要求不符，给桥梁施工安全、线形、可靠性、行车条件和经济性等方面带来不同程度的影响［3,4］。为了保证施工质量，必须对建桥的整个施工过程进行严格的施工控制。由于采用挂篮合拢，挂篮前移对8号块以前的结构受力有一定的影响；两种方案下的结构预拱度会有一定的区别；边跨现浇段的施工方案发生变化后，边跨现浇段的自重对桥梁整体结构的受力也有一定的影响。本文针对方案优化后结构的受力上存在一些不同之处的两种方案进行统一比较，检验优化方案后的桥梁结构承载力是否满足要求，同时为了保证成桥线形及受力满足设计要求而采取的一系列施工控制措施进行了研究和探讨。1工程概况马家塘特大桥（40+64+40）m预应力混凝土连续梁桥的梁体上部结构（一般结构）如图1所示。梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，梁体全长145.2m，中跨中部10m梁段和边跨端部13.6m梁段为等高梁段，梁高2.9m；中墩处梁高为5.3m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。轨底至梁顶告诉为0.7m。线间距为4.4m和4.6m时箱梁顶板宽分别为9.36m和9.56m，箱底宽6.4m。全桥顶板厚35cm；底板厚39—80cm，在梁高变化段范围内按抛物线变化；腹板厚40—75cm，按折线变化。梁体在支座处设横隔板，全联共设4道横隔板，横隔板中部设有孔洞，以利检查人员通过。梁体混凝土及与梁体一起浇筑的5cm高挡砟墙强度等级为C55，后浇部分挡砟墙混凝土强度等级为C40。梁体按三向预应力设计，纵向、横向、竖向均设预应力。纵向、横向预应力钢绞线采用抗拉强度标准值为fpk=1860MPa、弹性模量Ep=195GPa，公称直径为15.20mm高强度低松弛钢绞线，其技术条件符合GB5224标准。竖向预应力采用抗拉强度标准值 fpk=830MPa、弹性模量为Ep=200GPa预应力混凝土用螺纹钢筋。纵向和横向预应力钢束孔道采用塑料波纹管成孔，竖向预应力钢筋孔道采用铁皮管成孔。2边跨现浇段方案优化2.1边跨现浇段的原设计方案2.1.1利用万能杆件在边墩墩顶安装托架并进行预压，并安装边跨的支座，根据合拢温度及混凝土收缩徐变预留偏离量，锁定边支座纵向活动位移；2.1.2将边跨挂篮前移一个阶段；2.1.3利用挂篮及墩顶支架，在一天最低温度时浇筑边跨9、10号节段混凝土；2.1.4待混凝土强度及弹性模量达到设计值的90%且不小于5天龄期后，拆除体外支撑，张拉N16、N21钢束。2.2边跨现浇段优化后方案2.2.1挂篮前移一个阶段；2.2.2在桥墩墩顶搭设模板，安装边跨的支座，根据合拢温度及混凝土收缩徐变预留偏离量，锁定边支座纵向活动位移；2.2.3利用挂篮及墩顶部分的模板，在一天最低温度时浇筑边跨9、10号节段混凝土；2.2.4其余施工顺序同原方案。2.3方案优化后结构的受力上不同之处2.3.1由于采用挂篮合拢，挂篮前移对8号块以前的结构受力有一定的影响；2.3.2两种方案下的结构预拱度会有一定的区别；2.3.3遑跨现浇段的施工方案发生变化后，边跨现浇段的自重对桥梁整体结构的受力也有一定的影响。故需要对优化后的方案及优化前的方案进行统一比较，检验优化方案后的桥梁结构承载力是否满足要求。优化方案施工示意图见图2、图3。3方案优化对结构预拱度的影响原方案按照利用挂篮和托架整体施工边跨现浇段，在墩顶段施加竖向约束，优化方案采用挂篮与边跨墩顶的模板合拢边跨，检算按照边跨墩顶之外的混凝土重量由挂篮承担，并完全传递到已成的结构上，墩顶部分混凝土的重量由桥墩承担，故检算按照先施加墩顶部位之外的混凝土自重，再施加墩顶部位的混凝土自重。3.1累积位移对比3.1.1原方案各个阶段的位移累积位移计算结果如图4所示。3.3.2优化方案各个阶段的位移累积位移计算结果如图5所示。由图4及图5的对比可以发现，优化方案的梁体向下的竖向位移较大，段原方案向下的位移大了-0.0274m，此种情况下，梁体的预拱度较原方案大，结构的整体线形的控制难度较原方案大。3.2预拱度的对比由于施工方案发生了变化，故悬臂施工阶段的梁体预拱度也会发生变化，两种情况下的梁体累积位移对比如图6所示，预拱度对比图如图7所示。由图6和图7可见，优化方案边跨最大预拱度为0.035m，原方案最大预拱度为0.010m，边跨最大预拱度位置相差0.025m；优化方案跨中预拱度为-0.010m，原方案跨中预拱度为0.001m，相差0.011m，故优化方案与原方案的预拱度设置上有一定的差异。3.3线形保证措施由于优化方案预拱度较原方案大，施工过程中的位移可能发生的位移偏差也大，故可能造成线形的偏差，施工过程中采取了相应的措施，保证结构的合拢精度和整体线形：3.3.1在施工初期就确定了后期的边跨现浇段的施工方案，在施工监控有限元建模及悬臂施工的开始阶段已考虑了此方案变化对其他梁段预拱度的影响；3.3.2施工过程中严格控制梁段的立模标高，立模误差控制在5mm以内；3.3.3施工控制过程中，为了更好地把握各种因素引起的结构位移，利用自适应控制方法对梁体结构的计算位移及预拱度值进行了调整；3.3.4边跨现浇段实际施工时的受力图示应该介于原方案与优化方案之间，故在预拱度设置时考虑了此因素的影响，实际的预拱度值按照两者之间的预拱度值设置。4方案优化对桥梁结构应力的影响4.1两种方案应力差别为清楚了解两个方案中梁体应力的差别，提出了每个截面的施工过程中的应力最值（包络图）如图8所示。4.2二期恒载后应力比较二期恒载后，原方案边跨支点附近下缘最大应力为7.6MPa，上缘最大应力为8.9MPa；修改方案下缘最大应力为7.7MPa，上缘最大应力为8.6MPa，下缘压应力增加了0.1MPa，上缘压应力减小了0.3MPa，由于边跨接近支点的位置在活荷载作用下拉应力较大，故优化方案的压应力储备较原方案的压应力储备大，更有利于结构的受力。4.3考虑收缩徐变后应力比较在成桥考虑收缩徐变后，原方案边跨支点边跨下缘最大应力为7.4MPa，上缘最大应力为8.4MPa；优化方案下缘最大应力为7.5MPa，上缘最大应力为8.2MPa，下缘压应力增加了0.1MPa，上缘压应力减小了0.2MPa。4.4施工阶段应力比较设计方案在施工阶段（施工阶段不考虑活载及支座沉降等因素，将在下面的分析中考虑）最大压应力为13.0MPa<0.75=0.75x33.5=25.125MPa，满足最大压应力要求；最小应力为-1.2MPa<0.7=0.7x-3.10=-2.17MPa，小于规范允许拉应力值，满足施工阶段拉应力的要求。优化方案在施工阶段（施工阶段不考虑活载及支座沉降等因素，将在下面的分析中考虑）最大压应力为12.6MPa<0.75=0.75x33.5=25.125MPa,满足最大压应力要求；最小应力为-1.3MPa<0.7=0.7x-3.10=-2.17MPa,小于规范允许拉应力值，满足施工阶段拉应力的要求。两种方案均满足施工过程中的应力要求。5对运营阶段梁体应力的影响比较原方案和优化方案的检算结果可以发现，优化方案作用下最大压应力减小，应力分布较原方案均匀，比较跨中位置下缘组合II下的最小应力可以发现，原方案压应力为0.2MPa，优化方案为1.0MPa，压应力储备加大，原因是边跨现浇段部分混凝土的自重由挂篮传递到临时支撑，在临时支撑拆除后，优化方案中的跨中截面将比原方案多承担一部分边跨现浇段的重量，使得跨中截面下缘受压，上缘截面受拉，则其上缘最大应力减小，下缘最小压应力增大。由表1可见，两种方案下截面的应力均满足要求。6结论6.1方案优化后，在一定程度上增加了线形控制的难度，在施工过程中采取了切实可行的措施，保证了线形控制的精度和合拢精度；6.2优化方案及原方案均满足规范对施工阶段中梁体应力限值的要求；6.3运营阶段中，优化方案的压应力分布更为均匀，跨中截面优化方案较原方案有较大的压应力储备。6.4优化方案后产生的效益6.4.1挂篮+墩顶模板方案与支架现浇方案对比节约费用64983.8元，工期缩短10天。6.4.2采用挂篮+墩顶模板拼装施工，结构受力点明确，且前期施工中挂篮已经过试验验证安全稳定，相比支架搭设施工中支架稳定性尚待实践的情况而言安全性强；在墩身高度较高（41#墩21m，44#墩22m）进行现浇段施工，支架搭设高度较高时稳定性较弱，且施工期间大风天气较多，风力经常达到5到6级，对高支架有较大影响，采用挂篮+墩顶模板拼装施工，大风天气影响因素很小，安全有保障；挂篮+墩顶模板施工拆除时仅拆除挂篮及模板即可，支架搭设施工需拆除钢管支架，高空作业过程中人员安全存在极大隐患。6.4.3优化方案安全可靠，工效成倍增长。在整个施工过程中无一起安全事故发生。在连续悬臂桥梁施工中，首次进行尝试边跨采用挂篮+墩顶模板拼装技术，为今后类似工程的施工积累了宝贵的财富和经验，同时也为设计提供了理论和实践依据。参考文献：[1]向中富.桥梁施工控制技术.北京：人民交通出版社.2001.⑵顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京：机械工业出版社.2005.韩红春.大跨度预应力混凝土连续梁悬臂施工控制研究与实践（D）.成都：西南交通大学.2007.刘喜辉.大跨度预应力混凝土连续梁施工控制技术研究（D）.南昌：华东交通大学.2006.葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京：人民交通出版社.2003.王春