深埋大跨度高墩墩柱施工技术

深埋大跨度高墩墩柱施工技术

塔吊施工在高墩位施工的影响在山区和陡峭的岭上修建桥梁时，我们通常会在深度上修建高高的建筑物。在这种情况下，地形陡峭，施工方便，施工难度大，无法建造适用的安装平台，无法运输各种材料和设备，因此很难进入安装位置附近的高台阶。我部承建的湖南吉茶高速公路C8标共阳垄高架桥就是这种情况,该桥地处深沟峡谷,尤其是左右线1#～7#高墩所处区域地势陡峭,沟底施工平台到墩顶高差超过六十米,沿途施工便道险峻,当初为了孔桩施工曾不得不用骡马驮运施工材料,加上左右幅分离及泵送砼管道电源难以铺设到位等因素,导致高墩墩柱施工受影响,如采用塔吊,不仅所需数量多且施工材料、塔吊设备、吊车难以进入现场靠近墩位,施工成本巨大,如欲使各项采用塔吊的施工条件具备,势必对工期造成较大的影响。根据我部多年的施工经验和结合现场考察及计算论证,决定采用缆索吊装施工下部结构方式进行深谷高墩高位墩柱和盖梁的施工,可满足施工进度和安全要求,且可大幅降低施工成本。1主索与工字钢塔架索及下构见滑线布置图。共阳垅高架桥拟采用左、右幅分幅施工,先施工右幅,再施工左幅。施工现场每个高墩墩柱对应轴线采用一根主索一端固定在补育隧道出口上方高程740.5m的地锚上,另一端绕过位于8#墩后,顶部高程为715.5m的人字钢管塔架,固定在距托架20m的地锚上。牵引索和起重索的卷扬机布置在补育隧道出口上方地锚前。起重索用于起吊钢模板、钢筋节段及砼,含起重滑车最大起重量≤40kN,主索隧道端到人字钢管托架水平距离为350m。主索采用单根φ34.5-6×37钢丝绳,公称抗拉强度1850Mpa,牵引索和起重索用φ14和φ12.6-6×19钢丝绳,公称抗拉强度为1850Mpa。每根主索上装有滑车一台,滑车长0.8m,宽0.4m,高0.5m。滑车采用20mm钢板制作外壳,内部装有六个滑轮,其中四个滑轮负责走向,二个滑轮负责升降。主索和牵引索、起重索布置详见滑线布置图。选用一台8t卷扬机,额定功率为22KW,额定线速9.5m/min,和一台5t卷扬机,额定功率为22kW,额定线速20m/min。卷扬机选用力矩电机,配置有缺相、过载保护。滑车采用双保险装置防滑落和过载。安装好主索后分别用作牵引和起重。钢丝绳、紧固件选用进口的优质材料。砼地锚选在坚硬的岩基坑上,用2.8m厚×2.8m宽×3m长C20砼封填。根据现场地形及主要控制高程,采用人字φ250钢管塔架塔架高h=15m并列32b工字钢横梁横梁长度l0=7m,每道主索间距4.2m,塔架每边人字两个支柱底间距b=4m。已完工的构件,采用升高支架或挡护的方式保证完好无损。如T梁架设到8#墩时下构未施工完成,先暂停下构施工将人字钢管塔架拆除,将缆索及塔架移到架桥机后桥面墩顶上临时固定可继续进行下构施工。其他详见计算书。施工操作平台采用钢管钢筋分块预制拼装,设防护栏和防落网,满铺固定踏板。2牵引索、起重机索和主索隧道缆索一端固定在补育隧道出口上方高程740.5m的地锚上,另一端绕过位于8#墩后,顶部高程为715.5m的人字钢管塔架,固定在距托架20m的地锚上。牵引索和起重索的卷扬机布置在补育隧道出口上方地锚前。起重索用于起吊钢模板、钢筋节段及砼,含起重滑车最大起重量≤40kN,主索隧道端到人字钢管托架水平距离为350m。主索采用单根φ34.5-6×37钢丝绳,公称抗拉强度1850Mpa,牵引索和起重索用φ14和φ12.6-6×19钢丝绳,公称抗拉强度为1850MPa。3主索赔计算3.1m丝破断性能查《路桥施工计算手册》附录三:主索单位重:g=0.0419kN/m钢丝总断面积F=446.13mm2其破断拉力总和等于1850×446.13=825.3kN。查附录三:其换算系数为0.85,所以钢丝绳总破断力:Tn=825.3×0.85=701.5kN。3.2主索的张力及不考虑冲击系数跨中主索施工高度(盖梁顶高)703m,加上料斗、滑车盖及工作高度2m,跨中主索最大垂度:fmax=(740.5-715.5)÷2+715.5-705=23m主索最大水平张力:Ηmax=Μmaxfmax跨中Μmax=gl28cosβ+Ql4‚Q=40kN,l=350mβ=arctg(740.5-715.5)/350=4.08°‚cosβ=0.997Μmax=0.0419×35028×0.997+40×3504=4143kΝ﹒mHmax=4143/23=180.1kN,α=arctg(740.5-705)/175=11.5°主索最大张力Τmax=Ηmaxcosα=180.10.98=183.8kΝ不考虑冲击系数,主索的安全系数为Κ=ΤnΤmax=701.5183.8=3.82＞3.5(容许)。3.3主索性能测试主索弹性模量Ek查附录三得Ek=75600Mpaσmax=ΤmaxF+Qn√EkΤmaxFn为行车轮数n=4σmax=183.8×103446.13+40×1034√75600183.8×103×446.13=715.6Μpa主索抗拉安全系数η=[σ]σmax=1850715.6=2.59＞2(容许)主索钢丝直径d=1.6mm,滑车平滚最小直径Dmin为350mm主索接触应力σmax=ΤmaxF+EkdDmin=183.8×103446.13+75600×1.6350=757.6ΜΡaη=[σ]σmax=1850757.6=2.44＞2(容许)3.4主索卷扬机20.25.2主索自重G=glcosβ=0.0419×3500.997=14.7kN吊重状态Q=40kN,空状态Q0=5kN,不记温差△t=0初始安装张力方程:Ηo3+Ηo2{EkFcos2β24Ηmax2[3Q(Q+G)+G2]-Ηmax±ε△tEkFcosβ}-18Q0(Q0+G)EkFcos2β-G2EkFcos2β24=0将有关数值代入得H03+111H02-714588=0,解得:H0≈63.9kN因此安装主索卷扬机应选用额定拉力8吨的卷扬机。初始安装重度fo=gl28Η2cosβ+Q0L4Η0算得fo=16.9m4拉伸性能计算起重滑轮组工作线数n=4,转轮数m=3,转向滑轮数μ=1,滑轮直径Dmin=200mm,采用φ12.6-6×19钢丝绳,g=0.00541kN/m,F起=57.27mm2,公称抗拉强度[σ]=1850MPa,钢丝直径d=0.8mm,起重重量Q=40kN,Ek=78900Mpa,钢丝绳总破断力Tn=90kN。4.1沉重的负担和绞死车的末端张力Τmax=Qnηm1ημ2=404×0.963×0.96=11.8kΝ4.2几何及[]型σmax=ΤmaxF起+EkdDmin=11.8×10357.27+78900×0.8200=521.6ΜΡa安全系数η=[σ]δmax=1850521.6=3.55＞2(容许)4.3总拉应力计算公式Κ=ΤnΤmax=9011.8=7.6＞5~6(容许)4.4牵引索最大拉力牵引索采用φ14-6×19钢丝绳,Tn=114kN,牵引索总牵引力W近似计算:W=Qsinθ+0.15Q,Q为荷载总重,式中按下式:tgθ=4f1,算得θ=arctg4×23350=14.7Q==G+Q吊+G起重+G引=14.7+40+0.00541×350+0.00685×2×350cosβ=61.4kΝW=24.8kN牵引索最大拉力T引=(W+2Lq引)(2-ηn),式中n=3η=0.98q=0.00685kN/m算得:牵引索最大拉力T引=31.4kN。K引=Τ破Τ引=11431.4=3.63＞3(容许)牵引索接触应力:Q引=Τ引F引+EkdDmin=31.4×10372.49+78900×0.9200=788ΜΡa安全系数Κ2=[σ]σ引=1850788=2.34＞2(容许)5塔架计算5.1塔架间距的确定根据现场地形及主要控制高程,确定塔架高h=15m,根据立柱轴线间距确定塔架横梁长度l0=7m,每道主索间距4.2m,塔架每边人字两个支柱底间距b=4m。5.2吊装动力系数取塔架宽度一半进行计算:α1=arctg1520=36.87°‚α2=arctg(715.5-705)175=3.43°,吊装动力系数μ=1.25.2.1主索力的影响V1=μT1(sinα1+sinα2)=1.2×183.8×(0.6+0.06)=145.6kNT1为主索最大张力主索拉力对塔顶产生的水平力:H1=μ×T1(cosα2-cosα1)=44.1kN起重索未经塔顶。5.2.2sin1+sin2T2为牵引索拉力=31.4kNV2=T2(sinα1+sinα2)=31.4×0.6=20.7kN对塔顶产生的水平力:H2=T2(cosα2-cosα1)=6.3kN5.2.3缆风安装张力缆风采用正缆风绳与牵引索拉于同一地点地锚上,另一端拉于柱顶,缆风绳用φ28-6×19钢丝绳,正缆风绳在水平外力QH作用下塔架顶位移:δ=QΗLEkFcos3βEk=78900ΜpaF=289.95mm2y1=y2=15my=15.2mQH为主索、牵引索产生相对缆风支点的水平力之和,QΗΗ1y1+Η2y2y=50.4kΝ×1515.2=49.7kΝβ为缆风绳与水平线夹角,β=α1=36.87°L为缆风索水平跨度即缆风索锚定到塔架的水平距离,L=20mδ=49.7×103×2078900×289.95×cos336.87=0.085m＜[σ]=15150=0.1m缆风能满足要求由于塔底采用焊接固定,缆风安装张力计算略,以50kN计:V3=T3sinα=50×sin36.87=30kN缆风对塔顶水平力H3=T3cosα=40kN5.2.4钢管立柱受力长7m,2根326工字钢并列钢横梁自重G梁=0.577kN/m14=8.1kN,加上索鞍每边立柱承重按7kN计,即V4=7kN,作用在柱顶的总竖向力P=V1+V2+V3+V4=145.6+20.7+30+7=197kN钢管立柱在P作用下的轴向力Ν1=Ν2=Ρ2cosθθ=arctg215=7.59°算得N1=N2=99.4kN5.2.5qh作用下的轴向力作用在柱顶的总水平力QH=H1+H2-H3=10.4kN在QH作用下的轴向力:Ν1=QΗ2sinθ(拉力)Ν2=QΗ2sinθ9(压力)算N1=39.4kNN2=39.4kN5.2.6钢管3gm的材质σ=∑Ν2F净≤[σ]直径250mm,壁厚8mm的钢管A3材质,F净=6079mm2‚[σ]=140ΜΡa‚σ=(99.4+39.4)×1036079=22.8ΜΡa＜[σ]5.2.7算自由长度计算钢管柱回转半径i=D2+d24=85.6mm于钢管长一半处加一道横撑,钢管计算自由长度l′=152+224=7.57m立柱节间长细比λ=l′i=7.57×10385.6=88.4＞80折减系数φ=3000λ2=0.384σ=∑Ν2φF净=(99.4+39.4)×1030.384×6079=59.5ΜΡa＜[σ]5.2.8塔架基因倾覆稳定性计算钢管斜长l′m,钢材密度7.85g/cm2.算得每边塔架两根钢管柱重G柱=14.4kN,加上斜撑、横撑、横梁,每边塔架自重P0=25kN取塔架下端支点进行计算:倾覆力矩M倾=QH×h=10.4×15=156kN·m稳定力矩M稳=12(Ρ+Ρ0)b=444kN·m倾覆稳定系数=Μ倾Μ稳=144156=2.85＞1.4(满足要求)5.3钢梁的稳定性P=V1+V2+G3=145.6+20.7+3=169.3kN2根工字钢每米自重2×q=0.5772=1.154kN/m梁的A点支反力RA=RC=Ρ2=84.6kΝ梁的最大弯矩Μmax=18QL2+RA×72+RC×4.22-Ρ×4.22=1.154×728+84.6×3.5-84.6×2.1=125.5kN·m查附录三:两根并排的工字钢惯性矩IX=211626cm4=2.3252×108mm4截面抵抗矩Wm=2×726.7cm3=1.453×106mm3截面积Am=2×73.5cm2=14704mm2惯性矩Iy=2×483.8cm4=9.676106mm4rx=ΙxAmΙy=ΙyAm梁换算长细比λe=a⋅l0h⋅r0ryl0自由长度=3m,h=320mm焊接件a=1.8算得λe=1.8×3×103320×ΙxΙy=82.7查附录三得∶纵向弯曲系数φ1=0.70ΜWm=12.5×1061.453×106=86.4ΜΡa＜φ1[σ]=98ΜΡa故该钢梁的整体稳定性能够保证。5.4细比及查溶液质量要求选用32b槽钢作斜撑,F=54.9cm2,斜撑角度45°Rc=84.6kN每根斜撑轴向力Νc=Rccos45°2=59.8kΝ2=29.9kΝΗc=Rcsin45°2=59.8kΝ2=29.9kΝ轴心受压ΝAm=59.8×103/25490=5.4ΜΡal=1980mm长细比λ=1160=6.19φ1=0.9ΝAm＜φ1[σ]=0.9×140=126ΜΡa符合要求ΙX=8056.8cm4Ιy=335.6mm4Wm=503.5cm3λe=1.8×1h×ΙxΙy查附录三:纵向弯曲系数φ2=0.8ΜWm=Ηc×1/2Wm=29.9×103×990503500=58.8MPa<φ1[σ]=0.8×140=112MPa符合要求。5.5如果人造钢柱上有两柱落在8.0台阶的盖梁上，8.0台阶的外力计算5.5.1墩柱直径计算8#墩顶所受水平力Nx=Nsinθ=99.4sin7.59°=13.1kN所受管柱轴向压力Ny=Ncosθ=98.5kN。墩柱直径D=1800mm,L=7700mm,l0=77002=15400,为C30钢筋砼。Eh=3.0×104MPa轴心抗压Ra=17.5MPa抗拉R拉=1.75MPaG盖梁为盖梁自重柱顶所受轴向压力Nj=Ny+G盖梁/2=98.5+50.324.50/2=714.7kN5.5.2数值计算结果截面积抵抗矩W=0.0982d3=5.727108mm3砼安全系数受压rm=1.54受管弯受拉rm=2.31轴心受压强度验算按Nj≤aARa/rma为偏心影响系数此处a=1ARa/rm=2.5435×106×17.51.54×10-3=28902kΝ＞Νj(允许)5.5.3aaraj/lm计算Νj≤φaARaj/rmλ=l0i=15400450=34.2,查得φ=0.89φaARaj/rm=0.89×1×2.5434×103×17.5/2.31=17148.7kN>Nj(允许)5.5.4mao影响表Mmax=Nx×l0=13.1×15.4=201.7kN·mΜmaxWm=201.7×1065.272×108=0.352ΜΡa≤φR拉=0.89×1.75=1.56MPa(容许)6卷扬机的安装6.1已知主索安装初始张力H0=63.9kN,牵引索最大拉力31.4kN,起重索11.8kN,选用一台8t卷扬机,额定功率为22kW,额定线速9.5m/min,和一台5t卷扬机,额定功率为22kW,额定线速20m/min。安装好主索后分别用作牵引和起重。6.2卷扬机压重计算为防止前端倾覆,压重力Q≥Κ1(S⋅h-G⋅a)b安全系数K1=1.5,S=63.9kN,h=0.45m,b=2.5m,a=1.5m,G=15kN8t卷扬机压重力Q≥1.5(63.9×0.45-15×1.5)2.5=3.75kΝ安装时卷扬机底座用锚栓焊接固定在砼底座上。同样,5t卷扬机压重力Q≥1.5(31.4×1.4-10×1.2)2=0.42kΝ7混凝土悬浮液的计算为了防止倾覆相对前方下底脚支点有Gb≥KQl,G为锚碇自重,b为锚碇半宽,Q为拉力。7.18锚碇长度计算Q=Q主+Q引+Q风=183.8+31.4+50=267.9kNK=1.4设锚碇横断面为正方形,横向长3m,8#墩方向锚碇拉力与水平方向夹角α=36.87°l=cos(45°-36.87°)×bcos45°=1.4bG=4b2×3×24kN,算得b≥1.34m,8#墩方向每个锚碇采用2.8m厚×2.8m宽×3m长C20砼锚碇7.2隧道端部倾斜G×b≥KQcos×2b,此处Q=183.8kN,算得b≥1.32m隧道顶每个锚碇采用2.8×2.8×3m3C20砼锚碇。8牵引缆拉环拉环根据各索所受拉力,主索卡环可选用GD21.0,安全荷重205.8kN,牵引索可选用GD4.5,安全荷重44.1kN,起重索可选用GD3.5,安全荷重34.3kN。锚碇上用钢筋拉环拉环应力σ=Qn⋅A≤[σ][σ]考虑超载、动力、应力集中等系数取50Mpa,主索每索采用2个拉环并列,n=4,主索拉环A≥919mm2,采用Φ32钢筋A=1187.1mm2>919mm2(符合要求)牵引索采用1个拉环,n=2,牵引索拉环A≥314mm2,采用Φ22钢筋A=561mm2>314mm2起重索采用1个拉环,n=2,起重索拉环A≥118mm2,采用Φ22钢筋A=561mm2>118mm2缆风索采用1个拉环,n=2,起重索拉环A≥500mm2,采用Φ25钢筋A=725mm2>500mm2(符合要求)910缆索就象道飞架山板施工现在经过四个月的施工,共阳垄高架桥高墩顺利完工,未出一起安全事故,缩短了近三个月工期,节约成本近百万元,深谷高墩施工缆索就象道飞架山间的特殊的“彩虹”深深留在了吉茶高速公路建设者的脑海里。该项施工技术施工简单,作业方便,经济合理,对同类施工条件下的施工具有较好的借鉴作用。特小结如下:10.1次使用成本较低(1)不需要大吨位吊车、塔吊,主要设备就是卷扬机、钢丝绳、吊具,一次投入可反复使用,成本费用低。(2)不受工作面大小的限制,跨越距离长,使用范围宽。(3)设备简单,拆装方便,转移迅速,安全可靠。10.2滑轮小品构件安装利用卷扬机、钢丝绳牵引着滑轮小车,将悬挂在滑轮小车上的构件进行导向、吊装、就位,同时吊装固定临时施工操作平台,进而完成安装和砼浇注作业。10.3施工过程10.4吊装机具的选择采用缆索吊装施工,应结合桥梁规模、吊装吨位、地形及设备等条件采用适宜的吊装机具,做出吊装设计图。对索塔、主缆、扣索、抗风、地锚等结构均应按有关规定经过设计计算确定,并进行稳定性验算。10.4.1.电缆安装组织设计文件应包含以下内容(1)缆索吊装系统设计图和说明书。(2)缆索吊装系统计算书。(3)缆索吊装系统拼装、使用、拆卸安全技术操作规程。10.4.缆索吊装系统验