南水北調大橋掛籃靜載預壓方案

夏 偉,李 杰

(鄭州大學土木工程學院,河南鄭州450001)

1 工程概況

南水北調大橋位于鄭州市中牟縣九龍鎮(zhèn)小李莊村,是國道107線鄭州段橫跨南水北調總干渠的一座大型公路橋梁。南水北調大橋為分離式橋梁,分為上、下行兩幅,其跨徑為(70+110+70)m,上部結構為三跨預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁,單個箱體頂板寬21 m,板厚0.30 m,設1.5%的單向橫坡;底板寬12.5 m,橫橋向底板保持水平;箱梁翼緣懸臂長4.25 m,端部厚度0.18 m,對應懸臂2.5 m位置處,厚度為0.45 m,根部厚度為0.7 m;箱梁在橋墩處梁高6.5 m,跨中處梁高3.6 m,跨中至距橋墩中心2.5 m處箱梁梁高是按照拋物線變化。除在主墩墩頂設置兩道厚1 m的橫隔板,支座處加設一道半橫梁及邊跨端部設厚2.34 m的橫隔板外,其余部位均不設橫隔板。主橋如圖1所示,大橋采用掛籃懸臂澆筑施工。

圖1 南水北調大橋主橋立面示意圖

2 菱形掛籃

掛籃是橋梁梁段懸臂施工中主要設備,它具有使用方便,安全可靠,并且一次性到位等優(yōu)點,因此所有施工作業(yè)[1](例如綁扎鋼筋、澆筑混凝土、預應力張拉等)都可以在掛籃上工作。在綜合考慮了斜拉式掛籃、三角掛籃、菱形掛籃、撐架式掛等結構的特點,南水北調大橋主橋采用菱形掛籃施工。菱形掛籃由菱形主桁架、工作系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、模板等部分組成,各部分的功能為[2]：

菱形主桁架為掛籃的主要受力構件,采用三片菱形桁架組成,每片菱形桁架之間通過水平及垂直聯(lián)結系聯(lián)結成整體。桁架桿件采用接頭節(jié)點板焊連接,聯(lián)結系與桁架采用銷軸連接。工作系統(tǒng)主要包括底籃和滑梁。底籃是直接承受梁段重和施工荷載的受力構件,同時也是立模、綁扎鋼筋、混凝土澆筑、張拉預應力的操作平臺?；菏侵我戆搴晚敯寤炷林亓考巴饽０搴褪┕ず奢d的受力構件。

懸吊系統(tǒng)：包括上橫梁和吊掛結構。底籃吊掛結構采用鋼板吊帶,有前吊帶和后吊帶,采用16 Mn鋼板制作。通過調節(jié)前后吊帶的長度來實現(xiàn)調整底模板的標高;外模板的外滑梁和內(nèi)模板的內(nèi)滑梁都采用Ф 32精軋螺紋鋼筋吊掛,前端與上橫梁吊掛銷接,后端和已澆筑的翼板聯(lián)結。

錨固系統(tǒng)：掛籃采用Ф 32精軋螺紋鋼筋同掛籃走行軌道直接錨于豎向預應力筋上。

走行系統(tǒng)：包括軌道鋼墊板前支座、行走裝置后支座、反扣輪和牽引設備。利用連續(xù)千斤頂和鋼絞線循環(huán)頂進,一次行走。

模板系統(tǒng)：主要包括外模板和內(nèi)模板。外模板采用鋼模,內(nèi)模板采用竹膠板加支架由導梁支撐,內(nèi)外模之間設Ф 25精軋螺紋鋼筋作為對拉筋對拉,以側模夾底模形式布置;外側模與其支撐架焊為一體。梁高是通過調節(jié)底模板的高度來實現(xiàn)的。

3 掛籃預壓試驗

3.1 試驗目的

掛籃的預壓主要有兩個目的[3]：①用來消除掛籃的非彈性變形求出其彈性變形,并且利用各級加載的荷載與彈性變形量的關系,利用最小二乘法模擬一個近似的線性的關系,在以后采用掛籃施工中求出各梁塊重對應的彈性變形,確定各梁塊立模的預抬量。②檢驗掛籃的安裝質量,整體承載能力,確保橋梁施工的安全。

3.2 預壓方案

掛籃的預壓常采用的方法[4]有水箱預壓、沙袋預壓和千斤頂預壓。結合南水北調大橋主橋施工現(xiàn)場條件,本工程采用沙袋預壓,如圖2所示。箱梁的每個“T”構對應于橋墩中心線沿縱向劃分16個對稱澆筑的梁段,其中0#、1#塊采用現(xiàn)澆,2#～16#采用菱形掛籃澆筑,各梁段的長度在2.5～4 m范圍之內(nèi),最大重量梁塊為6#,梁重208.4t。根據(jù)《公路橋涵施工規(guī)范》及《公路施工安全技術規(guī)范》中懸臂施工規(guī)定,計算荷載按照最大梁重的1.2倍來計算,為250.08 t。采用的預壓袋裝滿土的外形尺寸為高度×寬度×長度=1 m×1 m×1 m,一個沙袋大約為1.6 t,則總共需要156個沙袋,采取分級預壓,并記錄各級預壓的測量數(shù)據(jù)。測點布置在底模的前后兩端,有利于測量人員操作,在每個斷面上布置4個測點,分別位于底模板的前后兩端,底模板長邊×短邊=12.5 m×4.4 m,測點布置的位置見圖3。采用計算荷載的倍數(shù)來加壓,其加載的順序0%→45%→60%→100%→卸載。在逐級加載的過程中有以下要求[5]：⑴每級要停頓1 h,進行測量,并作出記錄;⑵在100%時要靜壓24 h,之后進行兩次測量且兩次的變形≤2 mm,方可卸載,否則應繼續(xù)進行觀測。⑶卸載后也要24 h后分兩次觀測,且兩次的變形≤2 mm。根據(jù)加載與卸載記錄的數(shù)據(jù)來計算掛籃的非彈性變形與彈性變形。

3.3 試驗結果

本次預壓總共花了4 d時間,有效地縮短了施工周期。以1號墩北側掛籃預壓為例,給出試驗結果。預壓記錄數(shù)據(jù)見表1。

表1 1號墩北側掛籃預壓記錄數(shù)據(jù)

從表1可以求出掛籃的非彈性變形量及彈性變形量[6],非彈性變形量為(127.806 7-127.798 5)m=8.2 mm,掛籃的彈性變形量為25.5-8.2=17.3(mm),沒有超出掛籃彈性變形量限值20 mm。在各級荷載下的彈性變形為累計變形量減去非彈性變形量,由各級荷載的彈性變形數(shù)據(jù)可以用最小二乘法模擬出作用荷載與彈性變形量的線性關系式為

式中,y為各梁段的重量對應的變形量,單位mm;x為各梁段的重量,單位t。

可根據(jù)這個關系式計算出各梁段的變形來控制掛籃的變形。用Excel模擬彈性變形量方程如圖4,與最小二乘法模擬的一樣,驗證了計算公式的正確性。

圖4 1號墩北側掛籃彈性變形量方程

掛籃在預壓過程中吊桿沒有出現(xiàn)松落,底部螺母沒有出現(xiàn)旋落,走道梁沒有發(fā)生傾覆或縱滑,主行梁及模板沒有出現(xiàn)彎曲,說明掛籃的整體強度和承載能力滿足要求,是安全可靠的。

4 結束語

以南水北調大橋主橋懸臂澆筑的掛籃預壓為例說明了掛籃預壓的整個過程,通過對菱形掛籃進行了預壓,消除了非彈性變形,對各梁段施工的立模標高確定提供了可靠性的數(shù)據(jù),為考慮掛籃的變形提供了指導;后錨固系統(tǒng)采用高強度精軋螺紋鋼錨固,安全性較好。

[1] 李志明,范偉.掛籃在預應力混凝土連續(xù)梁懸臂澆筑施工中的應用[J].工業(yè)建筑,2002(1)：48-50.

[2] 劉斌.懸臂梁菱形掛籃預拼與變形試驗[J].國防交通工程與技術,2010(6)：143-144.

[3] JTJ 041-2000.公路橋梁施工技術規(guī)范[S].

[4] 馮浩,楊志楚.元江大橋2#墩掛籃預壓技術[J].云南交通科技,2003(4)：18-21.

[5] 鮑衛(wèi)剛,周泳濤.預應力混凝土梁式橋梁設計施工技術指南[M].北京：人民交通出版社,2009.

[6] 唐春軒.連續(xù)鋼構橋菱形掛籃預壓實驗技術綜述[J].云南建筑,2008(2)：79-80.