形成原因
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》的形成原因是:
根據
崖門大橋主橋的結構特點,在研究中國國內外各種
掛籃施工優缺點的基礎上,針對2005年前中國國內外單索麵預應力
斜拉橋施工技術的發展狀況,吸取各種掛籃施工技術的優點,結合崖門大橋的具體情況,研究一種適合崖門大橋箱梁施工用的單索麵牽索掛籃,作為崖門大橋上部箱梁施工的關鍵技術,為2005年及以後特大跨度跨海大橋上部箱梁施工提供經濟、可靠、實用的施工技術。
工法特點
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》使用的單索麵牽索掛籃充分利用斜拉橋本身斜拉索索力,減少箱梁澆築過程中混凝土的內力,充分保證箱梁的結構受力狀況與設計狀況一致;在箱梁澆築過程中可多次調整標高控制主梁線形;該掛籃承重系統與移機系統並用,減少了掛籃用鋼量,整機重量輕,剛度可靠,特別是橫向抗扭剛度好。該工法在單索麵混凝土斜拉橋箱梁施工中首次採用全斷面一次現澆成型工藝,充分保證箱梁外觀質量和內在質量。
操作原理
適用範圍
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》適用於沿海地區、海灣地區大跨度單索麵混凝土斜拉橋上部構造的施工。
工藝原理
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》的工藝原理敘述如下:
一、施工工藝原理
在充分利用單索麵牽索拉力的同時保證掛籃整體結構受力變形的穩定性和對稱性。掛籃的走行結構與承重結構儘可能兼用。
牽索掛籃主要由底籃、止推裝置、牽索接長桿、移機裝置和支架及模板五個部分組成。布置在混凝土主梁下方的底籃前支點由牽索經接長拉桿牽引;中支點和後支點則錨固在己澆箱梁節段;由牽索引起的水平力,則通過設定在主縱後部箱梁底板上的止推裝置傳遞給箱梁底板。在澆築箱梁混凝土時,可通過多次張拉塔內千斤頂來調整掛籃前支點標高。掛籃移機時,通過手動鏈葫蘆的牽引,底籃前支點通過吊輪在主梁頂面鋼板樑上滾動,底籃邊縱梁在固定於箱梁底板下方的托輪上滾動。
二、牽索掛籃技術特徵、力學性能、技術指標
(一)結構參數及設計荷載
箱梁節段長6米,寬26.8米,高3.48米。箱梁為單箱五室結構,底板厚20厘米,頂板厚22厘米。箱梁標準節段重267噸,最大重量280噸,掛籃重量116噸,施工動荷載5噸。
掛籃桿件內力選擇澆築狀態,建立空間模型,分別計算1號塊和25號塊內力,結果如表1、表、圖1。
(二)掛籃結構主要技術特徵
1.底籃
底籃為一鋼板梁和型鋼焊接而成的空間勁性組合鋼結構,由主縱梁、邊縱梁、前橫樑、後橫樑、分布縱梁組成。主縱梁為掛籃主要受力構件,主要承受牽索引起的縱向彎矩和水平力。為採用定長接長拉桿適應拉索的角度變化,將主縱梁設計成圓弧形的曲梁。邊縱梁主要為移機而設定。為提高底籃的橫向剛度,將前橫樑和後橫樑設計成桁架形式。為避開1號拉索,將前、後橫樑間距設計成5.2米,前橫樑單側橫向懸臂長度L=10.5米。
1)主縱梁
主縱梁為二個單箱單室用綴板組合成的鋼板梁,為適應斜索空間牽面變化,端頭做成R=5.2米的弧形梁。
2)邊縱梁
邊縱梁全長16.4米,單箱鋼板梁截面尺寸為:120厘米×80厘米×1.6厘米,後橫樑上弦桿置於邊、縱梁頂面,前橫樑上弦桿則穿過邊縱梁腹板,邊縱梁後端與箱梁通過錨桿連線,前端在移機時,通過吊桿和軸承懸掛於輔助勁性骨架上。
3)前橫樑
前橫樑桁高2.6米,上弦桿中部10米半范用採用80厘米×60厘米鋼板梁,其餘為60厘米×40厘米鋼板梁,下弦桿為60厘米×40厘米鋼板梁,腹桿則採用工140、工132和工120,前橫樑上弦桿均穿過主縱梁和邊縱梁,與縱梁剛性連線。
4)後橫樑
後橫樑桁高2.8米,上弦桿採用40厘米×20厘米×1.6厘米鋼板梁,下弦桿採用2工32,腹桿採用2×20a槽鋼。
5)分布縱梁
分布縱梁採用2工40工字鋼。
2.止推裝置
為抵抗斜拉索對掛籃底籃施加的水平力,在主縱梁後端設計1個止推裝置,止推裝置由止推塊預埋鋼板和螺栓構成,止推塊為一個三角形鋼板加勁的楔形組成,縱向四道肋板,預埋鋼板為留有預埋孔的2厘米A3鋼板,螺栓為M42精製螺栓。
3.牽索接長桿
牽索接長桿主要考慮與掛籃為固定連線,施工中接長桿不再調整而由塔內牽索張拉端調整。此外還要適應牽索錨具LMh109-L、121-L、127-L、139-L、151-L、163-L、187-L總計7種直徑規格螺紋的連線。接長拉桿主要由短桿、連線器、長桿、螺母及卸載千斤頂組成。
4.移機裝置
考慮在箱梁頂設定鋼板梁和箱梁底設定托輪的方式實現移機。即底籃前支點通過吊輪在鋼板樑上滾動,底籃邊縱梁在固定於箱梁底板上的托輪上移動。鋼板梁除用於移機使用外,還用於底籃模板標高調整。移機時先將鋼板梁於軌道上牽拉滑移到位,再通過手動鏈葫蘆實現移機。為了安全,在4點牽拉處均設定反拉鏈葫蘆。
5.模板系統
模板採用鋼模,面板為4毫米厚度,加勁4毫米鋼板,加勁槽鋼為2×10槽鋼,底模與底盤用勾頭螺釘連線,模板系統總重約為20噸。
三、牽索掛籃靜載試驗
試驗目的:牽索掛籃在正式投入梁段施工之前,必須進行現場模擬荷載試驗,以檢驗其鋼結構強度和剛度是否滿足設計要求,並加以完善。
試驗內容:根據掛籃的結構受力計算,主要檢測主縱梁、邊縱梁、前橫樑、後橫樑,分配縱梁和吊桿等關鍵部位的應力以及控制點的撓度。
試驗方法:採用模擬荷載的試驗方法。即在試驗台架上,採用充水浮箱模擬混凝土主梁荷載,通過模擬牽索拉桿的YCW250液壓千斤頂微調掛籃頂面水平,並通過其油壓測得支點反力。
測試方法:應力採取在鋼構上貼上應變片,用靜態應變儀測讀。應變片採用中國國產BE120-3AA和BE120-3CA型,靜態應變儀為東華DH3815態應變測量系統。撓度採用在測點處貼標尺,用高精度水準儀測讀。
模擬工況:標準6米梁段,牽索仰角α=24°,梁段自重2800千牛,內外模板及三腳架總重500千牛,底籃上部總荷載為G=3300千牛。
模擬荷載:採用(2×3×6)立方米浮箱10件並充水,浮箱自重50千牛,充水重350千牛,總計Gs=400千牛。按照實際梁段對底籃各條縱梁的垂直投影荷載,布置浮箱。
載入方法:按空載偏載、50%G、80%G、100%G、120%G、滿載偏載、千斤頂偏載工況載入。
試驗結果:
(1)在試驗狀態及試驗荷載作用下,掛籃最大應力為主縱梁腹板主壓應力(135.8兆帕)和前橫樑A5號、A8號桿件拉應力(114.9兆帕),它們均低於Q235鋼材的容許應力(140兆帕)。掛籃具有足夠的強度。
(2)前橫樑上、下游與中點的相對撓度為-11毫米,後橫樑上、下游兩端與14點處的相對撓度分別為-6毫米和-8毫米。
(3)試驗過程中未發現焊縫開裂和脫焊現象。
由現場模擬荷載試驗可知掛籃結構強度及剛度滿足施工要求。
施工工藝
採用《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》施工時,掛籃安裝採用場地整體拼裝,現場整體吊裝就位的方法。
採用《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》施工時,單索麵牽索掛籃操作程式見圖2。
圖2註:(a)移動機態;(b)立橫狀態;(c)澆築狀態;(d)終拉狀態。
一、安裝移機滾軸
位於次縱梁的後滾軸為掛籃前移的後支點,下放吊桿使其卡在滾軸上,滾軸與吊桿沿次縱梁整體前移6米,再從主梁入洞提升吊桿,安裝墊梁及螺母。
二、前移鋼板梁及體系轉換
鋼板梁為掛籃移機的承重梁,也是掛籃前移的前支點。鋼板梁沿滑道前移6米,然後安裝後錨,並收緊掛籃前端吊桿,進行體系轉換,即掛籃前支點由斜拉索承受變為鋼板梁承受,然後拆除拉桿。
三、移機就位
用手動千斤頂下放掛籃15~20厘米,使掛籃平穩地落在移機後滾軸上,拆除中支點和後支點吊桿,以手拉葫蘆為動力,前移掛籃6米,安裝中支點、後支點吊桿,提升掛籃。
四、立模
立模採用簡支法,利用鋼板樑上的千斤頂調整掛籃標高直到監控標高,然後安裝後支點千斤頂及吊桿。
五、混凝土施工
澆築混凝土前,張拉25%的索力,澆混凝土到一半後,進行第二次張拉,索力達38%,澆完混凝土後進行第三次張拉索力達50%。在張拉斜拉索過程中,必須精確測量當前段高程,若高程與監控索力不符時,應以標高為主,兼顧索力的原則。
六、牽索終拉
待張拉完所有預應力鋼筋後,再進行體系轉換,把索力由掛籃轉換箱梁,最後第四次終拉索力。
採用《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》施工時,箱梁全斷面一次澆築施工工藝如下:
一、概述
主梁標準節段箱梁施工始於0號塊施工完畢,終於邊跨、中跨合攏。
二、模板施工
施工重點:要掌握好內外模板傾斜度,保證其幾何尺寸準確,安裝牢固。
掛籃吊裝就位後,就開始底模和側模的安裝。每次安裝6米,底模的標高用三角楔木調整,調整直到符合設計立模標高。當底板鋼筋和腹板鋼筋以及其體內的預應力筋安裝好,開始內模的安裝。內模由定型角模和組合模板拼裝而成,槽鋼水平加勁,中間箱斜拉索貫穿處,利用收分條調整滿足錨管的位置、角度。先安裝此處的內模,底板貫穿斜拉索處現場開洞安裝。內模腹模下轉角處,加60厘米組合模板作為壓板,以防澆築混凝土時產生反漿。在腹板下轉角處每隔1米用1條短對拉螺釘和底板鋼筋焊接在一起,以防止內模在澆築混凝土時上浮。內模安裝好後,進行頂板鋼筋以及其體內的預應力筋安裝,再進行端頭模板安裝。
三、錨管安裝
錨管施工重點:安裝中間箱內模位的準確性,安裝斜拉索時,產生的作用力對錨管、內模的影響。
根據錨管角度、錨管處的箱梁錨梁幾何尺寸,利用收分條模板,在安裝橫隔板模板時,調整滿足標高。
將錨管在每節梁段的空間角度,在勁性骨架上相互之間定好位,現場安裝時只要調整其中一個就可以定好位。定好位後,勁性骨架四個腳在模板上做記號,就可以開始安裝斜拉索。梁端錨管處,用木板和麻袋在勁性骨架上墊實錨管出口處,將安裝斜拉索時產生的水平力傳遞給混凝土箱梁和避免磨損膠套。
勁性骨架分臨時支撐骨架和定位骨架。錨管定位骨架由角鋼做成桁架形式;臨時骨架由型鋼做成框架形式,用以抵消安裝斜拉索時產生的水平力,斜拉索安裝到位,拆除臨時勁性骨架,鋼筋綁紮好後加固錨管定位勁性骨架,澆築混凝土。
四、鋼筋施工
按圖紙要求,鋼筋在車間彎曲製作,運至現場,再行放樣綁紮。若普通鋼筋與斜拉索套筒及各錨下螺旋筋相碰,可適當挪動普通鋼筋。
注意各階段的鋼筋變化多樣,製作時立牌分清種類,由於主梁截面尺寸小,保護層小,嚴格控制鋼筋的形狀尺寸,從而控制鋼筋保護層。保護層用水泥墊塊墊高,底板頂板斜腹板的鋼筋中間用方凳墊高,每隔50厘米布置一個,減少施工荷載使鋼筋發生錯位,從而保證箱梁施工的質量。
安裝時,嚴格控制伸出模板的鋼筋間距(包括預應力筋),以免影響端頭模板的安裝。
五、預應力施工
主梁縱、橫、豎向都有預應力筋。等混凝土強度達到85%設計強度,方可張拉。
主梁縱向預應力張拉順序:先長束,後短束,先底板束,後頂板,並關於箱線對稱進行張拉操作。整個預應力體系的張拉施工順序:先張拉錨固豎向精軋螺紋鋼,再張拉橫向鋼束,最後張拉縱向預應力筋。
六、混凝土施工
配製混凝土的性能受材料質量、配合比、氣溫、運距的影響較大,通過試驗分析,確定材料來源及混凝土配合比。
標準梁段採用拉籃在塔的兩側對稱澆築,標準梁段混凝土為106立方米/每梁段。
混凝土澆築是一道關鍵工序,混凝土通過泵送到澆築平台進行澆築,混凝土澆築順序:左右對稱,從下到上,均勻澆築。
主梁兩邊的斜腹板採用附著式振動器振搗。混凝土澆築入模高度高于振動器安裝部位方可開始振搗。
主梁其他部位採用插入式振搗器,振搗時快進慢出,上下略為抽動。插入點均勻排列,逐點移動,並避免碰撞模板、鋼筋、預應力筋、預埋件等。
採用《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》施工時,
掛籃下放要求中跨與邊跨同時進行。邊跨掛籃在邊跨合攏完成後即可進行吊架及卷揚機安裝。中跨掛籃下放分兩步進行。第一步,用50噸手搖式螺旋千斤頂下放,當13號墩完成中跨25號箱梁施工後,用千斤頂下放掛籃5米並固定,以確保12號墩中跨25號塊掛籃前移有足夠空間。12號墩中跨25號塊完成後,下放3米並固定,安裝中跨合攏段支架。第二步,待中跨合攏完成後,用卷揚機下放中跨掛籃至船駁上,同時下放邊跨掛籃。
材料設備
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》所用的主要機具設備如下:短平台複合型牽索掛籃(500噸)4台,液壓拉伸機配油泵(600噸)8台、(25噸)4台、(75噸)8台;液壓千斤頂(250噸)8台;油壓表(0135級標準型)8個;鋼索微振測力儀(DJC伺服加速度計)4套;輪胎式起重機(25噸)2台;卷揚機(5噸電控)8台。
質量控制
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》的質量控制要求如下:
一、掛籃成型後主要質量標準(表3)
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| | S為所測段兩端中心線所連直線與設計位置中心線的偏差 |
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二、質量控制
1.箱梁鋼筋工程如鋼筋加工、鋼筋連線、鋼筋網綁紮等尺寸和位置必須準確、綁紮要牢靠,要注意混凝土墊塊的位置和數量,保證保護層的尺寸,施工過程要嚴格執行三檢制度。
2.調整箱梁模板的標高時,需要考慮箱梁的設計線形和箱梁預拱度的因素,同時箱梁線形及斷面尺寸標準按《公路橋涵施工技術規範》質量標準執行(表4)。
3.要建立完善的質量控制體系,對所有的工序均需要進行交接檢或三檢制度,並留下檢查記錄。
4.每次箱梁混凝土澆築之前必須組織人員對整個掛籃系統進行全面的機械、安全、質量檢查,所有的檢查項目均達到規定後方可以澆築混凝土。
安全措施
採用《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》施工時,除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外,尚應遵守注意下列事項:
一、掛籃安裝注意事項
1.吊裝前,明確起重吊裝安全技術要點和保證安全技術措施;
2.參加吊裝人員應進行安全技術教育和安全技術交底;
3.吊裝工作開始前,應對起重運輸和吊裝設備以及報用索具、卡環、夾具等的規格,技術性能進行細緻檢查或試驗,發現損壞現象,後應即調換或修復。起重設備應進行試運轉,發現轉動不靈活、有磨損,應即修理。經檢查各部位正常,才可進行正式吊裝;
4.要做好防止高空墜落和落物傷人的措施;
5.吊裝時,應有專人負責統一指揮,指揮人員應位於操作人員視力所及的地點,並能清楚地看到吊裝的全過程,起重機操作人員必須熟悉信號,按指揮人員的各種信號進行操作,不得擅自離開工作崗位;遵守現場秩序,服從命令昕指揮。指揮、信號應事先統一規定,發出的信號要鮮明、準確;
6.操作時,必須在統一指揮下,動作協調,同時升降並移動,並使滑車組、吊鉤均應基本保持垂直狀態;起重機操作人員要相互密切配合,防止一台起重機失重,另一台起重超載現象出現;
7.吊裝停止時,應剎住迴轉和行走機構,關閉和鎖好操作箱。
二、標準箱梁施工
1.要掌握好內外模板傾斜度,保證其幾何尺寸準確,安裝牢固;
2.安裝時,嚴格控制伸出模板的鋼筋間距(包括預應力筋),以免影響端頭模板的安裝;
3.標準梁段採用拉籃在塔的兩側對稱澆築,混凝土澆築是一道關鍵工序,混凝土澆築順序:左右對稱,從下到上,均勻澆築。混凝土澆築應連續進行,如因故必須間斷時其間斷時間應小於前層混凝土初凝時間或能重塑的時間。澆築混凝土前,一定要檢查各預埋件是否合格要求、牢固,方可澆築混凝土。下料點不準對著預埋件,以免使預埋件產生錯位變形;
4.掛籃施工為高空作業,工作人員須做足安全防護措施;
5.由於套筒定位精度要求較高,在套筒定位加固後,不得將套筒及托架作為受力點,如有衝突應儘量繞開,以錫套筒走位。
三、掛籃拆卸
掛籃拆卸應選在無風或小風且平潮時進行。下放前施工人員要仔細檢查各受力點是否牢靠,清除所有鬆脫物件,以免高空墜物,下放時掛籃上不準站人,拖輪及平駁在一旁待命,等掛籃下放到接近河面時才可駛出就位,掛籃在平駁上固定好才能拆除卷揚機吊點。
環保措施
採用《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》施工應明確環境保護的相關責任制,對環境因素進行分析、評價,採取有效的措施,將環保工作納入日常工作操作程式。同時,與地方環保部門聯繫,由地方環保部門對項目的環保工作實施監控。
牽索掛籃在施工過程中主要污染源是廢焊條、混凝土廢渣、煙塵排放、廢油、棉紗頭等。根據中華人民共和國固體廢物污染環境防治法第十五條、第十六條、第十七條、第三十五條規定,在施工前應對相關操作人員進行崗前培訓,操作中佩帶相關防護用品。各相關部門、各工班負責人經常向下屬員工進行節約資源、減少廢棄物產生的宣傳教育工作,指導對廢棄物進行分類的操作,並制定各種措施減少各操作崗位產生的廢棄物。
對廢油類、油棉紗頭、廢油漆等油性廢物,為防止流失污染環境,採用在相應施工地點配置貯存容器進行回收,再統一運輸到指定地點集中處理。
對廢焊條、廢鋼筋、混凝土廢渣等固體廢物應統一清理、集中、定點存放,以進行分類處理,綜合回收利用,防止過程中沿途丟棄遺撒,減少對環境的污染。
對水泥粉塵、便道揚塵等煙塵污染採用有針對性的措施進行控制,保持場地整潔。主要是做好混凝土拌合站設備的維護,抑制水泥粉塵的產生,場地便道路面應進行硬化處理,並安排專人定時灑水防塵,必要時在施工場地出入口處應設定車輛車輪清洗水槽,防止運輸車輛污染周邊道路路面。對操作人員要採取措施防止高溫傷害。主要是箱梁澆築完成後,要通過設定鼓風機、鋪設噴霧水管等措施,加強箱梁內的通風散熱,改善預應力張拉、內模拆裝工序的工人操作環境。
效益分析
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》的效益分析如下:
1.經濟效益
崖門大橋主梁採用4套牽索掛籃懸臂施工,從2000年8月開始使用,每套掛籃共施工標準節段箱梁25塊,其中最重箱梁280噸,而掛籃重116噸,掛籃重量與最大塊件箱梁重量之比為0.41。4套牽索掛籃全部自行設計及加工,材料全部採用Q235(A3)鋼板,掛籃底盤採用全焊接連線,焊條採用特製焊絲(CO2氣體保護焊),這項就節約加工重量200噸,一次性節約資金近160萬元。使用牽索掛籃施工操作簡便,行走方便,工人勞動強度小,用它施工主梁可每標準節段節約資金6.05萬元,全橋主梁懸臂施工一次性節約資金605萬元。
所以崖門大橋主梁施工採用牽索掛籃懸臂澆築,一次性經濟效益近785萬元,施工工藝先進,給崖門大橋帶來了明顯的經濟效益。
2.社會效益
崖門大橋是廣東省“九五”期間重點交通工程之一,將廣東省的西部沿海與東部緊密的連在一起。崖門大橋主梁採用牽索掛籃施工每節段可縮短工期2天,可使全橋工期提前100天,同時可保證施工質量和安全。崖門大橋施工工期短,施工要求高,一開始就以爭創“魯班獎”和“國家優質工程”為目標。採用牽索掛籃懸臂施工為實現這一目標奠定了基礎。崖門大橋的早日建成將促進廣西部經濟發展。崖門大橋主梁採用牽索掛籃懸臂施工的工藝將對中國國內大跨度斜拉橋建設起推動和促進作用故崖門大橋主梁使用牽索掛籃施工具有社會效益。
註:施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
套用實例
《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》的套用實例如下:
廣東省西部沿海高速公路崖門大橋為主跨338米單索麵預應力斜拉橋。崖門大橋主梁為單箱五室混凝土結構,施工時採用全斷面一次性澆築。箱梁工程是控制整個崖門大橋工期的關鍵工程,而用於箱梁現澆施工的牽索掛籃則是關鍵中的關鍵。
崖門大橋主梁採用4套牽索掛籃懸臂施工,從2000年8月開始使用,2001年12月全部完成箱梁施工任務,為崖門大橋創造直接經濟效益785萬元,為崖門大橋提前工期100天。
榮譽表彰
2008年1月31日,中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》,《斜拉橋預應力混凝土單索麵牽索掛籃施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。