大跨连续刚构桥施工关键技术研究

大跨连续刚构桥施工关键技术研究

大 跨 度 连 续 刚 构 桥 施 工 关 键 技 术 主讲内容 连续 — 刚构桥的简介 连续 — 刚构桥的主要受力特点 连续 — 刚构桥的施工关键技术 连续 — 刚构桥施工过程中的质量控制 连续 — 刚构桥的施工监控 一、连续 — 刚构桥的简介 连续 - 刚构桥属于梁式桥的范畴。 连续刚构桥是从 T 构和连续梁发展而来的。 它不仅发挥了预应力混凝土结构的受力特点，更使得悬臂施工技术在预应力混凝土梁式桥中的应用得到了新的推广与创新。 因此也可以说，连续刚构桥是在预应力技术和悬臂施工的基础上产生发展起来的。 一、连续 — 刚构桥的简介 连续 - 刚构由于结构良好的整体刚度、便捷的悬臂施工技术，以及良好的经济性，广泛应用于公路和铁路桥梁中。 特别是高速公路的迅速发展对桥梁行车平顺舒适性的要求越来越高，使得连续 - 刚构桥得到了迅猛发展。 目前，世界上已建的大跨度连续 — 刚构桥统计情况： 一、连续 — 刚构桥的简介 目前，我省修建的大跨度连续刚构桥数量较少。 随着我省高速公路的发展，修建连续 - 刚构桥，必将推动甘肃省桥梁建设事业的大跨度发展。 柳忠路天水路黄河大桥 西长凤泾河特大桥 西峰至长庆桥至凤翔路口高速公路工程泾河特大桥主桥简介 泾河特大桥位于泾川县窑店乡练范村川里组与宁县长庆桥镇长庆桥村之间的泾河上，横跨长武塬（泾川县南塬东部边缘）、泾河河谷及董志塬边缘。跨径组成为（ 35+4×50 ） m + （ 87+5×162+87 ） m+ （ 4×50 ） m+ （ 2×50 ） m+ （ 30+2×35 ） m+ （ 2×35+30 ） m ，全长 1726m 。 泾河特大桥由主桥和引桥两部分组成。主桥采用（ 87+5×162+87 ） m 七跨 预应力混凝土变截面刚构－连续箱梁，在 6 、 11 号墩墩顶设置支座，在 7 ～ 10 号墩墩顶采用刚构体系。桥面高度约 85m 。 二、连续 — 刚构桥的受力特点 2.1 总体受力特点 总体而言，连续 - 刚构的基本力学特点是： 恒载、活载负弯矩的卸载作用基本与连续梁接近； 桥墩参加受弯作用，使主梁弯矩进一步减小； 弯矩图面积小，跨越能力大，在小跨径时梁高较低； 超静定次数高，对常年温差、基础变形、日照温均较敏感 . 2.2 受力的优点 连续刚构桥墩梁固结，施工方便，免去大型支座的安装及使用维护的费用，最大限度地应用平衡悬臂施工方法； 采用箱型截面，提供了较大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，满足成桥抗弯、施工中的抗弯和抗扭等需求； 它利用较高的薄壁墩的柔度来适应结构由温度、混凝土收缩徐变和预应力引起的位移，能满足特大跨径桥梁的设计要求； 双薄壁墩身将较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度结为一体，利用薄壁高墩大的抗弯刚度保持桥面的平整，利用其小的的抗推刚度来适应桥梁的水平变位。 挪威的连续刚构 86+202+ 298 +125m 三、 连续 — 刚构桥的施工关键技术 3.1 施工过程解析 大跨度连续 - 刚构桥通常应用其结构优点而采用 悬臂施工方法 。 悬臂施工法 －指梁部施工从桥中间墩处开始、按对称方式逐步接长并悬出梁段至合龙的施工方法。 悬臂灌注法和悬臂拼装法 悬臂灌注法 －接长方式是采用挂篮等设备，在桥位处就地灌注混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉力筋，前移挂篮，继续下一梁段的施工，直至合龙。 悬臂拼装法 －接长方式是采用吊机等设备，吊装预先制成的梁段块件，张拉力筋，前移吊机，继续下一梁段的施工。 （ 1 ）悬臂施工的关键程序 基本程序 悬臂施工形成 T 构 各 T 构及边跨端部梁段之间的合龙 三跨连续刚构桥例 支架浇注边梁直线段 T 构 设备（挂篮或吊机） 边跨合龙 中跨合龙 （ 2 ）悬臂施工的主要特点 预应力混凝土连续刚构桥采用悬臂施工时需进行 体系转换 。 桥跨间不需搭设支架，施工不影响桥下通航或行车。 多孔桥跨结构可同时多处悬臂施工，施工进度快。 悬臂施工法充分利用 预应力混凝土承受负弯矩能力强的特点，将跨中正弯矩转移为支点负弯矩 ， 使桥梁跨越能力提高，并适合变截面桥梁的施工。 悬臂施工用的 悬拼吊机或挂篮设备 可重复使用，施工费用较省，可降低工程造价。 施工中存在体系转换 体系转换： 指桥梁结构在最终形成之前，曾经历过以不同的结构体系（如简支、悬臂、连续等）承受当时作用在其上的恒载（指结构自重、徐变影响等）的各施工阶段。 若施工中存在体系转换，则按最终体系计算得到的结构恒载产生的内力和变形，就不同于按各阶段的体系计算得到的恒载内力和变形的叠加值。 也就是说，施工方法不同，结构各施工阶段的恒载内力和变形也不同。 3.2 悬臂浇注关键技术问题 （ 1 ）挠度控制（ 预拱度 ） （ 2 ）混凝土浇注 （ 3 ）挂篮设计和施工 （ 4 ）合龙施工技术 （ 1 ）悬臂施工时挠度控制 悬拼施工过程中所产生的挠度， 涉及到梁体自重、预应力、混凝土徐变、施工荷载等的作用。 鉴于施工挠度与许多不确定因素有关 ( 例如各段混凝土间材料性能、温度、湿度以及养护等方面的差异、各段的工期也很难准确估计 ) ，并出于 施工中荷载的随时间变化以及梁体截面组成也随施工进程中预应力筋的增多而发生变化等等 ，故要精确计算施工挠度是 非常困难 的。 （ 1 ）悬臂施工时挠度控制 刚构桥悬臂时的挠度包括： 由恒载、活载、预应力及混凝土徐变所产生的刚构悬臂梁本身的挠度； 挂篮、时变温度和施工临时荷载引起的挠度； 由不对称恒载、活载及风荷载引起刚构墩柱变形和刚构基础变形所产生的悬臂梁挠度。 通常采用有限元方法进行数值模拟。 第 4 块砼浇注 第 4 块预应力张拉 第 5 块砼浇注 第 5 块预应力张拉 连续刚构施工挠度示例 桥面铺装后 恒载效应 预应力 混凝土徐变 预拱度的设置 （ 2 ）悬臂混凝土浇注 1 ．挂篮就位后，安装并校正模板吊架，此时应对浇筑预留梁段混凝土 进行抛高 ，以使施工完成的桥梁符合设计标高。 抛高值包括施工期结构挠度，因挂篮重力和临时支承释放时支座产生的压缩变形等 。 2 ．模扳安装应核准中心位置及标高，模板与前一段混凝土面应平整密贴。如上一节段施工后出现中线或高程误差需要调整时，应在模扳安装时予以调整。 3 ．安装预应力预留管道时，应与前一段预留管道接头严密对准，并用胶布包贴，防止灰浆渗入管道。管道四周应布置足够定位钢筋，确保预图管道位置正确，线形和顺。 4 ．浇筑混凝土时，可以从前端开始，应尽量对称平衡浇筑。浇筑时应加强振捣，并注意对预应力预留管道的保护 。 5 ．为提高混凝土早期强度，以加快施工速度，在设计混凝土配合比时，一般加入 早强剂或减水剂 。混凝土梁段浇筑一般 5 ～ 7 天一个周期。为防止混凝土出现过大的收缩、徐变，应在配合比设计时按规范要求控制水泥用量。 6 ．梁段拆模后，应对梁端的混凝土表面进行凿毛处理，以加强接头混凝土的连接。 7 ．箱梁梁段混凝土浇筑，一般采用一次浇筑法，在箱梁顶板中部留一窗口，混凝土由窗口注人箱内，再分布到底模上。当箱梁断面较大时，考虑梁段混凝土数量较多，每个节段可分二次浇筑， 先浇筑底板到肋板倒角以上，待底板混凝土达到一定强度后，再支内模，浇筑肋板上段和顶扳。 其接缝按施工缝要求进行处理。 8 ．箱梁梁段分次浇筑混凝土时，为了不使后浇混凝土的重力引起挂篮变形，导致先浇混凝土开裂，要有消除后浇混凝土引起挂篮变形的措施。 悬臂灌筑法节段施工流程 混凝土浇注及养护 挂篮前移就位 预应力张拉 挂篮前移就位 模板安装 钢筋绑扎 混凝土浇注 预应力管道预留 养护 穿束 张拉 压浆 主要流程 1 ）选择挂篮形式主要考虑 结构简单、自重轻、受力明确、变形较小、行走安全、装拆方便等方面因素 。在一般情况下，尽量选择本单位现有设备、达到保证施工质量，加速施工进度，投资较省的目的。 2 ）挂篮横断面布置，一般取决于桥梁宽度和箱梁横断面形式，当桥梁横断面为单箱时，全断面用一个挂篮施工；当桥梁横断而为双箱时，一般采用两个挂监分别施工，最后在桥面板处用现浇混凝土连接。 （ 3 ）挂篮设计与施工 3 ）挂 篮 设计荷载 ① 模板重力：包括侧模、内模、底模和端模等各部件重力。 ② 箱梁梁段重力按最重梁段控制挂篮设计。 ③ 挂篮自重。 ④ 平衡重重力。 ⑤ 振捣器重力及振动力。 ⑦ 千斤顶及油泵重力。 ⑧ 施工人员重力。 4 ）挂篮的验算 挂篮按照钢结构设计必须满足必要的构造要求。 挂篮满足施工荷载下的强度、刚度和稳定性。 挂篮行走及灌筑梁段混凝土时的稳定系数，均不应小于 1.5 。 挂蓝组拼后，应全面检查安装质量， 并做载重试验，以测定其各部位的变形量，并设法消除其永久变形 。 挂篮拼装时应对称进行。 挂篮行走时，须在挂篮尾部压平衡重，以防倾覆。浇筑混凝土梁段时，必须在挂篮尾部将挂篮与梁进行锚固。 5 ）挂篮的安装 6 ）消除后浇混凝土引起挂篮变形的措施 ① 水箱法： 浇筑混凝土前先在水箱中注入相当于混凝土重量的水，在混凝土浇筑中逐渐放水，使挂篮负荷和挠度基本不变。 ② 浇筑混凝土时根据混凝土重量变化，随时 调整吊带 高度。 ③ 将底模梁支承在千斤顶上，浇筑混凝土时，随混凝土重量的 变化千斤顶 ，抵消挠度变形。 （ 4 ）合拢段施工 合拢段施工时通常采用吊架或支架。 特殊情况时，也可在挂篮上合拢，即先拆除一个挂篮，用另一个挂篮走行跨过合拢段至另一端悬臂施工梁段上，形成合拢段施工支架。 在合拢段施工过程中，由于昼夜温差影响，现浇混凝土的早期收缩、水化热影响，已完成梁段混凝土的收缩、徐变影响，结构体系的转换及施工荷载等因素影响，因此， 需采取必要措施，以保证合拢段的质量 。 合拢段施工 关键技术 1 ） 合拢段长度选择 。合拢段长度在满足施工操作要求的前提下，应尽量缩短，一般在 2.0m 左右。（ 设计确定 ） 2 ） 合拢温度选择 。 一般宜在当地年平均气低温合拢，合拢后应用草袋等覆盖，并加强接头混凝土养护，使混凝土早期结硬过程中处于升温受压状态 。 3 ） 合拢段混凝土选择 。混凝土中宜加入 减水剂、早强剂 ， 以便及早达到设计要求强度， 及时张拉预应力束筋，防止合拢段混凝土出现裂缝。 4 ） 合拢段采用临时锁定措施 ， 采用劲性型钢或预制的温凝土柱安装在合拢段上下部作支撑， 然后张拉部分预应力束筋，待合拢段混凝土达到要求强度后，张拉其余预应力束筋，最后再拆除临时锁定装置。 5 ）为保证合拢段施工时温凝土始终处于稳定状态， 在浇筑之前各悬臂端应附加与混凝土质量相等的配重 ( 或称压重 ) ，加配重要依桥轴线对称加裁，按浇筑重量分级卸载。 如采用多跨一次合拢的施工方案，也应先在 边跨合拢 ，同时需经大量计算，进行工艺设计和设备系统的优化组合。 4 、连续 — 刚构桥施工过程中的质量控制 4.1 施工时易 出现的质量问题 钢筋施工 ： 保护层厚度控制较差，钢筋下料尤其是主筋尺寸误差较大，钢筋焊接焊缝不饱满、焊缝长度不够、个别用错焊条型号等。 结构物沉降缝或变形缝不能按照图纸或设计进行施工，结构物不均匀变形裂缝时常出现。 预埋钢筋或预埋件位置准确性较差，梁板间铰缝钢筋不能按图施工。 混凝土施工跑模漏浆现象难于杜绝。混凝土振捣不规范，过震、欠振现象较为普遍。 混凝土湿接缝处理不规范，混凝土界面凿毛处理较差，接缝混凝土质量不符合设计要求，一方面是拌和质量较差，另一方面是现场振捣质量较差，混凝土松散、离析较为普遍。 预应力结构张拉、锚固、压浆控制不严，滑丝、压浆不满或漏压现象。 混凝土养护，拆模时间，养护条件。 4.2 突出问题 —— 预应力施工质量 预应力筋的滑丝和断丝 金属波纹管孔道漏浆 曲线孔道竖向位置偏差 曲线孔道灌浆不密实 预应力张拉控制 —— 由于预应力对结构影响较大，应严格控制预应力施工质量。 4.3 施工中需特别关注的几个问题 桥梁施工过程体系转换问题 桥梁施工过程影响因素 施工中临时结构的安全问题 箱梁裂缝及原因 （ 1 ）施工过程的体系转换 施工必须按照设计预定的程序进行； 施工前应制定较严格的施工过程 —— 施工步骤，节段施工时间； 根据制定的施工过程，计算各阶段的立模标高，并对施工误差进行技术调整； 合龙的时间、措施尤为重要。 —— 进行桥梁施工过程监控是必要的 。 （ 2 ）桥梁施工过程影响因素 混凝土收缩、徐变 温度 挂篮、支架变形 预应力张拉 混凝土收缩、徐变 收缩、徐变是混凝土固有的特性之一。 对连续刚构，徐变伴随着施工中体系转换、临时荷载的变化、预应力的张拉而对结构产生重大影响 —— 内力，变形。 收缩对连续刚构除由于表明混凝土干缩而产生裂缝外，还会产生次内力。 连续刚构的成桥反拱增大也是徐变的影响。 温度 混凝土水化热温度变化； 环境温度变化； 温度表面干缩裂缝； 温度次内力及次应力裂缝 合龙温度。 挂篮和支架变形 产生结构附加变形，改变结构受力状态，发生施工事故； 应作专门的设计和验算。 ２０１０年１月３日下午１４∶２０时，云南省昆明市，由云南建工市政公司承建的昆明新机场航站楼配套引桥工程在混凝土浇筑施工中，突然发生了支架垮塌事故，造成７人死亡、８人重伤、２６人轻伤。 2009.8.30 贵阳市花溪区，在建铁路桥垮塌， 5 名工人受伤， 2 名工人被埋。而工人们介绍，因混凝土浇灌速度过快等导致事发。 预应力张拉 超静定结构预应力对结构影响更大； 预应力产生的次内力影响不容忽视； 预应力施工质量应引起重视。 3 ）预应力混凝土箱梁裂缝 （ 1 ）纵向弯曲裂缝。 （ 2 ）纵向弯曲剪应力裂缝。 （ 3 ）预应力筋未能覆盖截面产生的裂缝。 （ 4 ）桥墩两侧箱梁腹板和独立支撑处箱梁横隔板中的裂缝 （ 5 ）温度收缩裂缝。 （ 6 ）箱梁底板的锚下裂缝。 （ 7 ）大吨位预应力引起的裂缝。 3 ）预应力混凝土箱梁裂缝 原因分析 （ 1 ）主桥总体设计中对箱梁截面尺寸的拟定不合理，其中包括梁高，腹板及顶板厚度尺寸，承托布置及尺寸。 （ 2 ）设计抗弯剪能力不足。 （ 3 ）未合理考虑温度应力。 （ 4 ）对超静定预应力混凝土连续梁桥设计中的次内力影响估计不足。 （ 5 ）预应力束布置不合理。 （ 6 ）预应力张拉未达到设计要求。 （ 7 ）材料自身强度不足。 （ 8 ）施工技术差错或未考虑施工精度的误差。 5 、连续 — 刚构桥的施工监控 5.1 桥梁施工控制的必要性 为了保证施工质量，必须要对 复杂建桥 的整个过程进行严格的施工控制。 也可以这样说，桥梁施工控制是桥梁建设质量的保证。衡量一座桥梁的质量标准就是要保证已成桥的线形以及受力状态符合设计要求。 对于桥梁的下部结构，只要基础埋置深度和尺寸以及墩台尺寸准确就能达到标准，容易检查和控制。 对采用多工序、多阶段自架设体系施工的大跨度桥梁的上部结构而言，要求结构内力和标高的最终状态符合设计要求，就不那么容易了。 比如预应力混凝土刚构桥和斜拉桥在悬臂浇筑 l 号块件时，如预抛高设置不准，可能影响到以后各节段和合拢标高以及全桥的线形。 5.2 施工控制的内容 （ 1 ）大跨度桥梁施工控制内容 结构变形控制 桥梁结构尺寸的控制是施工控制的基本要求。但结构在施工形成过程中均要产生变形，加之施工过程中各种误差的积累，因此任何一个结构不可能达到与设计尺寸准确无误的吻合，故要尽量减少结构尺寸与设计尺寸的偏差，并将其降低到允许的程度。 结构应力控制 结构应力控制好与否，在外观检查时不易发现。但是，如果结构实际应力状态与设计应力状态不符，将会给结构造成危害，并较之结构变形的影响为大，所以，在对桥梁进行施工控制时，尤其要注意对结构应力的监控 。 结构稳定控制 桥梁结构的稳定关系到桥梁的安全，它与桥梁的强度有着同等重要的意义。目前，桥梁的稳定性已引起人们的重视，但人们只注重桥梁的稳定计算，而对施工过程中可能出现的失稳现象还没有可靠的监测手段，尤其是随着桥梁跨径的增大，受动荷载或突发情况的影响，还没有快速反应系统。 安全控制 对桥梁施工中可能发生的意外，临时结构的变化等对桥梁的安全影响。 5.3 施工控制方法 主要有三种： 一是采取纠偏终点控制的方法 ， 即在施工过程中，对产生主梁线形偏差的因素跟踪控制，随时纠偏，最终达到理想线形，这种方法常用 Kalman 滤波法和灰色理论等。 二是应用现代控制理论中的自适应控制方法 ， 即对施工过程中的标高和内力的实测值与预计值进行比较，对桥梁结构的主要基本设计参数进行识别，找出产生实测值与预计值 ( 设计值 ) 产生偏差的原因，从而对参数进行修正，达到双控的目的。 三是在设计时给予主梁标高和内力最大的宽容度，即误差的容许值 ， 如香港某斜拉桥主梁线形设计的宽容度达 ±15cm （悬臂长为 215m ），当然对于每一节段的误差也有限制。这种做法减少了控制的难度，但会产生其他问题，如斜拉索的制作长度问题等。 5.4 施工控制系统 （ 1 ） 桥梁施工控制系统的组成 （ 2 ）桥梁施工控制的基本流程 （ 3 ）施工监测方法与仪器 （ 4 ）施工监测方法 结构几何形态监测 结构截面应力监测 缆索力监测 预应力监测 温度监测 监测构件截面温度梯度 监测空气温度 温度计 5.5 监测仪器 监测结构加速度反应根据加速度时程数据进行结构模态分析和损伤识别分析 加速度计 加速度计 应变计 应变计 位移计 监测桥梁顺桥向位移 确定伸缩缝位移量 GPS 系统它利用接收导航卫星载波相位进行实时相位差分。差分系统是由 GPS 基准站、 GPS 监测站和通信系统组成。基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站。监测站接收卫星信号及 GPS 基准站信息，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。此结果将送到监控中心。在监控中心对接收机的 GPS 差分结果进行桥梁桥面、桥塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。 全球定位系统 G P S GPS 位移监测实时显示 传感器选用 加速度计、倾角仪、应变及、压力环、裂缝计、 汽车称重系统 等 桥梁监控实例 兰州新城黄河大桥施工监控 兰州七里河大桥施工监控 兰州东岗大桥施工监控 兰州盐滩黄河大桥 兰白高速、兰临高速上多座连续梁及刚构桥 兰州银滩大桥 济南纬六路跨铁路立交桥（主跨 380m 双塔双索面斜拉桥）施工监控 成都人南火车站斜拉桥（主跨 124m 独塔双索面斜拉桥）施工监控 徐州和平路跨铁路立交桥（主跨 368m 独塔双索面斜拉桥）施工监控 ................ 谢谢！