浅析现浇预应力混凝土箱梁施工

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  中铁五局集团第一工程有限责任公司 湖南省 420000
  摘要:进入二十一世纪以来,随着中国国民经济的的飞速发展,公路交通运输量迅猛增长,高速公路的作用日益凸显,对于国家经济的发展和人民生活水平的提高有着无可替代的重要作用。本文就中小桥现浇预应力混凝土箱梁施工技术进行了一些初步的分析探讨。
  关键词:中小桥;高速公路;现浇;预应力箱梁;施工技术
  一、工程概况
  1、概况
  六六高速公路第六合同段起讫桩号为K87+500-K98+960,路线全长11.046公里。主线采用计算行车速度80Km/h的双向四车道高速公路,整体路基宽度24.5m,分离式路基宽12.25 m,设计荷载公路-Ⅰ级。
  樊家田分离式立交桥位于X019县道上,为上跨六盘水至六枝高速公路而设,与主线交叉桩号K96+960.394=GK0+167.728,交角118.265°,桥下净空5.2m,第1、2孔采用集中引用式排水。平面位于R=90(右偏)的平曲线上,纵断面位于i=2.067%的上坡段。全桥共一联,跨径组合为28+25m,上部结构采用现浇预应力砼连续箱梁;梁体为单箱双室、等高度、变截面结构。箱梁顶宽9.7m,箱梁底宽5.7m。顶板厚度22cm,腹板厚度50-70cm,底板厚度20~40cm,采用满堂支架施工。
  2、气候及气象条件
  项目区气候属亚热带季风湿润气候,年均气温12.3℃,最热月七月19.8℃,最冷月一月2.9℃,极端最低气温零下11.7℃,极端最高气温31.6℃,无炎夏酷暑。年降水量达1123.6mm,降雨多集中在五月至九月,降水量占年降水量的82.2%。由于境内地势高低悬殊,相对高差大,气候的垂直差异明显。主要灾害性天气有雨雪、大雾、凝冻等。
  二、施工机械及人员配置
  1、机械设备
  施工中拟投入的主要机械设备见下表。
  三、施工工艺流程
  施工工艺流程详见下图:
  施工工艺流程图
  四、施工方案及技术措施
  1、地基处理
  地基处理范围为桥中线往两侧各7m,共14m宽,开挖至设计基底标高后,进行动力触探试验,若不能满足设计要求,则增加换填深度。地基处理范围内采用透水性好的石渣回填50cm并碾压密实,使其压实度不低于90%。满堂支架处地基顶面采用砂浆封面防雨水。地基沿中线向做单向排水坡,坡度按2%控制;地基外侧做纵向排水沟,保证地基排水顺畅。
  2、模板及支架的搭设
  2.1、箱梁结构及计算理念
  预应力混凝土连续箱梁梁体高1.65m,本着因地制宜的原则,全桥支架采用的结构形式为扣件式满堂支架。具体搭设方案如下:
  全幅以箱梁主体中心为中线对称布置,箱梁分为2跨,纵向长度分别为25m、28m,宽度为11.7m,立杆采用Φ48×3.5mm钢管,底板及腹板下纵向间距0.6m,横向间距0.6m;翼缘板下纵向间距0.6m,横向間距0.9m。立杆沿竖向每1.25m布设纵杆、横杆。立杆底部落在10×10cm方木上,上部设顶托以调节标高,顶托上部顺桥向铺设15×15cm方木,间距60cm,横桥向铺设间距25cm的10×10cm方木,上铺钢模做为底模,铁钉固定。内模及侧模采用竹胶板,采用钢管+顶托加固。
  本计算书最大支架体系高度按6m进行验算。
  2.2、荷载分析
  根据本桥现浇箱梁的结构特点,在施工过程中将涉及到以下荷载形式:
  ⑴ q1—— 箱梁自重荷载,新浇混凝土(加钢筋)密度取2700kg/m3。
  ⑵ q2—— 箱梁内模、底模、内模支撑及外模支撑荷载,按均布荷载计算,经计算取q2=3.0kPa(偏于安全)。
  ⑶ q3—— 施工人员、施工材料和机具荷载,按均布荷载计算,当计算模板及其下肋条时取2.5kPa;当计算肋条下的梁时取1.5kPa;当计算支架立柱及替他承载构件时取1.0kPa。
  ⑷ q4—— 振捣混凝土产生的荷载,对底板取2.0kPa,对侧板取4.0kPa。
  ⑸ q5—— 新浇混凝土对侧模的压力。
  ⑹ q6—— 倾倒混凝土产生的水平荷载,取2.0kPa。
  ⑺ q7—— 支架自重,经计算支架在不同布置形式时其自重如下表所示:
  2.2.1、扣件式钢管支架验算
  2.2.1.1、一般截面箱身支架设计
  在跨中标准段,钢管扣件式支架体系采用60×60×125cm的布置结构,按照60×60×125cm进行验算。
  脚手架搭设布置图
  ①、荷载计算
  a箱梁砼自重
  取底板单位面积S=5.7㎡计算,用CAD计算求得跨中箱梁截面S=5.635m2
  G=5.635m3×27KN/m3=152.15KN
  偏安全考虑,取安全系数r=1.2,假设梁体全部重量仅作用于底板区域,底板面积为5.7m2,计算单位面积压力:
  q1=G÷S=152.15KN÷5.7 m2=26.69KN/m2
  b.模板及附件重统一取q2=3KN/m2
  c.施工活载(施工人员和施工料具等行走运输或堆放的荷载,按1.0KN/m2;振捣混泥土时产生的荷载,按2.0KN/m2)取q3 =3KN/m2
  d.钢管自重q4 按最高6米5层钢管考虑
  q4 =0.106×6= 0.64kN/m2
  ∑q=Q=K(q1+q2+q3+q4 )
  =1.2×(26.69+3+3+0.64)=40kN/m2   式中:K--安全系数取K=1.2
  ②、立杆强度验算
  a立杆承受荷载强度计算
  根据立杆的设计允许荷载,当横杆步距为125cm,立杆可承受的最大允许竖直荷载为[N]=33.1kN(参见路桥施工计算手册中表13-5钢管支架容许荷载[N]=33.1kN)
  N=QA=40×0.6×0.6=14.4KN<[N]=33.1kN
  故立杆满足强度要求。
  b.立杆稳定验算
  K1fc≤[fc]
  式中:
  [fc]——钢管设计强度,[fc]=205 N/mm2;
  K1——立杆稳定系数
  A——钢管截面积,A=489mm2
  N——立杆承受的竖向力,N=14.4KN
  i——钢管回转半径,
  i =(D/4)*sqrt(1+(d/D)^2) =(48/4)*sqrt[1+(41/48)2]=15.8 mm
  [φ] ≥N·(205A)-1 =14.4×103×(205×489)-1 = 0.144
  ∵λ=L/i =600/15.8=38
  查表得φ=0.893>0.144 稳定
  按设计强度计算立杆的压应力:
  fc =P/A=14.4×103/489=29.45N/mm2 <[fc]=205N/mm2
  按稳定性计算立杆的压应力:
  fc=P/φA
  =14.4×103 ÷(0.893×489)= 32.98N/mm2<[fc]=205N/mm2
  结论:立杆稳定。
  2.2.1.2、梁端截面箱身支架设计:
  ①、荷载计算
  本工程现浇箱梁支架按φ48×3.5mm钢管扣件架进行立杆内力计算,步距1.25m。在梁端截面,钢管扣件式支架体系按60×60×125cm进行验算。
  a.箱梁砼自重
  按最不利因素考虑,取按梁高1.65m作用在单位面积上,计算单位面积压力:
  q1=1.65×1×1×2700×10N/m2=44.55KN/m2
  b.模板及附件重统一取q2=3KN/m2
  c.施工活载取q3 =3KN/m2
  d.钢管自重q4 按最高6米5层钢管考虑
  q =0.106×6=0.636kN/m2
  ∑q=Q=K(q1+q2+q3 +q4 )=1.2×(44.55+3+3.0+0.636)=61.43kN/m2
  式中:K--安全系数取K=1.2
  ②、立杆强度验算
  a.立杆承受荷载强度计算
  根据立杆的设计允许荷载,当横杆步距为125cm,立杆可承受的最大允许竖直荷载为[N]=33.1kN(参见路桥施工计算手册中表13-5钢管支架容许荷载[N]=33.1kN)
  N=QA=61.43×0.6×0.6=22.12KN<[N]=33.1kN
  故立杆满足强度要求。
  b.立杆稳定验算
  K1fc≤[fc]
  式中:
  [fc]——钢管设计强度,[fc]=205 N/mm2;
  K1——立杆稳定系数
  A——钢管截面积,A=489mm2
  N——立杆承受的竖向力,N=22.12KN
  i——钢管回转半径,
  i =(D/4)*sqrt(1+(d/D)^2) =(48/4)*sqrt[1+(41/48)2]=15.8 mm
  [φ] ≥N·(205A)-1 =22.12×10?×(205×489)-1 = 0.221
  ∵λ=L/i =600/15.8=37.98
  查表得φ=0.893>0.221 穩定
  按设计强度计算立杆的压应力:
  fc =P/A=22.12×103/489= 45.24N/mm2 <[fc]=205N/mm2
  按稳定性计算立杆的压应力:
  fc=P/φA
  =22.12×103 ÷(0.893×489)= 50.66N/mm2<[fc]=205N/mm2
  结论:立杆稳定。
  ③、横向杆稳定验算
  因为荷载全部由立杆上部的顶升降杆承担,传给立杆,所以,横向杆基本上不承担外荷载,因横杆两端为铰接,水平推力为零,只在施工时承担部分施工荷载及自身重力。
  q=q1+q2=2.5+0.105=2.605KN/m2
  式中q1为施工人群荷载,q2为自身重力
  弯矩Mmax=qL2/8 =2.605×0.62 /8 = 0.117 KN·m
  横向杆的容许弯矩
  [M]=[fc]W
  式中:[fc]—— 钢管设计抗弯强度 [fc]=205KN/mm2
  W—— 钢管截面抵抗矩
  参见路桥施工计算手册中表13-4钢管截面抵抗矩W=5.078×10?mm?
  [M]=205×5.078×10?=1040990N·mm=1.041 KN·m
  Mmax=0.117KN·m<[M]=1.041KN·m
  结论:横向杆抗弯强度满足要求。
  2.2.1.3、支架刚度(挠度)验算
  a.挠度验算
  ωmax = 5qL4/384EI
  式中:ωmax——最大挠度   (1)前期准备
  预应力筋张拉前砼强度必须达到达到90%设计强度,张拉设备、锚垫板位置准确平整、无杂物、无空洞。若有空洞或其它缺陷,应在拆模后采取补强措施,待达到强度后,才可进行张拉。
  (2)锚具及千斤顶的安装
  ①清除钢绞线上的杂物,先用钢刷清除干净,再用棉纱擦拭干净,不得留任何的砂粒或砼残余,以防出现滑丝,使以后处理增加难度。
  ②端头搭设支架,采用碗扣式支架设工作台架,用手动葫芦升降,横杆上用滑轮挂钩以便横向平移。
  ③安装顺序
  安装工作锚环 安装工作夹片 安装限位板 安装就位千斤顶 安装工具锚 安装工具夹片
  ④安装锚具及千斤顶的注意事项
  安装锚具前,应将钢绞线表面粘着的泥砂及灰浆用钢丝刷清除。锚环或锚板表面的防锈油可不再清除,但锥型孔必须保持清洁,不得有泥土、砂粒等脏物。
  安装锚具时,应注意工作锚环或锚板对中,夹片均匀打紧并外露一致。
  安装千斤顶时,应特别注意其活塞上的工具锚的孔位和构件端部工作锚的孔位排列一致。严禁钢绞线在千斤顶的穿心孔内发生交叉,以免张拉时出现断丝等事故。
  工具锚的夹片,应注意保持清洁和良好的润滑状态,新的工具锚夹片第一次使用前,应在夹片背面涂上润滑脂。以后每使用5-10次,应将工具锚上的挡板连同夹片一起卸下,向锚板的锥孔中重新涂上一层润滑脂,以防夹片在退楔时被卡住。
  (3)钢绞线张拉
  预应力钢束张拉时须两端同时张拉和顶锚。
  ①张拉顺序
  0 10%σk 100%σk(或103%σk) 持荷5分钟锁定
  张拉控制应力为σk=0.75fpk=1395Mpa。
  张拉时以应力控制为主,实测伸长值和理论伸长值进行比较,不应大于6%,实行应力与伸长值双控。
  ②实际伸长值计算公式如下:
  ΔL实=ΔL2-ΔL1-(ΔL′1-ΔL′2)
  ΔL1——张拉至10%σk時千斤顶的活塞长
  ΔL2——张拉至张拉完成时千斤顶的活塞长
  ΔL′1——张拉至10%σk工具夹片长度
  ΔL′2——张拉至张拉完成时工具夹片的长度
  ③张拉要点
  应尽量减小力筋与孔道摩擦,以免造成过大的应力损失或使构件出现裂缝、翘曲变形。张拉时,测量伸长的原始空隙、伸长值等工作应在两端同时进行,千斤顶就位后,应先将主油缸少许充油,使之蹬紧,让预应力筋绷直,在预应力筋拉至规定的初应力时,应停止进油测原始空隙。
  后张法实测项目
  8.2、管道压浆
  (1)各预应力束张拉完成后,在24小时内压浆,浆体标号不小于40Mpa。
  (2)水泥浆经充分拌和后,再加入膨胀剂,拌和时间不少于2分钟。水泥浆自调制至压入孔道的持续时间,不宜超过30至45分钟。
  (3)压浆采用真空压浆机,压浆须达饱满,即由一端压入,至另一端冒出均匀浓浆时停止,持压0.5-0.7Mpa5min。压浆时,不得停止搅拌。
  (4)施工过程中详细记录(包括管道的压浆日期,水灰比及膨胀剂、压浆压力等),并由监理工程师现场签认。
  (5)压浆前用高压水充分湿润波纹管道。排气管设在管道曲线的最高处,压浆排气管出口在压浆过程及浆体初凝前应高于管道不小于50厘米。
  (6)压满浆的管道应进行保护,在一天内不受振动,管道内水泥浆在注入48小时内砼温度不得低于5℃,否则应采取保温措施;当白天气温高于35℃时压浆宜在夜间进行。
  8.3、封锚
  孔道压浆后应立即将梁端水泥浆冲洗干净,用砂轮片切去端头多余钢绞线,保留钢绞线外露长度不小于3cm。封端砼的浇筑程序如下:
  (1)设置端部钢筋网。
  (2)妥善固定封端模板,以免在浇筑砼时跑模。
  (3)封端砼为C50微膨胀砼。
  (4)浇筑封端砼时,要仔细操作并认真插捣,使锚具处的砼密实。
  (5)封端砼浇筑完毕,待砼初凝后,带模浇水养护。脱模后在常温下一般养护时间不少于7昼夜。
  9、模板及支架拆除
  砼强度达到2.5Mpa以上后可拆侧模。待张拉压浆完毕,水泥浆强度达到100%后即进行支架的拆除。拆除时应从跨中向两侧对称缓慢进行,不得骤然卸落。
  五、质量保证措施
  成立以项目技术负责人为组长的工程质量管理小组,具体控制措施如下:
  ①把好重点部位和关键工序质量关。
  ②实行逐级技术交底制度,使每一位施工人员明白各个工序的质量标准。
  ③做好生产班组的自检、互检和交接检以及专检工作,施工前对工程所采用的原材料进行严格检验,并报请监理工程师审批后方可使用;施工中实行工序交接单制度,上道工序完成,经检验合格后方可交接,进行下道工序的施工。
  ④加强质量教育,提高全体职工的质量意识。
  ⑤严把图纸审核关,组织技术人员对图纸进行认真审核,彻底了解各细部结构和施工顺序,严格按设计图纸和规范组织实施。
  ⑥严把关键工序过程控制,加强事先交底与过程控制,使施工完全处于受控状态,保质保量完成好施工任务。
  六、施工总结
  1、加强支架立杆基础的处理,确定其承载力满足荷载要求,并做好基础周围排水以及表面封水工作。
  2、认真做好支架预压,严格确保预压强度及周期,并跟踪测量记录,利于检验支架的荷载能力,同时为现浇箱梁预拱度的合理设置提供基础的科学依据。
  3、现浇混凝土达到强度要求后,严格按照设计及规范要求做好预应力钢绞线的张拉施工,采用张拉力和伸长量指标双控,最后稳定持荷进行锁定。
  参考文献:
  [1] 《两阶段施工图设计》,中国公路工程咨询集团有限公司,2012.8
  [2] 向中富,《新编桥梁施工工程师手册》,人民交通出版社
  [3] JTG/T F50-2011,《公路桥涵施工技术规范》,中华人民共和国交通运输部发布
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