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摘要挂篮施工是高速公路施工中的关键技术研究内容,本文首先分析了常用挂篮的形式及特点,并设计和制作了自锚式轻型三角挂篮,从挂篮的设计、安装、前移、施工检查等各施工环节进行研究,制定一系列的施工工艺,通过工程实践证明自锚式轻型三角挂篮是符合工程要求的。
关键词高速公路挂篮施工技术施工控制
中图分类号:U415文献标识码:A
挂篮是悬臂浇筑施工的主要施工设备,在施工中架设模板、安装钢筋、浇筑混凝土、施加预应力等工作均是在挂篮的工作平台上进行,挂篮结构、参数等选用的合适与否,会对施工进度和质量产生较大的影响,可以说,挂篮的设计与应用的研究是悬臂施工技术的一项至关重要的内容。
1 挂篮形式及关键问题分析
常用挂篮按构造形式分为精架式、斜拉式、三角形、菱形四种;按挂篮抗倾覆平衡方式可分为压重式、锚固式、半锚固半压重式三种;按其移动方式分为滚动式、滑动式和组合式三种。平行精架式又分为有平衡重挂篮和无平衡重挂篮,由于其自身荷载较大,目前在国内应用受到限制;弓弦精架式挂篮较轻,精高随弯矩变化而变化,受力较合理,但杆件数量较多,制作安装不便;斜拉滑动式挂篮采用无平衡重施工,重量较轻,但当桥梁跨度和高度都较大时,由于斜拉杆长度较大,其弹性伸长量增大,上、下限位装置的水平力随之增大,另外斜拉式挂篮多用在斜拉桥中,对连续梁、连续刚构桥梁施工需施工设计、布置斜拉杆,一般不采用;三角形组合梁挂篮和菱形挂篮受力明确、合理,结构简单,若三角形组合梁挂篮在纵移时省去平衡压重,这两种挂篮应是国内悬臂浇筑中首选的挂篮结构形式,其优缺点分别是:(1)菱形挂篮其主承重系与底篮及其他部分在前移时可同步一次性就位,减少了工序,而三角挂篮前移时分两次就位,先是挂篮主承重部分带动滑梁就位,然后是内、外模和底篮沿滑梁滚动就位。(2)菱形挂篮相对三角挂篮为箱梁顶面提供了更加宽敞的作业空间,改善施工人员的作业环境。(3)菱形挂篮外宽尺寸大于桥面宽度,当两幅桥分隔间距很小时,挂篮整体移动较为困难,而三角挂篮外宽尺寸均在桥面之内,对于左右幅分隔距离较小的桥梁就比较适合。
挂篮设计需解决的关键问题如下:(1)根据结构特点,选择合理并且符合施工实际的挂篮结构形式,既要重量轻,又要具有足够的刚度。(2)挂篮的后锚系统。锚固于已浇筑梁段的混凝土中。在下一梁段混凝土浇筑中,通过后锚装置克服浇筑混凝土产生的倾覆力矩,确保挂篮施工安全。(3)挂篮的行走锚固。挂篮的行走是决定挂篮施工进度及安全的关键因素之一,在行走的同时,要保证挂篮稳定,不倾覆,便于调节。为方便挂篮行走,宜采用无平衡重行走方式。(4)内、外模的移动和固定。内、外模的移动方式和固定方式,直接影响挂篮就位的速度、安全、施工进度及混凝土的外观质量。(5)挂篮必须满足梁段混凝土的浇筑作业,便于模板的安装以及预应力筋张拉、孔道压浆等施工作业。
2 自锚式轻型三角挂篮的结构形式
根据以上的分析及设计依据,在吸取国内几种挂篮优点的基础上,本文设计加工了自锚式轻型三角挂篮并对其应用性能展开了研究。
图1自锚式轻型三角挂篮
所设计的自锚式轻型三角挂篮由三角形承重主构架、行走系统、后锚系统、悬吊系统、模板系统及张拉作业平台组成。如图1所示,现将其各部分的具体设计详述如下。
挂篮承重主构架的下弦杆及斜拉杆均由2[28槽钢组成,材料采用16Mn钢,[€%l]=200MPa,[€%lw]=210MPa,[€%m]=0.6[ 6 ]=120MPa。
前上横梁、前下横梁及后横梁均由2 [40b槽钢组成,纵梁由2 [36b槽钢组成,均采用Q235钢材,E=2.1l05MPa,[€%l]=215MPa,[€%m]=125MPa。
前、后吊带均采用截面规格为15032mm的16Mn钢板条;当前吊带需接长时,采用2根截面规格为15020mm的吊带(采用16Mn钢板条)与1根截面规格为15032mm的吊带通过销轴联结;销轴采用规格为M50的40CrMo棒材,屈服强度825MPa,容许应力[€%l]=0.7825MPa=577.5MPa,容许剪应力[€%m]=0.6[€%l]=346。5MPa。
箱梁翼缘板模板及箱梁内顶模均采用1€%o32精轧螺纹粗钢筋吊杆吊挂,€%o32精轧螺钢筋采用40Si2Mov钢材,屈服强度750MPa,容许应力[€%l]=0.7750MPa=525MPa,容许剪应力[€%m]=0.6[€%l]=315MPa。
挂篮后锚系统采用6€%o25精轧螺纹钢筋,尽量利用桥梁已有的竖向预应力筋,€%o25精轧螺纹钢筋采用40Si2Mov钢材,屈服强度750MPa,容许应力[€%l]=0.7 €?50MPa= 525MPa,容许剪应力[€%m]=0.6[€%l]=315MPa。
3 挂篮的应用
3.1 挂篮试压
挂篮是悬臂浇筑施工中主要的设备,为保证施工安全、检验挂篮的承载能力、测定挂篮主构架的弹性变形线形关系并部分消除挂篮主构架的非弹性变形,在使用挂篮前要先在地面上进行承载能力的测试,以掌握挂篮的受力特性。
挂篮主构架试压的加载:挂篮主构架试验安排在己施工完成的7#台混凝土基础上进行,后锚处采用8根€%o32精轧螺纹钢筋硫磺锚固,加载采用两架100t千斤顶在前上横梁按设计承重进行分步加载,加载最大荷载按特大桥最重梁段混凝土重量15#梁段,重106 9t的14倍(1500KN)进行控制。对挂篮主构架进行试压试验时分三次加载,每次加载500KN,并稳载在1500KN,前两次加载时荷载持续时间不少于30mm,第三次加载时荷载持续时间不小于2h,测出其弹性下沉量(前上横梁处)及非弹性下沉量(可得到消除),弹性下沉量可作为立底模时提高预拱度的依据。每个千斤顶按250KN, 500KN,750KN加载。每次加载到位后持载30mm再进行观测,待观测后再进行下级荷载的施加;终极荷载施加就位后持载2h后再进行观测;终极荷载观测完成后进行卸载。加载和卸载时,注意两个千斤顶要同步进行。
挂篮主构架试压的观测要求:在前上横梁跨中和后锚位置上布设固定的观测点;在稳定的地方架设水准仪;加载前先进行观测点的初始高程H1观测;各级荷载施加完成后均进行测点高程H2观测;荷载卸载完成后再进行测点的高程H3观测。
试压成果:(1)经试压观测:本桥挂篮主构架观测点最大变形为16mm(其中非弹性变形在试压后认为已消除),由挂篮的变形线形关系可知本挂篮主构架在使用过程中均处于正常的弹性工作阶段。(2)首先根据通过观测点的初始高程H1与卸载后高程H3进行比较,计算出挂篮主构架的非弹性变形为8mm;(3)由各级荷载测点的高程H2与卸载后高程H3比较,计算出挂篮主构架的弹性变形。
3.2 挂篮安装
(1)0#段施工完成、预应力筋张拉完毕后,将解段挂篮轨道所在位置顶面清理干净,测量放样,铺设轨枕,利用竖向预应力筋固定好滑道。(2)安放主构架。每片主构架先在地面组装,然后吊装,锚好后锚并加临时支撑,两片主桁架安放定位完成后,再安装横联。(3)安装前上横梁、前下横梁及悬吊装置。(4)安装后横梁。借助倒链将其吊起,再装吊杆。(5)安装挂篮纵梁及底模板,并将底模板与纵梁联接固定。(6)安装外模。将外模用倒链临时吊住,吊起外滑移纵梁,使其穿过外模支撑衍架,前端通过吊杆固定在前上懂梁,后端利用滚轴及吊杆固定在己浇筑混凝土顶板上。(7)调整、上紧各吊杆,底模、外模就位,上好模板顶拉杆、底拉杆,即可开始钢筋作业。(8)绑扎好箱梁底板、腹板钢筋、预应力管道及预埋件后,安装内模,将内模后锚0#段顶板,前端悬吊于主桁前上横梁,校准、加固,完成挂篮的安装。(9)绑扎顶板钢筋、预应力管道及预埋件,检查台格后即可进行混凝土浇筑施工。
3.3 挂篮前移
利用挂篮浇筑完成一个梁段并完成纵向预应力钢绞线张拉后,按照以下步骤进行挂篮的前移作业。
(1)铺设轨道。先清理轨道所在位置箱梁顶面的杂物、放样、锚固轨道,然后安装纵移动力倒链,倒链前端挂在轨道上,后端挂在挂篮主构架的拉环上。
(2)松开模板。先松开侧模的顶拉杆、底拉杆及内外模间的拉杆,松开内、外模滑移梁吊杆,而后拆除底模后锚,放松底模前吊杆,使底模、侧模离开梁体10-15cm,利用内模架上的丝杆拉紧内侧模,使内模离开梁体。
(3)挂篮前移。检查底模、侧模、内模都完全脱离混凝土面后,施工人员离开模架,解除后锚杆,检查钣钩是否异常,无异常则拉动挂好的两个倒链使挂篮慢慢前移。挂篮前移时,外模、内模通过滑梁随主构架一起前移。在挂篮前移过程中,应使倒链同时拉动,同一“T”构的两个挂篮应对称前移,以防桥墩承受过大的不对称荷载。
(4)挂篮到位后,检查主桁位置是否准确,调整无误后即可将主构架尾部锚固好,进行挂篮的调整、安装工作。
3.4 挂篮维修、保养规定
经常检查挂篮杆件有无变形,模板面是否平整,螺栓有无松动,发现问题及时解决,保证施工安全。经常检查各部分尺寸是否准确,两桁间距、预留孔道是否正确。经常检查各部分受力情况,确保各杆件松紧一致,受力均匀。挂篮前移过程中,应有专人指挥,以保证两侧同步及前移安全。底模后锚千斤顶、主桁前上横梁上调节吊带高度的千斤顶在每次使用前都要进行仔细检查,并对其进行保养。挂篮移动就位后,首先作好固定及后锚工作,然后再进行其它作业。
4 结论
通过对高速公路施工中的连续钢构桥悬臂浇筑施工的实践经验,证明在施工中自锚式轻型三角挂篮能够达到设计和施工所规定的各项技术指标,结构重量轻,用材省,经济性好;拼装、移动速度快,并且在移动中由于临时后锚的作用,挂篮在移动中不会发生较大的偏移,方便调整挂篮的轴线;挂篮变形小,三角主构架经试压试验非弹性变形只有8mm,有效地保证了混凝土施工的质量及精度:使用安全可靠,便于施工控制。施工的中线偏差小于5mm,合拢精度也在6mm以内,保证了桥梁的线型质量。
关键词高速公路挂篮施工技术施工控制
中图分类号:U415文献标识码:A
挂篮是悬臂浇筑施工的主要施工设备,在施工中架设模板、安装钢筋、浇筑混凝土、施加预应力等工作均是在挂篮的工作平台上进行,挂篮结构、参数等选用的合适与否,会对施工进度和质量产生较大的影响,可以说,挂篮的设计与应用的研究是悬臂施工技术的一项至关重要的内容。
1 挂篮形式及关键问题分析
常用挂篮按构造形式分为精架式、斜拉式、三角形、菱形四种;按挂篮抗倾覆平衡方式可分为压重式、锚固式、半锚固半压重式三种;按其移动方式分为滚动式、滑动式和组合式三种。平行精架式又分为有平衡重挂篮和无平衡重挂篮,由于其自身荷载较大,目前在国内应用受到限制;弓弦精架式挂篮较轻,精高随弯矩变化而变化,受力较合理,但杆件数量较多,制作安装不便;斜拉滑动式挂篮采用无平衡重施工,重量较轻,但当桥梁跨度和高度都较大时,由于斜拉杆长度较大,其弹性伸长量增大,上、下限位装置的水平力随之增大,另外斜拉式挂篮多用在斜拉桥中,对连续梁、连续刚构桥梁施工需施工设计、布置斜拉杆,一般不采用;三角形组合梁挂篮和菱形挂篮受力明确、合理,结构简单,若三角形组合梁挂篮在纵移时省去平衡压重,这两种挂篮应是国内悬臂浇筑中首选的挂篮结构形式,其优缺点分别是:(1)菱形挂篮其主承重系与底篮及其他部分在前移时可同步一次性就位,减少了工序,而三角挂篮前移时分两次就位,先是挂篮主承重部分带动滑梁就位,然后是内、外模和底篮沿滑梁滚动就位。(2)菱形挂篮相对三角挂篮为箱梁顶面提供了更加宽敞的作业空间,改善施工人员的作业环境。(3)菱形挂篮外宽尺寸大于桥面宽度,当两幅桥分隔间距很小时,挂篮整体移动较为困难,而三角挂篮外宽尺寸均在桥面之内,对于左右幅分隔距离较小的桥梁就比较适合。
挂篮设计需解决的关键问题如下:(1)根据结构特点,选择合理并且符合施工实际的挂篮结构形式,既要重量轻,又要具有足够的刚度。(2)挂篮的后锚系统。锚固于已浇筑梁段的混凝土中。在下一梁段混凝土浇筑中,通过后锚装置克服浇筑混凝土产生的倾覆力矩,确保挂篮施工安全。(3)挂篮的行走锚固。挂篮的行走是决定挂篮施工进度及安全的关键因素之一,在行走的同时,要保证挂篮稳定,不倾覆,便于调节。为方便挂篮行走,宜采用无平衡重行走方式。(4)内、外模的移动和固定。内、外模的移动方式和固定方式,直接影响挂篮就位的速度、安全、施工进度及混凝土的外观质量。(5)挂篮必须满足梁段混凝土的浇筑作业,便于模板的安装以及预应力筋张拉、孔道压浆等施工作业。
2 自锚式轻型三角挂篮的结构形式
根据以上的分析及设计依据,在吸取国内几种挂篮优点的基础上,本文设计加工了自锚式轻型三角挂篮并对其应用性能展开了研究。
图1自锚式轻型三角挂篮
所设计的自锚式轻型三角挂篮由三角形承重主构架、行走系统、后锚系统、悬吊系统、模板系统及张拉作业平台组成。如图1所示,现将其各部分的具体设计详述如下。
挂篮承重主构架的下弦杆及斜拉杆均由2[28槽钢组成,材料采用16Mn钢,[€%l]=200MPa,[€%lw]=210MPa,[€%m]=0.6[ 6 ]=120MPa。
前上横梁、前下横梁及后横梁均由2 [40b槽钢组成,纵梁由2 [36b槽钢组成,均采用Q235钢材,E=2.1l05MPa,[€%l]=215MPa,[€%m]=125MPa。
前、后吊带均采用截面规格为15032mm的16Mn钢板条;当前吊带需接长时,采用2根截面规格为15020mm的吊带(采用16Mn钢板条)与1根截面规格为15032mm的吊带通过销轴联结;销轴采用规格为M50的40CrMo棒材,屈服强度825MPa,容许应力[€%l]=0.7825MPa=577.5MPa,容许剪应力[€%m]=0.6[€%l]=346。5MPa。
箱梁翼缘板模板及箱梁内顶模均采用1€%o32精轧螺纹粗钢筋吊杆吊挂,€%o32精轧螺钢筋采用40Si2Mov钢材,屈服强度750MPa,容许应力[€%l]=0.7750MPa=525MPa,容许剪应力[€%m]=0.6[€%l]=315MPa。
挂篮后锚系统采用6€%o25精轧螺纹钢筋,尽量利用桥梁已有的竖向预应力筋,€%o25精轧螺纹钢筋采用40Si2Mov钢材,屈服强度750MPa,容许应力[€%l]=0.7 €?50MPa= 525MPa,容许剪应力[€%m]=0.6[€%l]=315MPa。
3 挂篮的应用
3.1 挂篮试压
挂篮是悬臂浇筑施工中主要的设备,为保证施工安全、检验挂篮的承载能力、测定挂篮主构架的弹性变形线形关系并部分消除挂篮主构架的非弹性变形,在使用挂篮前要先在地面上进行承载能力的测试,以掌握挂篮的受力特性。
挂篮主构架试压的加载:挂篮主构架试验安排在己施工完成的7#台混凝土基础上进行,后锚处采用8根€%o32精轧螺纹钢筋硫磺锚固,加载采用两架100t千斤顶在前上横梁按设计承重进行分步加载,加载最大荷载按特大桥最重梁段混凝土重量15#梁段,重106 9t的14倍(1500KN)进行控制。对挂篮主构架进行试压试验时分三次加载,每次加载500KN,并稳载在1500KN,前两次加载时荷载持续时间不少于30mm,第三次加载时荷载持续时间不小于2h,测出其弹性下沉量(前上横梁处)及非弹性下沉量(可得到消除),弹性下沉量可作为立底模时提高预拱度的依据。每个千斤顶按250KN, 500KN,750KN加载。每次加载到位后持载30mm再进行观测,待观测后再进行下级荷载的施加;终极荷载施加就位后持载2h后再进行观测;终极荷载观测完成后进行卸载。加载和卸载时,注意两个千斤顶要同步进行。
挂篮主构架试压的观测要求:在前上横梁跨中和后锚位置上布设固定的观测点;在稳定的地方架设水准仪;加载前先进行观测点的初始高程H1观测;各级荷载施加完成后均进行测点高程H2观测;荷载卸载完成后再进行测点的高程H3观测。
试压成果:(1)经试压观测:本桥挂篮主构架观测点最大变形为16mm(其中非弹性变形在试压后认为已消除),由挂篮的变形线形关系可知本挂篮主构架在使用过程中均处于正常的弹性工作阶段。(2)首先根据通过观测点的初始高程H1与卸载后高程H3进行比较,计算出挂篮主构架的非弹性变形为8mm;(3)由各级荷载测点的高程H2与卸载后高程H3比较,计算出挂篮主构架的弹性变形。
3.2 挂篮安装
(1)0#段施工完成、预应力筋张拉完毕后,将解段挂篮轨道所在位置顶面清理干净,测量放样,铺设轨枕,利用竖向预应力筋固定好滑道。(2)安放主构架。每片主构架先在地面组装,然后吊装,锚好后锚并加临时支撑,两片主桁架安放定位完成后,再安装横联。(3)安装前上横梁、前下横梁及悬吊装置。(4)安装后横梁。借助倒链将其吊起,再装吊杆。(5)安装挂篮纵梁及底模板,并将底模板与纵梁联接固定。(6)安装外模。将外模用倒链临时吊住,吊起外滑移纵梁,使其穿过外模支撑衍架,前端通过吊杆固定在前上懂梁,后端利用滚轴及吊杆固定在己浇筑混凝土顶板上。(7)调整、上紧各吊杆,底模、外模就位,上好模板顶拉杆、底拉杆,即可开始钢筋作业。(8)绑扎好箱梁底板、腹板钢筋、预应力管道及预埋件后,安装内模,将内模后锚0#段顶板,前端悬吊于主桁前上横梁,校准、加固,完成挂篮的安装。(9)绑扎顶板钢筋、预应力管道及预埋件,检查台格后即可进行混凝土浇筑施工。
3.3 挂篮前移
利用挂篮浇筑完成一个梁段并完成纵向预应力钢绞线张拉后,按照以下步骤进行挂篮的前移作业。
(1)铺设轨道。先清理轨道所在位置箱梁顶面的杂物、放样、锚固轨道,然后安装纵移动力倒链,倒链前端挂在轨道上,后端挂在挂篮主构架的拉环上。
(2)松开模板。先松开侧模的顶拉杆、底拉杆及内外模间的拉杆,松开内、外模滑移梁吊杆,而后拆除底模后锚,放松底模前吊杆,使底模、侧模离开梁体10-15cm,利用内模架上的丝杆拉紧内侧模,使内模离开梁体。
(3)挂篮前移。检查底模、侧模、内模都完全脱离混凝土面后,施工人员离开模架,解除后锚杆,检查钣钩是否异常,无异常则拉动挂好的两个倒链使挂篮慢慢前移。挂篮前移时,外模、内模通过滑梁随主构架一起前移。在挂篮前移过程中,应使倒链同时拉动,同一“T”构的两个挂篮应对称前移,以防桥墩承受过大的不对称荷载。
(4)挂篮到位后,检查主桁位置是否准确,调整无误后即可将主构架尾部锚固好,进行挂篮的调整、安装工作。
3.4 挂篮维修、保养规定
经常检查挂篮杆件有无变形,模板面是否平整,螺栓有无松动,发现问题及时解决,保证施工安全。经常检查各部分尺寸是否准确,两桁间距、预留孔道是否正确。经常检查各部分受力情况,确保各杆件松紧一致,受力均匀。挂篮前移过程中,应有专人指挥,以保证两侧同步及前移安全。底模后锚千斤顶、主桁前上横梁上调节吊带高度的千斤顶在每次使用前都要进行仔细检查,并对其进行保养。挂篮移动就位后,首先作好固定及后锚工作,然后再进行其它作业。
4 结论
通过对高速公路施工中的连续钢构桥悬臂浇筑施工的实践经验,证明在施工中自锚式轻型三角挂篮能够达到设计和施工所规定的各项技术指标,结构重量轻,用材省,经济性好;拼装、移动速度快,并且在移动中由于临时后锚的作用,挂篮在移动中不会发生较大的偏移,方便调整挂篮的轴线;挂篮变形小,三角主构架经试压试验非弹性变形只有8mm,有效地保证了混凝土施工的质量及精度:使用安全可靠,便于施工控制。施工的中线偏差小于5mm,合拢精度也在6mm以内,保证了桥梁的线型质量。