随着技术理论的进步,材料设备迅速发展,拱桥逐步成为跨越高山深谷的桥型结构,并随着钢筋混凝土拱桥问世,拱桥的施工工艺得到不断发展。钢筋混凝土具有节省资金、跨越能力大、受力合理、整体性好、结构造型美观与周边环境浑然一体且后期养护费用低、维修简单的优势,往往成为桥型比选方案中的推荐方案。

从我国目前拱桥施工技术上来看,钢筋混凝土拱桥施工多采用悬拼法、整体支架法或转体法施工,但这些方法都受限于地形条件约束。随着山区拱桥发展,采用悬臂浇筑法施工的技术特点解决了地形条件的影响,成为大跨度、深沟谷、地形陡峭地带修建拱桥的首选方法。在国外,悬臂法现浇混凝土拱桥技术已经比较成熟,而在我国目前已建成的同类型桥中仅有3座,施工技术还处于发展阶段,挂篮是悬浇拱桥中的一个重点部分,本文以某特大桥为施工背景,对挂篮的设计及施工过程控制的关键点做一些技术探讨和分析。

某特大桥位于德江县境内,桥跨布置为2×30m T梁+180m主跨+2×30m预制T梁,全桥长327.595m,分左、右幅。主桥为钢筋混凝土箱形拱桥,净跨径180m,净矢高32m,净矢跨比1/5.625,拱轴系数1.756,为等高截面悬链线拱,拱圈横向宽7.5m,高3.3m。整个拱箱分29个节段施工,其中两岸各设一个拱脚现浇段,拱顶设一个吊架浇筑合龙段,拱圈2~14号节段采用挂篮进行浇筑,其中2号节段长度最大,为7.579m,3号节段质量最大,为221.5t。悬浇拱桥在日本施工较多,国外拱桥悬臂浇筑长度均在1.5~4.5m,而某特大桥节段最长7.579m,为挂篮设计增加了难度。

挂篮悬臂法浇筑拱桥,其技术特点有点类似于斜拉桥主梁挂篮悬浇施工,但区别在于拱桥挂篮是在弧形结构上施工,此外,斜拉桥的扣锚索结构是作为永久结构使用,而拱桥的扣锚索仅是临时施工结构,施工过程索力不断变化,且成桥后拉索都要拆除,对拱圈结构内力、线型要求更高。

拱圈两岸设置一个现浇段,完成现浇段施工后再进行挂篮安装,再由挂篮逐节段由两边向跨中合龙,如图1所示。

挂篮设计为下承式倒三角挂篮,主要由承重主桁、行走系统、定位系统、锚固系统、主顶系统、模板系统等组成,挂篮及模板总重约95t。倒三角挂篮采用2片承重桁架受力,中心间距为6.66m,总长17.1m,总高10.3m,其中倒三角高4m,前承重梁长9.2m,后承重梁长7.9m。挂篮两片桁架采用三角形连接形成整体。如图2所示。

倒三角挂篮性能参数:浇筑节段最大质量221.5t,浇筑节段最大长度7.579m,挂篮自重53t,模板系统自重42t;挂篮行走方式:自行式履带小坦克;锚固方式自锚;悬臂端最大变形27.5mm。挂篮千斤顶设计参数如表1所示。

国内挂篮形式多样,承重桁架是影响挂篮自重最大的因素,挂篮的承重桁架形式主要有平行弦、弓弦式、菱形、三角形式、斜拉式等。受均布荷载最优的悬臂梁形式是三角形结构,对于斜拉式因刚度比较差,所以三角形的主桁结构是最优选择。

挂篮主桁结构确定仅是第1步,其次是确定挂篮承重形式,合理选择承重形式能最大限度地减少挂篮的锚固质量。

挂篮主桁在悬浇节段顶面上的称为上承式,承重结构在悬浇节段底面的称为下承式,上、下支撑方式关系到挂篮的重心高低,重心高低决定了挂篮的行走及工作是否平稳。三角形挂篮的支撑方式主要为上承式,但上承式主要用于T形刚构桥、连续梁桥和斜拉桥,对于拱桥悬浇,存在变角度机构复杂和重心高影响移动等。经过比较,采用主桁布置在拱箱下部的下承式。实践证明下承式挂篮适合在拱圈上施工及行走。

由于节段混凝土质量大,承重结构避免常规挂腿受力,采用锚固系统的精轧螺纹钢受力,挂腿仅在挂篮空载时(在此主要是挂篮行走)受力。锚固结构作用在已浇筑的混凝土节段上,对于挂篮,相当于中支点作用。考虑到拱圈弧形结构,锚固系统中的锚固箱体设计为球铰,解决了拱圈弧形角度对挂篮锚固结构受力的影响。挂篮后支点为顶升千斤顶(行走时为后滑轮),主要平衡由悬臂端节段质量对中支点产生的弯矩作用。

承重主桁是挂篮支撑模板体系和悬浇荷载的主体结构。承重主桁的主要受力结构由2榀倒三角主桁构成,2榀倒三角主桁之间设置了前、中、后横梁进行连接,保证了结构的受力稳定,中横梁上设置了耳板连接锚固系统。在主桁中间设置了挂腿,挂腿是主顶系统调整挂篮姿态时的主要受力结构,同时也是挂篮行走时支撑挂篮自重的主要受力构件。为减小结构自重,结构主体除挂腿外其余部件均采用焊接双拼工字形断面,材质采用Q345材料。

行走系统的功能是实现挂篮空载前移功能,行走系统主要由行走轨道、履带式小坦克及液压千斤顶组成。液压结构与履带小坦克的组合提高了行走的机动性,履带式结构与轨道接触宽度17cm,使行走更平稳。如图3所示。

待已浇混凝土强度达标后,轨道先前移一个节段并锚固,主顶系统将挂篮下放,使小坦克落至行走轨道上,调节顶升机构使后行走小车受力,通过液压千斤顶推动挂篮前移。在前移过程中,更换油缸行程时需锁紧安全销防止挂篮倒退。该行走方式平稳、可靠。

锚固系统的主要作用是将挂篮自重和所承受的施工荷载传递到已浇梁段上,采用PSB830的40精轧螺纹钢筋将挂篮锚固在已浇筑的拱圈上面,共计12根精轧螺纹钢筋,左、右两侧各布置6根,每根设计受拉强度100k N。如图4所示。

定位系统实现挂篮浇筑前的初定位及微调定位功能,由顶升机构、止推机构等组成。挂篮由主顶系统提升到位,顶升机构放置在承重主桁尾部,顶升机构在挂篮定位时,调整挂篮前端的竖向标高,有一定的可调范围以满足施工要求。止推机构一方面承受挂篮的斜向分力,防止挂篮施工中下滑;另一方面,止推机构中装有液压千斤顶可以微调挂篮的纵向位置。如图5所示。

模板系统由外模系统和内模系统组成。外模系统由底模、侧模和顶模组成。为了在施工中尽量减小与拱曲线的误差,底模设计时满足挂篮模板最大以折带曲长度≤3.5m,并在底模上设置固定的调整量。

内模受横隔板的影响,无法做成大块模板整体随挂篮前移,只能设计成小块模板方便装拆。为考虑到交界墩内模与拱圈内模的通用,以及拱圈内箱室不同尺寸的通用,内模设计的最大尺寸为1m×1m,方便拆卸及搬运,同时每个截面留出10cm空隙用木方填满,以防止混凝土挤紧内模而无法拆除。

1)1号节段“斜拉支架”为三角托架与精轧螺纹钢扣索共同受力,保证精轧螺纹钢筋连接接头质量,混凝土浇筑过程中监控好墩柱偏位、墩底拉应力以及三角托架的变形。

2)挂篮采用倒三角桁架挂篮,挂篮安装就位后标高与设计标高差值≥35cm,则通过锚固系统调整挂篮标高;反之则采用后下横梁反力千斤顶调整。施工过程中主要控制好挂腿支撑点、锚固系统的锚固螺栓变形、止推装置、后下横梁反力支撑点等重要部位。挂篮通过挂腿上的履带式小坦克行走,注意挂篮前移过程中两边主桁速度需一致,防止挂篮扭曲。

3)悬浇节段浇筑前,应仔细检查挂篮的锚固系统、止推装置、穿扣索的预埋钢管以及沉降观测点等。

4)拱圈轴线为悬链线,每一节段的模板弧线均不相同,施工时模板采取以直代曲的方式,底模为1m/节,接头处通过调节螺杆使接头位置满足设计线型要求,侧模采取“下小上大”的设计方式,尽量缩小模板间的拼缝,不可避免的模板缝隙采用泡沫胶堵缝。

5)混凝土采用拌合站集中拌合,混凝土罐车运输到场,输送泵泵送入模,混凝土坍落度为16~20cm,初凝时间为10h,确保混凝土的和易性。混凝土浇筑过程中保证混凝土的连续性,避免施工冷缝。由于拱圈弧度较大,且拱箱内模为全封闭式,拱箱顶设置压模,为解决混凝土浇筑困难,施工时纵向每隔1m左右在3条腹板位置开孔,便于混凝土入模,在内箱底板每隔1m左右设置振捣孔,确保混凝土施工质量。

1)行走轨道安装轨道长12m,轨道上设置销轴孔,按50cm间距布置。轨道前端通过挡块扣在已浇筑混凝土节段悬臂端边缘截面上,可防止轨道下滑,同时轨道通过锚梁固定,防止轨道晃动,使行走过程轨道稳定、安全(每个节段轨道前移可通过卷扬机牵引至下一个节段)。

2)模板拆除拆除全部顶模板,然后通过侧模支撑拉杆旋动使侧模脱离,拉杆同时作用,平行脱离侧模并保证侧面距离混凝土边缘40cm以上,保证挂篮行走时侧模不会刮花混凝土面。

3)主顶千斤顶受力,拆除锚固系统拆除锚固系统精轧螺纹钢和分配梁,两侧同时进行。然后通过主顶千斤顶下放挂篮,使底模脱离混凝土,同时保证小坦克坐在轨道上受力即可。

4)挂篮的行走液压千斤顶后支座用销轴锁定,保证挂篮不会下滑,此时就可以拆除挂篮的止推机构。

5)顶升千斤顶回油,后滑轮贴在混凝土面受力,保持行走状态。后滑轮布置在挂篮主桁后支点,仅在挂篮行走时作用。挂篮行走时,由于挂篮自重影响,悬臂端质量大,后滑轮作为后支点作用于拱圈底面混凝土上,保证挂篮的稳定,同时滑轮结构起到减小摩擦作用,便于挂篮行走。

通过销轴锁住千斤顶后支座,液压千斤顶顶推挂篮向前滑行,每行走一个卡销的位置(50cm)就锁住千斤顶前支座即固定小坦克,通过行走千斤顶回油,把后支座往前跟进一个行程再锁定。如此反复操作,完成行走。具体操作步骤如下。

后支座布置在轨道上,采用抱箍的形式,可以在轨道上前后滑行。后支座上设置有插销孔,挂篮行走时,用销轴锁定在轨道上,相当于后支撑作用。千斤顶通过顶住后支座前推挂篮爬行。

前支座设置在挂篮的挂腿上,与千斤顶通过销轴连接。前支座上设置有履带小坦克,挂篮行走时,前支座在轨道上滑行,可以减小滑行摩擦,并且履带式的结构设计使行走更稳定、可靠。同样,与后支座一样,前支座抱箍在轨道上,并设置有插销孔,挂篮完成一个行程的行走时,需要锁定前支座才能将后支座向前拉动。

挂篮行走就位后,进行挂篮位置固定和调整:(1)安装止推机构防止挂篮下滑;(2)主顶千斤顶顶升挂篮,小坦克脱离轨道,此时行走系统已经不起作用,然后开始安装完成锚固系统,通过主顶千斤顶回油,进行受力体系转换,使挂篮受力由主顶千斤顶转换至锚固系统受力;(3)顶升千斤顶顶住混凝土面,后滑轮脱离混凝土;(4)挂篮标高调整通过锚固千斤顶进行挂篮上、下调整,通过止推机构千斤顶可进行挂篮左、右调整。挂篮调整就位后,再完成侧模调整。

在某特大桥挂篮安装过程中,受环境及吊装能力影响,挂篮只能单根结构吊装、拼装。承重主桁最重杆件为2.9t的挂腿,满足吊装要求。挂篮安装先将主横梁安装就位,通过锚固系统精轧螺纹钢固定,通过止推机构防止主梁下滑,然后再组装其余构件。挂篮安装完成后,通过顶升机构和主顶系统实现标高确定。

挂篮预压目的为消除挂篮的非弹性变形和确定弹性变形量,预压采用堆载法,按最重节段(3号段)质量221.5t的1.2倍加载。挂篮设置监测点,位置坐标采用全站仪极坐标法,在挂篮底模上左、中、右布置3个点;挂篮承重主桁应力控制,采用贴应变片监控。监测点在施工过程中持续进行。根据实际预压情况确定倒三角挂篮弹性变形为32mm,非弹性变形为18mm,为立模标高提供了重要的参数。

节段混凝土浇筑完成,实现索力张拉后,开始进行挂篮行走。首先拆除锚固系统即精轧螺纹钢拆除,通过主顶系统千斤顶下放挂篮,使小坦克坐在轨道上并受力,同时使主顶千斤顶不受力。行走千斤顶加载受力,使小坦克移动并拆除止推机构。行走千斤顶加载,前推挂篮行走,每走一步通过卡销固定挂篮防止挂篮后退。挂篮行走到位后,安装止推机构,然后通过主顶千斤顶顶升挂篮并安装锚固系统。

1)精轧螺纹钢施工时防止弯曲变形预埋孔道的预埋精度控制在20mm以内;挂篮行走到位时,挂篮上的孔道必须与预埋孔道保持一致,可采用止推千斤顶微调确定挂篮位置。

2)混凝土浇筑时,控制桥中心线两侧的偏载≤10t。

3)挂篮提升、下放时,主顶系统保证两侧同步进行,在两侧行走主桁上增加刻度并安排专门人员分别在两侧观察;挂篮行走过程中,保证轨道两侧履带小坦克同步前移,轨道锚梁稳固。

4)施工过程中对所有的连接部位进行常态化检查。

某特大桥左、右幅拱圈于2015年5月15日合龙(见图6),拱圈线型、成拱后拱圈的应力及变形均满足规范及设计要求。

施工过程中,拱圈混凝土的最大压应力≥-10MPa,最大拉应力1.73MPa(<1.83MPa)。

施工过程中,扣塔的最大偏位为25mm<30mm。

扣锚索索力最大误差为±5%。

拱圈对称截面高程的最大相对误差为20mm。

拱圈合龙段两端高程的最大相对误差为8mm,拱顶段高程误差为6mm。

1)某特大桥挂篮悬浇施工已经完成,在施工中,倒三角挂篮实现了在弧形结构的拱圈上浇筑、行走,结构稳定、可靠。而且拱圈节段总重221.5t,而挂篮及模板总重95t,比例系数为0.43,挂篮设计轻型化、标准化,有助于节约材料、便于运输和拆装,从经济效益上挂篮设计体现了成本控制。此外,因为结构为倒三角形式,主体构件在拱圈节段下侧,增大了施工人员在拱圈上施工操作空间,操作方便。

2)本文从结构设计和施工运用等方面对倒三角挂篮进行了设计,并通过施工总结挂篮的优缺点,为今后施工人员提供了有价值参考,希望不断完善挂篮的设计,继续提高挂篮悬浇拱桥的施工技术。

3)在国外,悬浇拱桥施工技术起步较早,建成的类似拱桥也已经很多,技术成熟。在国内,已建成的悬浇拱桥仅3座,某特大桥采用挂篮悬臂浇筑法施工,解决了山区V形峡谷修桥通路的难题。