大跨度连续梁桥挂篮法施工质量控制关键技术

时间：2024-08-31

路贺伟钱国飞

上海奉贤建设发展（集团）有限公司上海 201499

1 工程概况

新林公路（金海公路—浦星公路）新建工程位于上海市奉贤区青村镇境内，全长2.38 km，其中金汇港大桥是工程的关键。金汇港大桥全长664.00 m，主桥239.00 m，中跨108.00 m，两边跨各为65.50 m。主桥结构为连续混凝土箱梁，断面为单箱单室直腹板形式，梁顶宽度15.67 m，梁底宽度8.00 m，翼缘板宽度3.83 m，腹板厚50～100 cm，底板厚30～80 cm，顶板厚28 cm，如图1所示。采用挂篮法悬臂现浇施工，河道内不设桥墩，施工全过程不影响航道通行。

图1 箱梁断面示意

2 挂篮法施工工艺

2.1 挂篮结构简介

挂篮是悬臂浇筑过程中的主要施工设备，其主要功能是支撑现浇混凝土梁体，并提供施工操作平台。挂篮可分为多种类型，按照结构形式，可分为三角形挂篮、菱形挂篮、桁架式挂篮等；按平衡方式可分为压重式和自锚式；按行走方式，可分为滑移式和滚动式。挂篮结构组成通常包括承重系统、模板系统、走行系统、锚固系统和操作平台5个部分，各研究者的划分略有不同。本工程中采用自锚式菱形挂篮，其结构组成如图2所示。

图2 挂篮结构组成

本工程挂篮自重43.00 t，适用最大梁段质量145.50 t，挂篮自重与最大悬浇梁段质量比为0.296。挂篮适用最大梁段长度为4.50 m，梁顶宽度15.80 m，梁底宽度8.00 m，梁高2.80～6.35 m之间。取超载系数1.05，冲击系数1.30，抗倾覆稳定系数2.00，经验算合格，满足施工要求[1-3]。

2.2 挂篮法施工流程

桥墩、0#块和临时固结系统浇筑完成后，挂篮开始安装就位，预压完毕后开始悬臂浇筑梁段施工。挂篮施工首先从1#梁段开始，两侧对称施工，1#梁段浇筑、养生、张拉完毕后，挂篮前移，开始2#梁段施工，如此往复循环，直至合龙。挂篮法施工的主要流程包括如下步骤：

1）挂篮就位。0#块浇筑、养生、张拉完毕后，即可安装挂篮。挂篮安装于0#块伸出的悬臂段，对称实施。首先在0#块定位挂篮轨道中心线，铺设轨道；然后吊装菱形桁架、中门架和侧面吊架；再安装前横梁和桁架附件；接着安装吊杆及吊挂系统，进一步安装底托系统；之后逐次安装外侧模板、内模板和端模板；最后调整立模标高，挂篮安装完成。

2）挂篮预压。首次浇筑混凝土前，须对挂篮进行预压，其目的包括：检验挂篮的实际承载能力，确保最不利荷载条件下挂篮的安全性；实测挂篮的弹性和非弹性变形，消除非弹性变形；根据预压过程中的荷载-变形曲线，计算各节段浇筑过程中挂篮的竖向变形，确定模板标高。本工程中采用砂袋进行堆载预压，分段分批加载，每3 h加载一次，直至加载至设计荷载，挂篮稳定24 h后卸载，记录加载和卸载变形曲线[4,5]。

3）模板和钢筋安装。挂篮预压完成后，重新调整模板标高，按照计算标高安装模板，按底板模板、腹板内侧模板和顶板模板逐次进行。然后在模板内安装钢筋笼和预留混凝土管道，经检验合格后进入下道工序。

4）梁段混凝土浇筑。模板和钢筋笼安装完成后，可进行梁段混凝土浇筑。首先浇筑底板，再浇筑腹板，最后浇筑翼板和顶板。

5）混凝土养生。梁段混凝土浇筑完毕后进入养生期。

6）预应力张拉。经养生混凝土强度达到设计强度90%以上时，即可开始预应力钢绞线穿索、张拉。本工程中混凝土梁段为三向张拉体系，梁体竖向为精轧螺纹钢张拉，梁体纵向和横向为钢绞线张拉。

7）孔道压浆。预应力张拉完毕后尽快进行孔道压浆，应在48 h内完成，保证预应力体系与梁体形成统一整体，减少预应力损失和预应力筋锈蚀。

8）下节梁段施工。在梁段孔道压浆施工完毕后，即完成了本节段梁体的施工。通过挂篮吊杆系统松动模板和后锚系统，将挂篮前移，循环前面所述工序，准备下节段梁体施工。

3 质量控制关键技术

3.1 桥面高程控制

梁体0#块为挂篮施工提供了作业支撑，0#块完毕后即可开展后续梁段的悬臂浇筑。随着梁段的浇筑，梁体悬臂段逐渐增大，在梁体自重和施工荷载的作用下，每节梁段的挠度发生变化。新梁段的浇筑使得已浇筑梁段的标高降低，同时，其自身标高又受到该变化的影响。施工过程中，悬臂梁体挠度变化如图3所示。

图3 悬臂梁体挠度变化示意

一般而言，施工过程中悬臂梁体的挠度可采用有限元方法进行计算，从而，根据设计标高即可推算出施工过程中每节梁段的控制标高。本工程中梁体标高和线形的计算由专业的监控单位来实施，每节段出具监控报告。为保证梁体和桥面高程，施工过程中应密切关注每节梁段的标高，并随工程进度开展动态分析。梁段浇筑前，对已完悬臂梁体标高进行测试，经计算分析确定浇筑梁段的施工标高；挂篮前移就位后，结合挂篮预压曲线，综合考虑挂篮变形，设置预起拱，根据已确定的施工标高固定底模和侧模，完成挂篮和模板的安装。下节梁体浇筑时，循环执行上述流程，最终确保桥面高程的实时控制。以10#墩为例，从0#块向中跨方向，各节段底板设计标高及考虑预起拱后的实际立模标高数据见表1。

表1 各节段设计标高及实际控制标高

3.2 梁体混凝土浇筑

挂篮法施工作业面始终处于悬臂状态，其独特的施工方法对混凝土的浇筑工艺提出不同的要求。从梁体结构方面，须先浇筑箱梁底板，然后浇筑腹板，最后浇筑顶板和翼板。腹板和顶板的浇筑一次施工还是分2次施工，根据工程实际情况确定。从空间结构方面，底板、腹板和顶板混凝土浇筑时须首先浇筑悬臂段的外端，然后浇筑内端，避免新旧梁段交界面由于混凝土自重弯矩引起裂缝；翼板浇筑时先浇筑翼板外侧混凝土，逐渐向梁体中线靠拢，其主要目的也是避免产生裂缝[6,7]。

另外，浇筑过程中须对模板的变形进行密切观察，尤其是局部采用的木模。由于空间和工艺的限制，局部采用木模板在所难免，而这些位置往往是最容易产生应力集中的地方，由于固定不当很容易产生胀模和漏浆，影响混凝土强度和外观。本工程中，箱体内部的张拉槽台木模一开始由于固定不当产生了胀模和漏浆。其后，经过改进才避免了该情况的发生。

3.3 预应力管道安装与张拉

预应力体系为钢筋混凝土梁体提供了人为约束，增强了梁体结构的抗弯拉性能。该桥采用三维预应力张拉体系，梁体纵向、横向和竖向，将各梁段连接为统一整体。预应力体系是否按照设计起到预期作用，主要取决于2个方面：预应力管道定位和预应力筋的张拉。

预应力管道是后张法施工中预应力筋的通道，是预应力发挥作用的基础。施工过程中，首先应按照施工图进行管道定位和安装，决不允许产生过大偏位；其次，必须对管道良好固定，避免在混凝土浇筑过程中发生偏离；最后，要注意管道的保护，一旦发生破损，必须更换[8,9]。

梁体养生完毕达到设计张拉强度后，即可进行预应力张拉。预应力张拉过程中必须采用配套张拉设备，千斤顶和压力表须定期维护和校验。张拉的基本流程为：先进行初张，初应力一般为控制张拉应力的10%～25%；然后张拉至超张应力，一般超张5%左右，持荷5 min，直至应力降低为控制应力，最后进行锚固。张拉过程中，记录预应力筋伸长量，同时与理论伸长量进行比较，其计算如式（1）。预应力张拉控制采用应力和伸长量双重控制，以应力控制为主，辅以伸长量校验，实际伸长量与理论伸长量偏差不得大于6%。

其中：Pp——预应力筋平均张拉力，N；

L——预应力筋长度，m；

Ep——预应力筋弹性模量，MPa；

Ap——预应力筋截面面积，m2。

3.4 孔道压浆

预应力孔道压浆须在张拉完成后尽快完成，一般不得超过48 h。孔道压浆前对管道进行清孔处理，并使孔壁湿润。压浆时，需从管道最低点的压浆孔进行浆体压注，直至另一端排气孔均匀排出水泥浆体、无气泡出现，最后封锚。严格控制孔道压浆质量有助于减轻预应力筋的锈蚀，延长预应力体系的作用时效，提高桥梁结构的使用寿命。

3.5 合龙段施工

合龙段施工质量的关键控制技术包括临时固结拆除、合龙段配重、合龙段锁定、合龙段混凝土浇筑和养生。

合龙段施工前拆除临时固结支撑，让两侧箱梁处于自由悬臂状态，确保已浇筑梁段与边跨现浇段和对侧中跨梁体平顺衔接，保证线性，减小初始应力。

合龙段配重的主要目的是确保桥梁线形和减少梁体内部初始应力，根据配重的作用可分为基本配重和附加配重。基本配重是指合龙段浇筑混凝土的等量替换，附加配重是指为调整合龙段两侧梁体高差而施加的额外配重。合龙段配重须边跨与中跨同步实施，以免悬臂梁两侧因弯矩不同而引起桥体线形改变。

合龙段锁定是指合龙段混凝土浇筑前在两侧悬臂梁端设置的刚性支撑，其主要目的是为避免合龙段混凝土水化过程中，自然环境因素产生的内部应力超过混凝土强度而引起梁体开裂。合龙段锁定一般包括箱体内支撑锁定、箱体外支撑锁定和两者同时实施的混合锁定。体内支撑锁定相比体外支撑锁定存在一定的劣势，目前通用的做法是体外支撑锁定。本工程中跨合龙段也采用体外支撑锁定，通过在预埋支座上焊接型钢将梁体固定。合龙段锁定前要对梁体之间的相对位移进行连续测定，确定两侧悬臂梁端之间的最大间距，在合龙段混凝土浇筑前迅速连接。

合龙段混凝土质量主要通过浇筑温度和湿度养生控制。本工程合龙段混凝土浇筑从23：00开始，次日02：00左右结束，大气温度23 ℃，为温度最低时段。此外，合龙段混凝土养生也至关重要，尤其是前期养生。一般而言，合龙段混凝土浇筑后经受第一次高温时通常发生破坏。因此，在合龙段混凝土浇筑后的前2 d务必保持混凝土表面洒水湿润，以免发生局部损坏[10]。