探索预应力钢结构在桥梁施工中的应用

摘要：随着我国现代化建设事业的不断进步和城市化进程的加快，市政桥梁建设事业工程也在飞速发展。在科学技术的不断进步和工程人员的努力下，其施工工艺不断优化进步并应用于实践中。实践证明，高强钢筋与钢结构组合,张拉高强钢筋产生预应力,利用预应力产生的自锁力,克服水平力,受力加合理,结构更加安全,经济效益明显,在桥梁施工中应用广泛。本文结合具体实例，简要探讨一下预应力钢结构在桥梁施工中的应用。

关键词：高强钢筋;钢结构;桥梁;施工

中图分类号： K928 文献标识码： A

1 工程概况

以武汉天兴洲公铁两用长江大桥作为实例，其全长约为2 84211 m,布置方式为上层公路,下层铁路。公路桥技术标准按城市桥梁快速路标准设计,具体铁路桥梁技术标准:正线数目为4。客运专线按双线、I级标准设计。货运线按中)活载设计,客运线间距510 m,客运线与货运线间距816 m,货运线间距412 m。桥0~5号墩为南汊正桥,5~20号墩为南引桥,0~28号墩为北引桥。总长1 75011 m,南北引桥均为跨径4017 m简支梁桥,铁路4017 m跨采用等高度预应力混凝土简支箱梁,客运线箱梁质量约1 300 t,I级线箱梁质量约1 260 t。公路4017 m跨采用等高度连续箱梁,单幅单跨箱梁质重为950 t。引桥公铁合建段采用双层桥墩布置形式,下层铁路采用板式桥墩,上层公路采用框架墩。南汊主桥为(98+196+504+196+98)m双塔三索面斜拉桥,全桥长1 092 m。上层6车道公路为正交异性板和混凝土结合桥面板,沥青桥面;下层4线铁路(客、货运各2线)为道碴桥面,主桥立面布置见图1。

公路面为结合板;2-公路面为正交异性板

图1 天兴洲长江大桥主桥立面布置示意 m

其中， 南汊主桥斜拉桥采用板桁结合钢桁梁作为主梁,N形桁架,3片主桁,桁宽2*15 m,桁高1512 m,节间长14 m。钢桁梁工地连接均采用M30、M24高强度螺栓。全桥钢桁梁重达413万t,安装方案采用梁上起重机起吊对称悬臂拼装,边悬臂拼装钢桁梁、安装斜拉索,边进行公路桥面结合板安装。其中主塔下横梁处的起始4个节间的钢梁需要在墩旁托架上散拼,散拼完成后再在钢梁上安装架梁吊机,再悬臂安装2个节间后才能挂索,8个节间钢桁梁总质量达5 000 t,架梁吊机自重达6 000 kN,主塔处前8个节间钢梁架设总体布置见下图2。

1-700 t步履式架梁起重机;2-钢桁梁;3-墩旁托架

图2 主塔处前8个节间钢梁架设总体布置示意 m

2 预应力钢结构设计原理

在主塔下横梁处的起始8个节间的钢梁的悬臂安装过程中,需要设置临时支撑来支撑下横梁以外的钢梁,由于该桥设计为上下层通车,上层6线公路,下层4线铁路,因此钢梁杆杆自重荷载非常大,一个节间的钢梁荷载达6 250 kN,到再加上7 000 kN的步履架梁吊机。支撑方案1,在钢梁的正下方设置满堂支架来支撑钢梁,存在如下3个方面的问题:第一,支架基础有的落在主塔承台上,有的落在水中。落在主塔承台上的支架,通过在承台上埋设预埋件,在预埋件上焊接钢管立柱,形成钢梁支撑;落在水中的钢梁支撑需要设置水中基础,采用钻孔桩或者钢管桩,采用钻孔桩,需要搭设钻孔平台,施工工期长,投入大;采用钢管桩,可以采用浮吊直接插打,由于受到打桩锤插打能力的控制,钢管桩的单桩承载力通常控制在2 000 kN以内,在架梁吊机站位范围,钢梁的自重荷载以及架梁吊机自重和架梁吊机起吊整节间钢梁(6 000 kN荷载),刚管桩要满足如此大的荷载,布置困难,同时与在主塔承台上的刚性支撑相比,钢管桩在插打完后,沉降变形相对较大。

支撑方案2,为了达到经济的目的,省去钻孔桩投入大的缺陷,可以直接在承台范围设置一个斜腿的墩旁托架,支撑钢梁,由于钢梁杆件钢度大,经过计算分析,钢梁悬臂安装2个节间对钢梁无影响。经过计算分析,在主塔前8个节间悬臂拼装的各个工况中,悬臂吊装第4个节间时对墩托架的受力最不利,此时,钢管中的最大轴力为7 500 kN,墩顶托架处的拉力为3 500 kN。如果墩旁托架最顶处采用普通钢结构的处理方法,直接在主塔下横梁处埋设预埋件,墩旁托架的杆件与预埋件直接焊接,而需达到3 500 kN抗拉强度的焊缝,设计比较困难,同时由于焊缝是在工地施焊,焊接质量难以保证,墩旁托架的安全性难以保证。因此单靠单一的钢结构很难满足,此时必须在钢结构上施加预应力,才能满足整个结构的受力要求,这个结构必须是预应力和钢结构组合才能成立,二者缺一不可,因此可以把这个结构称之为/预应力钢结构0,由于这一结构的优越性,在很多桥梁的施工过程中得到了广泛的应用。

针对上述问题,经过大量的计算分析和研究,拟采用预应力钢结构来解决这一难题,结构的大样布置见图3。

1-钢绞线; 2-托架

图3 “预应力钢结构”大样

在托架顶部的800*22钢管内通长水平横穿钢绞线,通过张拉托架两端钢绞线产生的预应力来克服巨大的水平力,结构设计简洁明了,结构的安全性有保证,经济效益明显。

3 结构设计计算

托架所承受的荷载包括:一期荷载钢梁,二期荷载架梁吊机吊装钢梁时所产生的荷载,结构本身和其它结构在风压作用下所产生的水平荷载。结构计算分析如下:计算采用MIDAS 61111建立空间有限元模型,桁架结构杆件采用梁单元,钢箱梁和托架支承处采用只受压的桁架单元。钢管与塔座采用固接,钢箱梁与主塔下横梁采用固接,钢管与主塔下横梁采用固接。通过分别计算钢梁架设过程中拼装6个节间,最大悬臂吊装;拼装7个节间,最大悬臂吊装;及拼装8个节间这三种工况。钢梁滑移时,考虑横向力作用,风载按9级风考虑,横向力按桁架自重5%计,作用于钢管托架节点上。3种工况均考虑预应力,其大小为4 000 kN。工况1:6节间自重+架梁吊机悬吊+横向力+风载+预应力,见图5;工况2:7节间自重+架梁吊机+横向力+风载+预应力;工况3:8节间自重+架梁吊机+横向力+风载+预应力。

图5 计算模型及边界条件 kN

4 预应力钢结构施工工法

下面简要介绍一下施工工法：在张拉端设置钢垫块,来将力分配给钢结构。钢结构局部必须有足够的强度满足巨大的局部压力,设置加劲肋,对于钢管径向承压能力差的结构,可以采用在钢管内壁设剪力钉,灌注微膨胀细石混凝土,等措施增加钢管径向承压能力。张拉节点大样见图6；在钢管向设置波纹管；在波纹管内穿钢绞线；安装工作锚；张拉钢铰线；张拉完成后切断钢铰线,在工作锚处安装钢筋网片,立模浇筑封锚混凝土。

1-工作锚;2-C50封锚混凝土;3-工作平台;

4-钢垫块;5-钢绞线

图6 张拉节点大样

结束语

综上所述，分析了预应力钢结构在桥梁施工中的应用的主要形式，可以看出，这种施工方法可以充分发挥高强钢筋的长处,对于需要克服拉力较小的结构,可以采用四级钢筋与钢结构结合,工艺更简单,但由于受力更加合理,结构更加安全,经济效益明显,因此,值得在桥梁施工中大力推广。

参考文献：

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[3]葛霖新,徐增鹏,张海林.预应力施工工艺在桥梁施工中的应用[J].中国新技术新产品,2009(8)1