高墩連續剛構邊跨現澆預應力配重技術研究

劉曉松

（中鐵二十局集團第二工程有限公司 陜西西安 100142）

近年來隨著我國橋梁建設技術不斷發展革新，大跨度、高橋墩、結構復雜、造型獨特的橋梁建設項目不斷涌現，對現有的橋梁施工技術提出了新的挑戰[1]。高墩橋梁在邊跨施工時，由于橋墩的制約，掛籃設備無法完成邊跨現澆段的澆筑施工，同時由于非對稱施工，需要考慮對稱配重[2-7]。針對上述問題，本文依托洛河特大橋工程項目，借鑒類似工程的經驗，對高墩連續剛構邊跨非對稱澆筑施工中的關鍵技術和預應力配重進行了研究，以便為類似工程項目提供經驗借鑒。

1 工程背景

洛河特大橋橋梁跨越洛河及西延鐵路，橋梁全長1 538 m，跨徑布置為（6500+3×12000+6500），共有32 個墩臺（雙幅64 個），其中13#、18#分界墩的墩高分別為65.0 m、72.5 m，屬于超高墩。為保證現澆梁體線性，邊跨現澆段施工分為兩部分進行，采用托架與掛籃系統相結合進行施工，托架施工3.89 m 梁段，掛籃施工2 m 梁段，掛籃施工2 m 段為后澆邊跨合龍段。（見圖1）

圖1 洛河特大橋橋型布置圖

洛河特大橋13#、18#交界墩的墩頂邊跨現澆段接近4 m，澆筑重量大。該重量僅施加在墩頂一側，會對墩身產生較大不平衡彎矩，造成墩頂偏位超限和墩底出現拉應力。若采用墩身預埋托架現澆邊跨段，則必須在另一側施加配重，以抵消不平衡彎矩；若采用落地支架施工邊跨現澆段，則支架高度大，造價高，且自身結構安全性不宜保證。

針對上述問題，以交界墩為支點，在邊跨現澆段對側設置豎向預應力筋，通過控制預應力大小來抵消不平衡彎矩。豎向預應力筋上端錨固在墩頂，下端錨固在橋墩承臺。根據現澆段澆筑過程中的重量變化，基于力矩平衡的原則計算需要對稱施加的預應力，然后通過分步張拉預應力來平衡邊跨混凝土澆筑的不平衡彎矩。

2 托架設計

高墩連續剛構邊跨現澆段澆筑施工，由于墩柱上部結構離地高度過高且地面工作環境差，若采用落地支架施工，則支架高度大、造價高，且支架自身的結構安全性不易保證。因此采用墩旁托架與掛籃系統相結合進行施工，以分界墩為支點，通過墩身內的預埋錨固螺栓，在墩身沿橋向兩側安裝三角托架，然后在安裝好的托架上搭建模板并完成邊跨現澆段的澆筑，最后通過掛籃設備完成邊跨合龍段澆筑施工[8]。為了防止現澆段可能造成的墩底拉應力，在現澆段的另一側設置了豎向預應力筋配重，配重原理如圖2 所示，即通過分步張拉預應力筋，來平衡邊跨現澆混凝土澆筑造成的不平衡彎矩。

圖2 配重示意圖

托架順橋向三角桁架支出墩外4.3 m、支撐架高5 m，每側設置4 榀，支撐架受力點預埋于墩柱內。托架和斜桿采用32 a 工字鋼，托架頂布置I40 工字鋼作為橫梁，縱梁采用I14 工字鋼間距750 mm布置，托架搭設效果見圖3。分配梁上均布鋼管頂托及配套10 cm×10 cm 方木支撐現澆梁底模。

圖3 托架搭設效果圖

3 預應力配重施工技術

3.1 工藝流程

預應力配重技術適用于采用懸臂施工的高墩連續剛構橋，特別適用于主梁高度距地面高（橋墩高）、地面作業環境差、地質條件差等原因導致邊跨支架搭設風險大、費用高的情況。該技術首先在施工墩旁搭設托架，構建施工平臺。其次依托施工平臺支設模板、綁扎鋼筋，安裝預應力管道等，最后分層澆筑現澆段混凝土，在澆筑混凝土的同時采用預應力束進行配重，抵消混凝土澆筑產生的不平衡彎矩，該技術施工流程如圖4 所示。

圖4 施工流程圖

3.2 托架預壓

由于托架會發生彈性變形，各桿件搭接存在初始間隙等原因，在外部荷載作用下容易變形下撓，從而引起模板下沉導致梁段出現裂縫，甚至由于變形過大導致失穩破壞。因此，在托架搭設完成后需要先對其進行預壓，方能進行后續混凝土澆筑。托架預壓首先是為了驗證托架的承載力和穩定性是否滿足要求；其次是消除其非彈性變形；最后是確定托架的彈性模量，為后續計算托架位移，設置模板預拱度提供依據。

采用墩底反力架預壓，即在邊墩承臺上設置3 根直徑32 mm 的精軋螺紋鋼剪力銷棒，剪力銷棒下面放置雙[28a 槽鋼反力梁，采用穿心式千斤頂配合鋼絞線張拉預壓。懸出墩頂蓋梁現澆段混凝土長1.74 m，體積43.3 m3，重量108.25 t，施工荷載為5 t，合計預壓荷載為113.25 t。計算出各個點的彈性變形和非彈性變形，并提供給監控單位，為立模標高提供依據。

3.3 平衡配重計算

為保證施工階段橋墩結構安全，避免橋墩底可能出現的拉應力，需要對現澆段另一側進行預應力配重。邊跨現澆段施工時，橋墩受到的偏心荷載主要是邊跨現澆段鋼筋混凝土濕重、邊跨合龍段鋼筋混凝土的濕重、模板重以及施工機械荷載。邊跨現澆段長度為3.89 m，其中有2.15 m 的梁段混凝土作用在墩頂蓋梁上，有1.74 m 作用在墩身支架上，因此邊跨現澆段1.74 m 范圍的鋼筋混凝土重量給墩身所帶來偏心受壓，偏心作用點為蓋梁向外0.675 m 處。合龍段長度為2 m，反側支架配重的重量計算按照力矩平衡原理進行計算，計算簡圖如圖5 所示。

圖5 橋墩配重計算簡圖

懸臂部分鋼筋混凝土重量+內外側模重量：N1=1 132.5 kN，作用點距離1L=2.675 m；邊跨合龍段鋼筋混凝土的濕重、模板重以及施工機械荷載：N2=1 014 kN，作用點距離2L=4.74 m；G為反側支架配重的重量，作用點距離L=3.25 m；根據力矩平衡原理：

計算得G=2 411 kN，故選用4 束3φs15.2 mm 鋼絞線作為配重索，預應力配重張拉端設置在前橫梁位置處，通過四個反拉點進行配重，每個反拉點為3 根15.2 鋼絞線，則4 個反拉點12 根鋼絞線的張拉噸位為：

計算得F=200.92 kN，即配重索張拉力最大值為20.092 t。

根據現澆段澆筑進度，分級張拉預應力鋼絞線來平衡新澆混凝土的重量。預應力配重采用的鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa，鋼絞線公稱直徑15.2 mm，公稱面積Ay=140 mm2，彈性模量Ep=195 000 MPa。鋼絞線在張拉過程中每根索力為20.092 t，則：

由式（3）求得σ=1435.14 MPa=0.772fpk，鋼絞線強度滿足要求。

3.4 有限元模擬

為檢驗在澆筑荷載與預應力配重共同作用下墩頂托架是否安全，采用Midas/civil 建立有限元模型（圖6）進行受力分析。模型中托架桿件和橋墩均采用梁單元建立，采用板單元模擬混凝土澆筑模板，模型中忽略小橫梁與三角托架的相對高度位置，采用共節點的方式實現接觸傳力。三角托架與墩身采用剛性連接，模型邊界固結橋墩底部，通過施加梁單元荷載來模擬現澆段混凝土對托架的壓力，在反側支架上施加4 個節點荷載來模擬預應力配重。

圖6 橋墩托架有限元模

計算結果顯示，托架結構工作應力最大值為87.8 MPa（圖7），表現為與墩身連接處的拉應力，未超過材料容許應力值，滿足強度要求。

圖7 托架應力云圖（MPa）

三角托架最大位移為w=13.44 mm＜[w]=4 300/250=17.2 mm，出現在三角托架懸挑分配梁懸臂處（圖8），剛度滿足要求。

圖8 托架位移云圖（mm）

在“自重+混凝土濕重+配重”工況下，結構穩定系數為26.4，表現為配重支架局部桿件失穩（圖9），穩定系數大于4，滿足要求。

圖9 托架失穩模態

為避免在非對稱澆筑施工中墩底出現拉應力導致混凝土開裂，在反側支架上設置預應力配重，計算結果表明（圖10），墩柱混凝土全截面受壓，未出現拉應力，配重效果良好，保證了70m 高墩墩頂非對稱施工時橋墩受力安全。

圖10 橋墩應力云圖

4 結 論

（1）采用的支撐結構和預應力配重，可以有效保證橋梁結構在施工過程中的穩定性。通過分步張拉預應力筋，來平衡邊跨混凝土澆筑造成的不平衡彎矩，加強橋墩的抗彎性能及抗剪承載能力，提高了邊跨橋墩的整體穩定性。

（2）預應力配重相較于傳統的利用水箱、沙袋等配重的方式更合理、更實用、容易計算，施工技術人員容易掌握，加載位置明確，在混凝土澆筑過程中，通過控制預應力鋼絞線張拉力，能夠更加精確及時的調整配重荷載的施加噸位及速度。