大懸臂預制蓋梁分節安裝關鍵技術

徐紀洋

（中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

引言

20 世紀60 年代起，我國開始嘗試在混凝土橋梁上部結構中采用預制節段拼裝工藝。伴隨國外先進技術和設備不斷引進，預制節段拼裝橋梁上部結構在我國得到越來越廣泛的應用。

對于橋梁墩柱，在東海大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋等工程中，預制拼裝橋墩技術均得到了成功應用。經過多年探索，預制構件生產和安裝進入高速發展期，上海目前新建的市政高架普遍采用預制拼裝工藝。

1 概述

S3 公路是上海市高速公路網及沿海大通道的重要組成部分，是“一環十二射”中東南部結構性射線骨干道路，是市域東南片區的出省快速通道，也是中心城區通往浦東新區、自貿區新片區、奉賢區及杭州灣北岸經濟帶的重要連接通道。

S3 公路3 標段主線高架采用預制裝配式工 藝，結構由下往上依次為：預制PHC 管樁（或灌注樁）、現澆承臺、立柱、預制蓋梁、預制小箱梁（或鋼砼組合梁）。其中，標準段蓋梁長31 m，寬2.4 m，高2.8 m，總重約430 t，采用后張法預應力體系。綜合考慮構件運輸及現場吊裝能力，將標準段蓋梁分為2 節，中間預留2 m 濕接段，分節安裝后澆筑成整體。單節蓋梁重心位置偏離立柱中心1 961 mm，蓋梁節段與立柱通過灌漿套筒連接。

由于分段蓋梁安裝后存在偏心，需要采取有效、穩定的臨時措施來抵抗蓋梁長懸臂下沉帶來的安全、質量風險[1]。

標準蓋梁分節段長14.5 m，分節起吊最大重量197 t，重心位置如圖1 所示。本文以分節蓋梁偏心安裝工藝展開論述，通過支架法和反拉法解決偏心問題，并對二者優缺點進行分析討論。

2 支架法

在重心另一側使用型鋼搭設臨時支撐格構架，與立柱一起承擔單節蓋梁荷載，實現平衡穩定，如圖2 所示，直至蓋梁濕接段澆筑完成、第一批預應力鋼束張拉完成后拆撤支架[2]。

圖2 支架法示意圖Fig.2 Schematic diagram of bracket method

2.1 支架法關鍵技術

1）支架地基處理

將原地面開挖60 cm 后分2 層填筑建筑垃圾，每層打夯密實，單層厚度不大于30 cm；并抽檢進行靜載試驗驗證，要求地基承載力不小于135 kPa。

2）格構柱基座

本次采用預制C40 混凝土基座3 m×3 m× 0.3 m 進行周轉使用，基座預埋螺栓與鋼支撐連接，如圖3 所示，螺栓采用M20。

圖3 臨時支撐與基礎連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of temporary support and foundation connection

預制基座安放到位后需對其進行先期預壓，荷載組合取1.0支架自重+1.1蓋梁荷載+1.5掛籃荷載；現場設置總重70 t 預壓。預壓期間需密切觀測沉降位移情況，本文選取S3 項目現場先期吊裝的4 節蓋梁作為試驗段進行觀測，結果如表1 所示。

表1 支架基座相對沉降（mm）-時間記錄表Tab.1 Relative Settlement of Support Base (mm) -Time Record Table

預壓基座在24 h 后沉降值基本趨于0 mm，故規定提前3 d 開始預壓基座，盡可能減小地基沉降影響。

3）鋼支撐

格構柱采用平面布置2.0 m×2.0 m 鋼支架；每節高度1～5 m、結構綴件的節距2 m，主肢采用方鋼管（截面尺寸200 mm×200 mm×10 mm）、橫撐綴條采用HN400×200×8/13 型鋼，斜撐綴條采用B150×4 方鋼，支架上面采用雙拼HW400 熱軋H型鋼用以做分配梁，材質為Q235b，每節段間使用法蘭盤進行連接。頂部采用沙箱進行標高調節和便于支架拆除。沙箱與蓋梁底部接觸面墊土工布防止銹跡污染，如圖4 所示。

圖4 支架法臨時支撐示意圖Fig.4 Schematic diagram of temporary support using bracket method

根據施工需要，格構柱主要承受自重荷載q1，及蓋梁荷載q2兩部分，q1由軟件建立模型直接確定，q2取最不利工況下蓋梁重心位置處于單根分配梁軸上方，使單側雙主肢接近軸心受壓狀態。

①結構受力計算

如圖4 所示，蓋梁重心位置距離支架支座 4.539 m。可將圖示工況簡化為桿系模型，蓋梁自重線性荷載合并為集中力作用于重心位置，在立柱和格構柱中心各設置一固定鉸支座，支座間距6.5 m，求得格構柱側支座反力593.4 kN。

則單側分配梁受均布荷載=593.4/2/2=148.35 kN。如圖5 所示，經MIDAS CIVIL 建模分析后，得出最大應力值27.29 Mpa<材料屈服應力設計值=305 Mpa，最大位移1.12 mm<容許撓度值 2 000/400=5 mm。

圖5 有限元分析結果圖Fig.5 Finite Element Analysis Results

圖6 反拉施工示意圖Fig.6 Schematic diagram of reverse pulling construction

②柱體剛度驗算

綜上所述，此構型受力均勻、平衡，安全余量充足可靠，滿足施工要求。

2.2 蓋梁位移觀測

支架法施工后需密切監控蓋梁頂部及基座沉降情況，實時調整蓋梁至設計標高。蓋梁及基座沉降情況如表2 所示。

表2 蓋梁安裝后沉降情況表Tab.2 Settlement of Cover Beam Installation

觀測結果表明，蓋梁就位3 h 內沉降較為明顯，基座頂基本回到拆卸預壓塊前標高，總體平均值為6 mm，支架產生13～15 mm 彈性變形，故沙箱初始標高需上調21 mm 作為預留沉降量；復測平面位移均無明顯變化。

2.3 支架法施工周期

支架法需在現場提前3 d 處理預壓場地，需調動挖機、汽車吊等機械向前拓展作業面，對承擔構件吊裝的履帶式起重機械無任何影響，落梁就位后即可卸鉤轉至下一作業點；前場能快速消化構件。

蓋梁就位后，后續工序為濕接底模吊模1 d→濕接段鋼筋焊接、綁扎2 d→濕接段側模安裝、澆筑1 d→濕接段養護至設計強度7～14 d→蓋梁第一批預應力張拉1 d→第一批張拉預應力孔道壓漿1 d→拆除支架1 d；故從支架就位至拆除需17～24 d。

3 反拉法

蓋梁節段在立柱上安裝后，通過精軋螺紋鋼連接承臺內預埋件與蓋梁，平衡蓋梁偏心。

3.1 關鍵技術

1）確定反拉平衡范圍

為方便計算，蓋梁反拉體系可簡化成桿系靜定結構，異形蓋梁自重荷載簡化成線性分布荷載作用于桿系結構，分別于立柱內、外側墊板及中心墊板設置鉸支座，反拉點距離立柱中心4.1 m，計算結果如表3 所示。

表3 反力計算結果Tab.3 Reaction Calculation Results

計算得出拉桿在369.74 kN～1 856.53 kN 拉力區間內可使蓋梁保持穩定，超出此范圍蓋梁則易傾覆。理想狀態下鉸支座位于立柱中心時拉桿應提供928.67 kN 拉力以保持蓋梁平衡狀態。

故本次選用3 根Φ50 精軋螺紋鋼作為反拉桿，PSB 強度不小于1 080 MPa，單根允許張拉力 2 120 kN，施加50 %張拉力，可以提供1 060 kN 反力，采用3 根可以保證3 180 kN＞928 kN，安全系數取值3.4[3]。

使用FEA NX 實體有限元分析軟件對蓋梁反拉完成后工況進行仿真模擬，計算蓋梁頂部單根反拉應力值為14 MPa[4]。

2）預埋構件施工及精確定位措施

①蓋梁預埋管道設置

預埋管道采用Φ80 mm、厚度3 mm 的PVC 管，高出蓋梁頂0.1 m 埋設。預埋PVC 管上、下口及中部在定位鋼筋上綁扎固定，保證管道無位移；且在澆筑前內穿無縫鋼管襯管以確保PVC 管不發生形變。

蓋梁頂面預留孔周圍需局部找平，確保錨墊板可以水平放置。

②承臺內預埋P 錨設置

承臺澆筑時，同步預埋精軋螺紋鋼，在承臺立柱插筋定位面板裝置中提前開設預留孔，確保預埋準確性。精軋螺紋鋼端部使用螺帽及錨板固定，承臺內錨固長度2.1 m。承臺澆筑時應充分振搗，保證預埋上方混凝土密實。布置概況如圖7 所示。

圖7 蓋梁內部預埋精軋螺紋鋼示意圖Fig.7 Schematic diagram of pre embedded precision rolled threaded steel inside the cover beam

③精軋螺紋鋼接長

蓋梁下落至立柱頂部，姿態調整完成后，將精軋螺紋鋼從蓋梁對應預留孔下放至承臺頂面，采用專用接駁器接長，上下使用鎖定螺帽鎖死。

3）精軋螺紋鋼張拉

在梁頂使用穿心千斤頂同步張拉精軋螺紋鋼至設計值，以張拉總拉力為控制手段。張拉時注意觀察蓋梁姿態和吊機荷載卸載。張拉總拉桿力到928.67 kN，起重機械共卸載343.47 kN。張拉力誤差要求±10 %以內，卸載力誤差要求±10 %以內。分級張拉與分級卸載交叉進行，張拉后持荷2 min，逐步緩慢達到蓋梁和立柱的初步拼裝就位。整個過程中須注意荷載加減作業的平緩、穩定進行。

4）P 錨張拉

反拉法因蓋梁在柱頂位置產生負彎矩最大達 4 803 kN·m。需在吊裝前完成P 錨張拉工序，蓋梁P 錨由4 根φs15.2-12 鋼束組成，高強度低松弛鋼絞線fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。由FEA NX 分析得鋼束所承受的最大1 257 MPa 拉應力位于立柱頂部位置[5-7]。

此舉有效解決梁頂負彎曲應力造成的砼開裂風險，張拉后該應力值接近于0 MPa。

3.2 單節蓋梁施工周期

反拉法因蓋梁需要在預制廠提前3 d 完成P 錨張拉、壓漿、封錨工序，一定程度上增加后場存梁壓力，占用堆場寶貴空間。

蓋梁就位后，后續工序消耗時間于支架法相同，但現場吊裝因精軋螺紋鋼對拉完成后吊車才能脫鉤，往往同一施工窗口無法滿足1 輛履帶吊以上的吊裝機械交叉作業，故單日單機吊裝效率至少降低2 倍，在生產高峰期將進一步增加后場存梁壓力。

4 結語

兩種方法各有其優缺點，在不同場景下能分別發揮出其特色優勢。反拉法僅需3 根拉桿，臨時結構簡潔，拉桿位于承臺頂，無需占用額外場地及通道；施工整體形象優勢明顯；但其由于施工階段受力相對復雜，需綜合考量14 MPa 的拉桿應力及蓋梁頂彎曲應力，質量、安全隱患較大，尤其是蓋梁處于非靜定狀態的時間更長，同步張拉千斤頂及分級加載卸載要求極高的協同性，且對于先期預埋構件的精度要求極高，施工難度較大。

支架法場地、通道占用多，但其施工階段受力明確，蓋梁落位即穩定；在現場的前置施工可鋪開作業面，進度、計劃上的可塑性更強；不額外占用起重機械作業時間，可快速減輕堆場壓力，充分發揮預制拼裝橋梁的快速施工優勢。