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裝配式橋梁建設,從橋墩到橋塔?

隨著體外預應力技術的發展,以及體內預應力筋銹蝕等問題的出現,裝配式施工方式在國內越來越普及,為什麽不趕緊學起來呢?

組裝式橋墩和橋臺的施工

裝配式橋墩是將高大的橋墩按照壹定的模數沿垂直方向和水平方向分割成若幹個構件,澆註在橋址周圍的預制場地上,用汽車、船運輸到現場,吊裝組裝而成。

預制墩臺的主要特點是可以在預制場預制,受周圍環境幹擾較小,但相對來說,對運輸和吊裝機械設備要求較高。裝配式柱式墩體系將橋墩分解成幾個構件,如承臺、立柱、蓋梁(墩帽)等。,在工廠或現場預制,然後運到現場組裝橋墩。其施工程序主要是構件預制、安裝連接和混凝土填縫。其中,拼裝接頭是關鍵工序,既要牢固安全,又要結構簡單,施工方便。

常用的裝配接頭如下:

(1)采用有粘結後張預應力筋連接結構。

有粘結後張預應力筋的連接結構常與砂漿墊層或環氧膠接頭結構相結合,實現節段預制墩的施工。本方案中的預應力筋可以是鋼絞線或精軋螺紋鋼等高強度鋼筋。該結構的特點是預應力筋穿過接縫,在實際工程中應用廣泛,設計理論、計算分析和施工技術經驗成熟。缺點是墩身造價遠高於傳統現澆混凝土墩,同時現場施工需要張拉和灌漿預應力筋,施工工藝復雜,施工時間長。

(2)灌漿套筒連接

預制墩節段通過灌漿連接套與伸出的鋼筋連接,墩與蓋梁或承臺的接觸面往往采用砂漿墊層,墩節段之間采用環氧膠接縫。其結構特點是施工精度高,施工時間短,不需要張拉預應力筋,大大減少了現場工作量。其在正常使用條件下的力學性能與傳統現澆混凝土橋墩相似,因此具有壹定的經濟優勢。從國外的應用經驗來看,低地震風險區已得到廣泛應用,高地震風險區的應用和科研仍在進行中。

(3)灌漿金屬波紋管連接

這種連接結構常用於墩身與承臺或墩身與蓋梁的連接。預制墩身通過預埋在蓋梁或承臺內的灌漿金屬波紋管與伸出墩身的鋼筋連接。砂漿墊層常用作墩身與蓋梁或承臺的接觸面,墩身節段之間采用環氧膠接縫,如圖5所示。該結構現場施工時間短,但需要滿足縱向鋼筋足夠的錨固長度,力學性能與傳統現澆混凝土橋墩相似。目前,國外已有少數橋梁采用這種連接結構進行施工,但在地震高風險地區應用較少,其抗震性能仍在研究中。

(4)插槽連接

槽式連接結構,如圖6所示,在壹些橋梁工程中已有應用,主要用於墩身與蓋梁、樁與承臺的連接。與灌漿套管和金屬波紋管相比,它的優點是要求的施工公差可以大壹些,並且需要現場澆築壹些混凝土。

(5)鋼筋應焊接或搭接,並采用濕接頭。

從預制裝配式橋墩預伸出壹定數量的鋼筋,與相鄰構件的預留鋼筋搭接,並需要臨時支撐。鋼筋連接部位需要采用後澆混凝土(濕接縫)連接,這也是目前國內廣泛采用的節段拼裝式橋墩的設計思路。采用這種結構建造的橋墩,其力學性能往往與傳統的現澆混凝土橋墩相似,但濕接縫的存在會增加施工時間和現場鋼筋搭接澆築的工作量。從快速施工的角度來看,這種方案存在壹些缺點。

(6)插座連接

承插式接頭連接結構是將預制墩身插入基礎對應的預留孔中,插入長度壹般為墩身截面尺寸的1.2 ~ 1.5倍。底部鋪設壹定厚度的砂漿,周邊填充半剛性混凝土。優點是施工工藝簡單,現場工作量少;缺點是節點的受力性能,尤其是抗震性能需要進壹步研究。北京積水潭大橋就是用這種連接結構建造的,美國的壹些橋梁也是用這種連接結構建造的。如圖所示。

預制裝配式柱的抗震性能

預制柱的抗震性能是阻礙全預制裝配技術在高地震風險地區橋梁中應用的技術難題。為了實現全預制裝配技術的全面推廣應用,有必要對預制柱的抗震性能進行深入研究。基於典型實際工程橋墩結構,選擇連接器、導管和有粘結預應力筋3種預制裝配連接方式,進行低周反復水平荷載下矩形實心節段預制柱的縮尺試驗。通過對不同構造細節下的節段預制柱進行擬靜力試驗和有限元數值分析,研究了不同構造模式下節段預制柱的滯回特性、延性變形、節點非線性力學行為、損傷破壞機理。

試驗結果表明,與傳統的現澆混凝土橋墩相比,預制裝配式連接管和波紋管的橋墩具有相近的抗震性能,能夠滿足預期的抗震性能要求。采用有粘結預應力筋連接的預制裝配式橋墩與現澆混凝土橋墩具有相似的變形能力,但耗能能力較弱。此外,通過計算分析、連接裝置試驗,以及對整批試件的制作和運輸過程的研究,表明該柱的整體受力、結構連接、抗震性能以及整個施工過程的細部構造均能滿足現行設計和施工的要求,可用於工程實踐。

應用示例:

裝配式柱式墩臺施工中應註意以下幾點:

(1)對墩臺柱構件及基礎頂面預留的桿狀基礎進行編號,檢查各墩臺高度及基礎坐標高度是否符合設計要求;底座口與柱邊的間隙不得小於2cm。

(2)墩臺柱放入臺座杯中時,應進行縱、橫向測量,使柱身垂直度或傾斜度及平面位置符合設計要求;對於較重、較細長的橋墩,在放鉤前必須用纜風繩或撐木固定。

(3)在墩柱頂部安裝蓋梁前,應檢查蓋梁上的預留槽位置是否符合設計要求,否則應先修鑿。

(3)待柱身和蓋梁(墩帽)安裝完畢,並經檢查符合要求後,可在基礎杯與蓋梁槽的縫隙處澆築薄砂漿。待其硬化後,將楔子、支架或風纜取出,然後將砂漿填入楔孔。

隨著預應力技術的成熟和發展,預應力已應用於橋墩,尤其是後張法預應力鋼筋混凝土裝配式橋墩。其施工方法類似於裝配式柱式橋墩的施工方法,除了安裝時的連接接頭處理技術,節段預制構件之間的連接方式主要依靠預應力鋼束。

後張預應力鋼筋混凝土裝配式墩臺所用預應力鋼筋有兩種:高強低松弛鋼絲和冷拉ⅳ級粗鋼筋。後張法預應力鋼筋混凝土裝配式墩臺的預應力張拉方式有兩種:張拉位置可在墩帽頂張拉;也可以在墩底實體部分張拉。壹般情況下,墩帽頂部是張拉的。

墩帽頂張拉(1)預應力鋼梁的主要特點如下:

(1)張拉操作人員和設備都在高空作業,雖然張拉操作方便,但安全性差;(2)預應力鋼梁的錨固端可直接埋入承臺內,無需設置過渡段;

(3)在墩底截面上應力最大的位置,可以發揮預應力鋼束抗彎能力強的特點。

(2)墩底實體張拉預應力鋼梁的主要特點如下:

(1)張拉操作人員和設備為地面作業,安全方便;

(2)墩底應設置過渡段,既要滿足放置預應力鋼束張拉千斤頂的要求,又要布置更多的受力鋼筋,以滿足運營階段該段的受力要求;

(3)預應力筋的張拉位置與過渡構件中豎向受力鋼筋之間的關系比較復雜。預應力鋼束的張拉要求和預應力管道內的灌漿要求與預應力混凝土梁壹致。

應用示例:

預制工藝流程:

承臺墩身整體模板桁架系統總重量約420t,采用全鋼模板設計,主要分為模板系統、桁架系統、滑動系統、調整系統四部分。整體壹次精確定位。

模板系統:承臺外模、承臺底模、墩身外模、承臺預留孔模板、墩身內模、承臺頂面模壓。

桁架系統:平臺桁架和碼頭桁架由滑動系統支撐。

滑動系統:滑道和滑動裝置。

調整系統:模板就位後的微調措施,包括千斤頂和楔子的水平調整。

承臺和底墩混凝土澆築:

承臺和底墩軸混凝土澆築完成,拆除模板;

埋床法全預制基礎;

采用壹套集吊裝、導向定位、安裝於壹體的懸掛系統。該系統除了具有預制墩的吊裝和懸掛功能外,還具有包括墩柱垂直度、垂直標高、面內位置在內的定位功能,定位精度達到0.5 mm。

雙纜索塔結構

混凝土塔架:

(1)工程難點

索塔高且柔性大,易受日照、溫度變化和風的影響,其線形控制難度大。

錨固區首次采用鋼錨箱,精度要求高,施工控制難度大。

索塔高,遠離岸邊,測量精度難以保證;

大風天多,有效工作日少。

(2)關鍵技術

混凝土索塔控制技術:

鋼錨箱安裝控制技術。

電纜塔:

三鋼梁懸臂施工

懸臂拼裝法是利用支撐在已完成懸臂上的專用懸臂起重機將預制節段吊在梁上進行拼裝。用成型節段錨固後,組裝長度壹般為2-5m。

根據吊裝方法的不同,吊掛組件可分為浮吊吊掛組件、牽引滑輪組吊掛組件、連續千斤頂吊掛組件、纜索吊機吊掛組件和懸臂吊機。懸臂拼裝的核心是梁的運輸和拼裝,梁段預制是懸臂拼裝的基礎。懸臂施工過程主要包括梁段的預制、移位、儲存和運輸;吊裝梁段;懸臂梁系統的改造;合攏段施工。

四混凝土節段梁施工

預制節段(鋼筋混凝土節段、鋼梁節段)拼裝施工方法:將橋梁的梁體縱向分成若幹節段,在工廠或橋址附近的預制場預制,運至橋址,再通過施加預應力拼裝成整體結構。它是近四十年發展起來的壹種施工方法,廣泛應用於鋼筋混凝土和鋼橋的施工。

管片預制主要有長線臺座法和短線臺座法。

長線臺座法是將所有的砌塊按照設計的梁線型在壹個長臺座上逐壹預制,使兩個砌塊之間形成自然的配合面。這種方法的優點是容易控制幾何形狀,預制過程中不積累偏差。制作好的塊的偏差可以通過下壹塊及時調整,同時進行更多的點的配合和預制,加快施工進度。另外,用這種方法將預制構件脫模後,並不需要馬上運到存放地點。

但這種方法也有以下缺點:①面積大;(2)基座必須建立在堅實的基礎上。(3)曲線橋需要形成要求的曲率。(4)澆築、養護等設備均可移動。

短線臺座法施工是指每段澆築在同壹個模板內,壹端固定模板,另壹端先澆築壹段。模板長度只有壹段,不移動模板,而梁段從澆築位置移動到配合位置,然後運輸到存梁場。該方法占地面積小,可形成流水線作業,提高施工速度,適用於管片類型變化較多、模板倒模頻繁的工程要求。其不足之處主要在於要求匹配段必須放置得非常精確,因此需要精密的測量儀器設備和精確的測控方法。

預制混凝土節段梁:

節段梁的搬運:合理搬運節段梁的吊點應選擇適當,使節段梁的受力控制在允許範圍內。

節段梁的堆放:節段的堆放方式必須能避免翹曲和二次受力,樓板能為節段提供良好的支撐;下面和靠近腹板的壹段應得到支撐。堆垛時,上節段的重量應由腹板直接傳遞,避免頂板和底板彎曲傳遞力。

分段運梁:由於混凝土梁段自重較大,混凝土梁段預制場地壹般選在橋址附近,由輪胎搬運車、運梁車或軌道搬運車運至橋址進行組裝。

分段梁組件:

(1)滿堂彩支持方式:

(2)少支撐法(多用於鋼梁):

因為滿堂支架需要對橋下整體基礎進行處理,造價大,工期長。因此,如果條件允許,壹般將管片加長,以較少支架的形式組裝。

(3)分步組裝法:

上部結構沿壹個方向架設,壹次完成壹跨。施加預應力前,預應力段由下懸臂梁(主梁下方)或架橋機(主梁上方)臨時支撐。架設好的主梁可以簡支在橋墩上,也可以通過後張預應力將幾個孔連成壹個連續的結構。

適用於中小跨徑預應力混凝土簡支梁橋和逐跨簡支的連續梁橋。該工法的主要設備由長度小於(或大於)兩倍標準跨長的鋼桁架導梁、升降平車、導梁移動和調整組成。

若采用導梁下吊拼裝管片,架橋機稱為上導梁架橋機;如果在導梁上方采用支撐法拼裝管片,則稱架橋機為下導梁架橋機;導向梁將承受預制節段跨度的重量。

(4)平衡懸臂法:

以橋墩為中心,按照對稱的順序組裝分段。每個片段與前壹個組裝的片段集成在壹起並自平衡,並作為下壹個片段的組裝基礎。對於每個施工步驟,懸臂結構通過張緊布置在箱梁節段中的預應力鋼筋束來確保其安全性和穩定性。節段可以通過橋面支撐起重機、導梁或地面起重機進行吊裝。

適用於懸臂施工和中、大跨度內外混合的預應力混凝土橋梁。

(5)懸臂拼裝法

在組裝結構的懸臂上移動的簡單裝置用於確保節段的提升、平移和組裝;提升設備安裝在平板車上,在橋面軌道上運行。

適合懸臂施工的大中跨度橋梁。

(6)纜索吊裝法

懸索運輸安裝構件的施工方法。

壹般適用於拱橋拱肋或橫梁、懸索橋主梁的施工。

體外預應力筋的安裝:體外預應力鋼絞線束的外套通常采用HDPE管。為了使鋼絞線在外套管內排列整齊,並盡可能實現單根鋼絞線的調整和更換,應采用單根依次安裝的方法。

體外預應力筋的調整和更換;

1)當需要調整體外預應力筋的張拉時,可拆除保護套,去除防腐油脂,用專用千斤頂張拉或松開鋼絞線,然後重新安裝保護套,並註入防腐油脂;

2)當需要更換體外預應力筋時,用專用連接器連接新老鋼絞線,拔出舊鋼絞線,拉入新鋼絞線,然後張拉,重新安裝保護套,並註入防腐油脂。

節段接頭拼接法通常采用三種方法:

1)幹接頭不處理;

2)塗環氧樹脂的膠接接頭;

3)濕接縫用水泥混凝土澆築。

濕接縫主要用於封閉管片或連接管片;體內外混合預應力橋梁和循環凍融區應采用膠接,體內預應力筋接頭組裝前應設置密封墊圈。

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