高墩连续刚构边跨现浇预应力配重技术研究

刘晓松

（中铁二十局集团第二工程有限公司 陕西西安 100142）

近年来随着我国桥梁建设技术不断发展革新，大跨度、高桥墩、结构复杂、造型独特的桥梁建设项目不断涌现，对现有的桥梁施工技术提出了新的挑战[1]。高墩桥梁在边跨施工时，由于桥墩的制约，挂篮设备无法完成边跨现浇段的浇筑施工，同时由于非对称施工，需要考虑对称配重[2-7]。针对上述问题，本文依托洛河特大桥工程项目，借鉴类似工程的经验，对高墩连续刚构边跨非对称浇筑施工中的关键技术和预应力配重进行了研究，以便为类似工程项目提供经验借鉴。

1 工程背景

洛河特大桥桥梁跨越洛河及西延铁路，桥梁全长1 538 m，跨径布置为（6500+3×12000+6500），共有32 个墩台（双幅64 个），其中13#、18#分界墩的墩高分别为65.0 m、72.5 m，属于超高墩。为保证现浇梁体线性，边跨现浇段施工分为两部分进行，采用托架与挂篮系统相结合进行施工，托架施工3.89 m 梁段，挂篮施工2 m 梁段，挂篮施工2 m 段为后浇边跨合龙段。（见图1）

图1 洛河特大桥桥型布置图

洛河特大桥13#、18#交界墩的墩顶边跨现浇段接近4 m，浇筑重量大。该重量仅施加在墩顶一侧，会对墩身产生较大不平衡弯矩，造成墩顶偏位超限和墩底出现拉应力。若采用墩身预埋托架现浇边跨段，则必须在另一侧施加配重，以抵消不平衡弯矩；若采用落地支架施工边跨现浇段，则支架高度大，造价高，且自身结构安全性不宜保证。

针对上述问题，以交界墩为支点，在边跨现浇段对侧设置竖向预应力筋，通过控制预应力大小来抵消不平衡弯矩。竖向预应力筋上端锚固在墩顶，下端锚固在桥墩承台。根据现浇段浇筑过程中的重量变化，基于力矩平衡的原则计算需要对称施加的预应力，然后通过分步张拉预应力来平衡边跨混凝土浇筑的不平衡弯矩。

2 托架设计

高墩连续刚构边跨现浇段浇筑施工，由于墩柱上部结构离地高度过高且地面工作环境差，若采用落地支架施工，则支架高度大、造价高，且支架自身的结构安全性不易保证。因此采用墩旁托架与挂篮系统相结合进行施工，以分界墩为支点，通过墩身内的预埋锚固螺栓，在墩身沿桥向两侧安装三角托架，然后在安装好的托架上搭建模板并完成边跨现浇段的浇筑，最后通过挂篮设备完成边跨合龙段浇筑施工[8]。为了防止现浇段可能造成的墩底拉应力，在现浇段的另一侧设置了竖向预应力筋配重，配重原理如图2 所示，即通过分步张拉预应力筋，来平衡边跨现浇混凝土浇筑造成的不平衡弯矩。

图2 配重示意图

托架顺桥向三角桁架支出墩外4.3 m、支撑架高5 m，每侧设置4 榀，支撑架受力点预埋于墩柱内。托架和斜杆采用32 a 工字钢，托架顶布置I40 工字钢作为横梁，纵梁采用I14 工字钢间距750 mm布置，托架搭设效果见图3。分配梁上均布钢管顶托及配套10 cm×10 cm 方木支撑现浇梁底模。

图3 托架搭设效果图

3 预应力配重施工技术

3.1 工艺流程

预应力配重技术适用于采用悬臂施工的高墩连续刚构桥，特别适用于主梁高度距地面高（桥墩高）、地面作业环境差、地质条件差等原因导致边跨支架搭设风险大、费用高的情况。该技术首先在施工墩旁搭设托架，构建施工平台。其次依托施工平台支设模板、绑扎钢筋，安装预应力管道等，最后分层浇筑现浇段混凝土，在浇筑混凝土的同时采用预应力束进行配重，抵消混凝土浇筑产生的不平衡弯矩，该技术施工流程如图4 所示。

图4 施工流程图

3.2 托架预压

由于托架会发生弹性变形，各杆件搭接存在初始间隙等原因，在外部荷载作用下容易变形下挠，从而引起模板下沉导致梁段出现裂缝，甚至由于变形过大导致失稳破坏。因此，在托架搭设完成后需要先对其进行预压，方能进行后续混凝土浇筑。托架预压首先是为了验证托架的承载力和稳定性是否满足要求；其次是消除其非弹性变形；最后是确定托架的弹性模量，为后续计算托架位移，设置模板预拱度提供依据。

采用墩底反力架预压，即在边墩承台上设置3 根直径32 mm 的精轧螺纹钢剪力销棒，剪力销棒下面放置双[28a 槽钢反力梁，采用穿心式千斤顶配合钢绞线张拉预压。悬出墩顶盖梁现浇段混凝土长1.74 m，体积43.3 m3，重量108.25 t，施工荷载为5 t，合计预压荷载为113.25 t。计算出各个点的弹性变形和非弹性变形，并提供给监控单位，为立模标高提供依据。

3.3 平衡配重计算

为保证施工阶段桥墩结构安全，避免桥墩底可能出现的拉应力，需要对现浇段另一侧进行预应力配重。边跨现浇段施工时，桥墩受到的偏心荷载主要是边跨现浇段钢筋混凝土湿重、边跨合龙段钢筋混凝土的湿重、模板重以及施工机械荷载。边跨现浇段长度为3.89 m，其中有2.15 m 的梁段混凝土作用在墩顶盖梁上，有1.74 m 作用在墩身支架上，因此边跨现浇段1.74 m 范围的钢筋混凝土重量给墩身所带来偏心受压，偏心作用点为盖梁向外0.675 m 处。合龙段长度为2 m，反侧支架配重的重量计算按照力矩平衡原理进行计算，计算简图如图5 所示。

图5 桥墩配重计算简图

悬臂部分钢筋混凝土重量+内外侧模重量：N1=1 132.5 kN，作用点距离1L=2.675 m；边跨合龙段钢筋混凝土的湿重、模板重以及施工机械荷载：N2=1 014 kN，作用点距离2L=4.74 m；G为反侧支架配重的重量，作用点距离L=3.25 m；根据力矩平衡原理：

计算得G=2 411 kN，故选用4 束3φs15.2 mm 钢绞线作为配重索，预应力配重张拉端设置在前横梁位置处，通过四个反拉点进行配重，每个反拉点为3 根15.2 钢绞线，则4 个反拉点12 根钢绞线的张拉吨位为：

计算得F=200.92 kN，即配重索张拉力最大值为20.092 t。

根据现浇段浇筑进度，分级张拉预应力钢绞线来平衡新浇混凝土的重量。预应力配重采用的钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa，钢绞线公称直径15.2 mm，公称面积Ay=140 mm2，弹性模量Ep=195 000 MPa。钢绞线在张拉过程中每根索力为20.092 t，则：

由式（3）求得σ=1435.14 MPa=0.772fpk，钢绞线强度满足要求。

3.4 有限元模拟

为检验在浇筑荷载与预应力配重共同作用下墩顶托架是否安全，采用Midas/civil 建立有限元模型（图6）进行受力分析。模型中托架杆件和桥墩均采用梁单元建立，采用板单元模拟混凝土浇筑模板，模型中忽略小横梁与三角托架的相对高度位置，采用共节点的方式实现接触传力。三角托架与墩身采用刚性连接，模型边界固结桥墩底部，通过施加梁单元荷载来模拟现浇段混凝土对托架的压力，在反侧支架上施加4 个节点荷载来模拟预应力配重。

图6 桥墩托架有限元模

计算结果显示，托架结构工作应力最大值为87.8 MPa（图7），表现为与墩身连接处的拉应力，未超过材料容许应力值，满足强度要求。

图7 托架应力云图（MPa）

三角托架最大位移为w=13.44 mm＜[w]=4 300/250=17.2 mm，出现在三角托架悬挑分配梁悬臂处（图8），刚度满足要求。

图8 托架位移云图（mm）

在“自重+混凝土湿重+配重”工况下，结构稳定系数为26.4，表现为配重支架局部杆件失稳（图9），稳定系数大于4，满足要求。

图9 托架失稳模态

为避免在非对称浇筑施工中墩底出现拉应力导致混凝土开裂，在反侧支架上设置预应力配重，计算结果表明（图10），墩柱混凝土全截面受压，未出现拉应力，配重效果良好，保证了70m 高墩墩顶非对称施工时桥墩受力安全。

图10 桥墩应力云图

4 结 论

（1）采用的支撑结构和预应力配重，可以有效保证桥梁结构在施工过程中的稳定性。通过分步张拉预应力筋，来平衡边跨混凝土浇筑造成的不平衡弯矩，加强桥墩的抗弯性能及抗剪承载能力，提高了边跨桥墩的整体稳定性。

（2）预应力配重相较于传统的利用水箱、沙袋等配重的方式更合理、更实用、容易计算，施工技术人员容易掌握，加载位置明确，在混凝土浇筑过程中，通过控制预应力钢绞线张拉力，能够更加精确及时的调整配重荷载的施加吨位及速度。