深水區(qū)非通航孔橋墩墩柱預制安裝技術

深水區(qū)非通航孔橋墩墩柱預制安裝技術

1循環(huán)方案—工程概況上海長江路橋工程從南起于浦東五溝，距長興島至崇明縣陳家市，全長25.5公里。其中南港水域?qū)挾燃s6.871km,長興島陸域?qū)挾燃s3.946km,北港水域?qū)挾燃s8.451km。上海長江隧橋工程采用“南隧北橋”方案,北港長江大橋長約10.3km,南港長江隧道長約8.9km,長興島和崇明島接線道路共長約6.3km,其平面位置如圖1所示。長江大橋非通航孔深水區(qū)長3710m,由一航局一公司負責樁基、承臺和墩柱的施工。工程數(shù)量主要包括準1200mm鋼管樁1200根、承臺92座和墩柱92個。墩柱為C40高性能混凝土空心薄壁墩結(jié)構(gòu),截面采用單箱單室,隨橋墩跨度(70m跨和105m跨)的不同,墩柱的斷面尺寸及高度等有所不同。墩柱的規(guī)格尺寸及數(shù)量見表1。根據(jù)施工能力,將墩柱分成1～4節(jié),共216節(jié)。其中單節(jié)最大高度為13.7m,重量約400t。墩柱分節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2澆注、振搗難度(1)墩柱單節(jié)段最高為13.7m,采用立式預制一次澆注成型,模板支立及混凝土澆注、振搗難度大。(2)墩柱重心高,穩(wěn)性差,采用立式水平運輸安全風險突出。(3)105m跨的墩柱分成3節(jié)或4節(jié)預制安裝,現(xiàn)澆濕接頭混凝土將墩柱連為整體,墩柱的垂直度、上下節(jié)錯牙控制無施工經(jīng)驗可借鑒,是一個技術難題。3預制墩柱的配置本工程預制場選在上海市橫沙島,原為長江口航道整治混凝土構(gòu)件預制基地,主要預制半圓體沉箱,具有混凝土拌合站、出運碼頭、小臨等基礎設施。為預制墩柱,購置了400t龍門吊。由于出運碼頭引橋的承載力和結(jié)構(gòu)尺寸有限,龍門吊不能直接上碼頭,故設計制造了縱移平臺車進行轉(zhuǎn)運。墩柱運至出運碼頭后,用650t起重船吊裝上5000t深艙自航駁,由深艙駁運至施工現(xiàn)場,再用650起重船進行安裝,現(xiàn)澆濕接頭混凝土形成整體。4主要工藝準備4.1模板結(jié)構(gòu)組成墩柱采用立式預制法?；炷僚_座布置在鋼筋混凝土板基礎上,其上設置鋼臺座。外模板由模板面板和桁架兩部分組成,模板面板采用冷軋鋼板,桁架采用型鋼結(jié)構(gòu)。內(nèi)模板采用分節(jié)傘形收縮整體拼裝內(nèi)模,通過調(diào)整頂絲來改變模板外形尺寸。鋼筋骨架由下至上一次綁扎成形。采用商品混凝土,由罐車運送,泵車布料入倉,分層振搗一次澆筑完成。墩柱預制施工流程如圖3所示。(1)凝土臺座安裝鋼臺座臺座基礎為8m×6.5m,厚30cm的鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)?；炷僚_座高度為1.20m,寬0.58m。墩柱底端有1.10m或1.35m長的多根外伸鋼筋,為此在混凝土臺座上安裝可移動式的鋼臺座。鋼臺座高度與外伸筋長度相同。鋼臺座用鋼板及型鋼加工而成,底模與臺座連成一整體。底模采用δ10mm鋼板加工而成,按設計鋼筋位置留70mm×70mm方孔,在方孔下補焊100mm×100mm鋼板,并根據(jù)鋼筋直徑不同開準50mm和準40mm圓孔。為保證墩柱鋼筋正確就位及鋼臺座拆除方便,在底模上設置定位卡,堵塞底?？斩础ｄ摻罹臀缓?用海綿填充鋼筋與模板間孔隙。鋼臺座就位后用水準儀檢測其頂面四個角的高差,當平整度不滿足規(guī)范要求則采用薄鋼板將臺座墊平。墩柱預制臺座系統(tǒng)如圖4所示。(2)內(nèi)模結(jié)構(gòu)及安裝墩柱內(nèi)模采用分節(jié)傘形收縮整體拼裝,分節(jié)高度根據(jù)組合鋼模板的規(guī)格尺寸定為90cm;面板采用組合鋼模板,橫向圍囹采用準50腳手架鋼管,豎向圍囹采用10號槽鋼;內(nèi)撐為傘狀骨架,傘軸桿采用準90鋼管,支桿采用準50腳手架鋼管。內(nèi)模結(jié)構(gòu)如圖5所示。內(nèi)模安裝采用吊機由下至上順序逐層進行,分節(jié)模板之間使用螺栓連接固定。為防止模板間出現(xiàn)不吻合現(xiàn)象,每套模板分層進行編號,以防弄混。(3)網(wǎng)格間距、分布外模板由4片模板板面和桁架兩部分組成。模板板面采用δ8冷軋鋼板,加勁板采用δ8鋼板及10號槽鋼組成網(wǎng)格,網(wǎng)格間距按350mm設計。模板桁架采用14號槽鋼作為上下弦桿,使用骔63mm×6mm角鋼連接上下弦桿形成桁架。外模板安裝采用吊機和龍門吊配合進行,安裝順序為先長邊后短邊,模板就位時用定位插釬協(xié)助就位后及時打好定位銷,模板間墊2mm厚的橡膠止水板,并上好模板間及模板桁架間的連接螺栓。(4)混凝土澆注和振搗墩柱混凝土由商品混凝土站采用強制式拌合機拌和,罐車運送,泵車布料入倉,每節(jié)墩柱一次澆注完成?；炷翝沧⑶?墩柱內(nèi)部沿周邊安放8根串筒,避免混凝土落下時離散;布料時每層澆注厚度不大于30cm;布料后使用加長變頻式插入振搗器進行振搗,振搗手根據(jù)振搗棒上的刻度標示和內(nèi)部照明設備對振搗進行觀察和控制;澆注過程中分層減水,澆注至頂部時,清除浮漿,二次振搗、壓面。4.2水上運輸設備墩柱出運包括陸上和水上運輸兩部分。陸上運輸是指墩柱在預制場內(nèi)及從預制場經(jīng)過290m長的引橋至碼頭的運輸;水上運輸是墩柱從碼頭裝上駁船,運至大橋現(xiàn)場。墩柱的預制和運輸均采取立式。墩柱混凝土達到預定強度后,從臺座上出槽以及在預制場內(nèi)的運輸均由400t龍門吊來完成,墩柱從預制場至碼頭的運輸由縱移臺車完成,墩柱水上運輸由5000t深艙駁運輸。4.2.1車橋墩柱失穩(wěn)結(jié)構(gòu)及措施用龍門吊起吊運輸?shù)碾y度和風險相對較小,而采取臺車立式長距離運輸則存在較大的風險,國內(nèi)尚無先例。其主要問題是墩柱高度大,斷面尺寸相對較小,而且頂部尺寸大于底部尺寸,重心高;臺車運距達290m;受碼頭引橋結(jié)構(gòu)限制,臺車軌距僅6m,軌頂不是絕對平整,臺車運動難以達到勻速。因此,如何保證墩柱運輸中的安全穩(wěn)定,必須認真地分析和計算。(1)臺車運輸時的穩(wěn)定性分析墩柱在臺車上運輸時,水平慣性力使墩柱失穩(wěn)分3種情況:一是墩柱和鋼臺座沒有足夠強度的連接,墩柱相對于鋼臺座傾倒;二是墩柱和鋼臺座與臺車沒有足夠強度的連接,墩柱和鋼臺座相對于臺車傾倒;三是墩柱、鋼臺座和臺車整體傾倒。墩柱用臺車運輸時在墩柱上所產(chǎn)生的水平慣性力主要有以下3種:(1)牽引啟動和制動加速度絞車牽引臺車運行和制動時,會使墩柱沿運行方向產(chǎn)生水平加速度。經(jīng)計算選用25t絞車,牽引啟動產(chǎn)生的水平加速度小于墩柱沿牽引運動方向的臨界失穩(wěn)加速度。制動選用15t絞車,制動產(chǎn)生的水平加速度也遠小于墩柱沿運動方向的臨界失穩(wěn)加速度。(2)軌道面不平整引起的加速度當軌道面不平整,臺車運行時會產(chǎn)生繞軌道軸線的偏轉(zhuǎn)加速度,使墩柱產(chǎn)生垂直于軌道軸線的水平加速度。計算表明,當軌道面不平整時,臺車運行在墩柱上產(chǎn)生的垂直于軌道軸線的水平加速度均很小。(3)軌道接頭有間距和高差引起的加速度若將軌道接頭處的高差控制在5mm內(nèi),接頭縫寬5mm,臺車經(jīng)過該接頭縫時會產(chǎn)生高差變化,使臺車產(chǎn)生豎向加速度,同時臺車輪受到?jīng)_擊,使臺車沿軌道軸線方向產(chǎn)生水平加速度。通過計算可知,當軌道接頭處有間距和高差時,臺車運行在墩柱上產(chǎn)生的垂直于軌道軸線的水平加速度較大,它會使底寬3.2m及以下的墩柱失穩(wěn)。從上述分析可知,墩柱的失穩(wěn)主要是側(cè)向傾倒,需對墩柱采取必要的扶穩(wěn)加固措施。(2)墩柱扶穩(wěn)方案措施經(jīng)分析計算采取3方面的扶穩(wěn)措施:(1)在墩柱底部的四角,各預埋4根直徑32mm的螺紋鋼筋,將其同鋼臺座焊接,使鋼臺座和墩柱連接成整體。(2)在鋼臺座底面的四角,各用2根直徑30mm的螺栓將鋼臺座與臺車連接。(3)在臺車的兩側(cè),各設2個支架,在每個支架距臺車頂面2.0m和5.5m處設置頂撐絲杠,以提供維持墩柱穩(wěn)定的水平支撐力和力矩。墩柱的受力簡圖如圖6所示。(3)支架設計在臺車頂面設4個支架,用于固定頂撐絲杠。支架高5.75m,每個支架在臺車頂面上的尺度為1.3m×1.9m,用鋼板焊接而成,其結(jié)構(gòu)如圖7所示。經(jīng)有限元計算分析,支架結(jié)構(gòu)強度滿足要求。4.2.2自航式運輸駁岸通過對施工進度及船機性能綜合比選,選用了1條長91.5m,寬15.3m,深6.7m,載重量5000t的自航式運輸駁進行墩柱水上運輸,一次最多可以裝6節(jié)墩柱。(2)墩柱裝船起重船和運輸駁停泊在橫沙預制場碼頭,墩柱由臺車運至碼頭上,起重船起吊墩柱,吊放到運輸駁加固支架預留的位置上,焊接固定,逐一檢查合格后,運輸駁船即可起錨解纜,將墩柱運往大橋施工現(xiàn)場。4.3檢測和施工布置起重船和運輸駁駐好位后,即可進行安裝施工。墩柱起吊前,先將墩柱底部四角的8根準32加固鋼筋切斷,解除鋼臺座和墩柱間的連接;起重船從駁船上緩慢吊起墩柱,同時用大錘敲打鋼臺座使其與墩柱底部脫離。調(diào)整起重船船位及扒桿的角度,將墩柱吊至對應的承臺上方,緩緩落鉤,當其降低至距支撐短柱和導向短柱頂面45cm時停止落鉤,調(diào)整起重船扒桿和連接在墩柱上的纜繩,使墩柱對準導向裝置緩慢下落,依靠導向裝置使墩柱基本就位后停止落鉤,測量人員進行偏位及垂直度觀測。記錄偏差,推算支撐點及導向點墊片厚度,將墩柱重新起吊少許,在相應導向短柱的支撐面上焊接同偏差數(shù)值厚度相等的鋼板,再次將墩柱放下。垂直度使用安放在4個角的4個液壓千斤頂進行調(diào)整,測量密切配合。垂直度滿足設計要求后起重船落鉤使墩柱完全落在支撐短柱上,同時臨時焊接部分鋼筋加固,每個角點各焊接4根準32鋼筋,安排起重人員卸鉤進行下1節(jié)墩柱安裝。(1)支撐(導向)短柱為準確定位安裝墩柱節(jié)段,本工程采用在承臺上和每節(jié)墩柱頂面長邊設置4個支撐短柱,短邊設置2個導向短柱。支撐短柱兼有導向作用,短柱采用預制場內(nèi)預制,現(xiàn)場安裝的方法。承臺上及墩柱節(jié)段頂面短柱布置見圖8。(2)操作平臺及樓梯利用墩柱的4個矩形吊孔和兩個透氣孔支撐墩柱分節(jié)安裝和濕接頭混凝土澆注操作平臺。操作平臺不僅供操作人員施工,還要承載鋼筋及接頭外模板的重量。操作平臺采用平面桁架結(jié)構(gòu),由4片組成,片間用螺栓連接,外側(cè)面設護欄。施工人員上下墩柱使用安裝在墩柱側(cè)面的樓梯,樓梯分節(jié)加工,每2m設轉(zhuǎn)接平臺。搭設高度同操作平臺,從下至上依次安裝,采用法蘭盤及螺栓連接,底部固定在承臺上,中間部位利用墩柱透氣孔,頂部使用型鋼將樓梯與結(jié)構(gòu)物連接。樓梯安裝前先在承臺上鋪設膠皮板,防止樓梯磕碰承臺及樓梯上銹蝕水污染承臺表面。操作平臺及樓梯如圖9所示。4.4濕接頭混凝土澆注墩柱濕接頭指墩柱與承臺以及墩柱不同節(jié)段之間的連接接頭,濕接頭混凝土采用現(xiàn)澆施工工藝。墩柱節(jié)段之間的濕接頭斷面如圖10所示。為保證墩柱濕接頭的工程質(zhì)量,施工中采取了多項措施。(1)調(diào)整濕接頭斷面尺寸墩柱的壁厚為60cm,濕接頭部位墩柱內(nèi)壁側(cè)加寬使混凝土厚度增加至100cm,以便施工人員到內(nèi)部振搗。濕接頭內(nèi)側(cè)高度由原設計的170cm加高至205cm,即濕接頭混凝土的頂面比上節(jié)墩柱的底面高出50cm,濕接頭混凝土的底面比下節(jié)墩柱的頂面低15cm,并與墩柱空腔內(nèi)的水平隔板混凝土澆注成一體,起到很好的加強作用。(2)采用科學合理的模板工藝為了保證濕接頭混凝土的內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量,根據(jù)墩柱的結(jié)構(gòu)尺寸及預制安裝后的外形特點,外模板采用了3種模板形式組合使用:平面部位采用薄鋼板與豎向方木相結(jié)合的鋼木模板;四角圓弧處采用特制鋼模板;墩柱中間豎向凹槽處采用木模板。為適應墩柱表面及上下節(jié)墩柱間的高差變化,特采用外部支撐桁架與面板及豎肋不焊接為一體的頂絲結(jié)構(gòu),以其最終承受混凝土的側(cè)壓力。內(nèi)模板采用組合鋼模板拼裝而成,內(nèi)模板頂口高出上節(jié)墩柱底面50cm便于增加混凝土壓力。(3)優(yōu)化混凝土配合比設計,摻加聚丙烯晴纖維為保證濕接頭混凝土的強度及和易性,在其施工前進行配合比設計時做了多組試驗,通過分析比較,選出最優(yōu)化的混凝土配合比。為提高混凝土的抗裂性,特摻加了聚丙烯晴纖維,取得了良好的效果。(4)嚴格控制濕接頭混凝土的澆注質(zhì)量(1)對膠凝材料、砂石、外加劑等原材料加強檢驗,不合格的材料堅決不予使用;(2)嚴格控制混凝土原材料的計量和拌和時間;(3)控制好混凝土澆注下灰高度、分層厚度;(4)對濕接頭的不同部位,采用不同規(guī)格的振搗棒進行振搗,同時在混凝土終凝前由施工人員在表面鋪木板,使用手錘輕砸,確保混凝土振搗密實;(5)濕接頭混凝土實施二次振搗,保證濕接頭混凝土與墩柱的粘接質(zhì)量。(5)濕接頭混凝土養(yǎng)護濕接頭內(nèi)側(cè)采用涂刷養(yǎng)生液方法養(yǎng)護;外側(cè)白天人工灑水養(yǎng)護,晚上采用滴水法養(yǎng)護,即模板拆除后施工人員將集水桶吊放在墩柱頂面,在濕接頭上方圍繞一圈帶孔的水管,通過閥門控制水的流量。5混凝土表面裂縫產(chǎn)生機理及解決措施早期施工的濕接頭混凝土發(fā)現(xiàn)在短柱和“凹槽”部位出現(xiàn)豎向裂紋,分布比較有規(guī)律,絕大多數(shù)裂紋寬度小于0.2mm。經(jīng)過認真分析,認為是綜合原因所致:(1)混凝土在初期水化熱反應時,混凝土內(nèi)部溫度升高,而混凝土表面溫度較低,由于內(nèi)外溫差使混凝土產(chǎn)生脹縮變形,當混凝土表面拉應力超過混凝土抗拉強度時,即產(chǎn)生裂縫。(2)由于墩座及濕接頭混凝土均屬于“填充”性質(zhì)的混凝土,墩柱的上下端面及支撐短柱位置對混凝土均產(chǎn)生約束,混凝土在水化熱溫升的作用下,發(fā)生體積膨脹時受到了約束,導致裂縫產(chǎn)生。(3)墩柱在“凹槽”部位形狀發(fā)生了突變,因水化熱溫升和內(nèi)外溫差,混凝土發(fā)生脹縮時在這個部位應力集中產(chǎn)生裂縫。采取的主要措施有:(1)水平箍筋由原設計的準16間距150mm調(diào)整為準12間距75mm。(2)延長拆模時間至7d,現(xiàn)場加