突破节段梁预制拼装技术瓶颈

发布时间:2019-11-18   转载请注明:http://www.xingyingzhao.com/eluosijianzhu/2019/1118/1773.html 
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突破节段梁预制拼装技术瓶颈

  目前常规的预制节段大箱梁,一般在桥面较窄时采用单箱单室断面,当桥面较宽时,为减小节段尺寸和吊装重量,多采用分离多箱断面,工程设备投入套数多,墩顶横梁施工难度大,工期较长、造价贵,景观效果也难以令人满意。 项目主线桥梁起始于深中通道立交南侧,向北跨越深中通道立交区、码头路、机场南路和现状海堤后,与下穿机场三跑道下滑区的隧道相接。出隧道后,以桥梁形式跨越机场三跑道西侧海域,设置虾山涌通航孔,向北跨越现状海堤后结束,接规划空港新城段。主线km,另设平行匝道桥两对、立交匝道多条,桥面面积合计约41万平米。 国内已建节段梁多采用连续梁体系,对于部分桥墩较高或基础刚度较小的工程,也可采用固结体系。本桥受航空限高影响桥墩较矮,且海上段桥梁所在区域表层土较浅,基础刚度整体偏大。经分析固结体系只在线位少部分区域成立,且仅能实现3跨一联,联长较短降低了行车舒适性。与之相比,连续梁体系最长可实现6跨一联,联长适当增大后行车舒适性较好。综合考虑,海上段桥梁采用了连续梁体系。 体外预应力施工速度快、构造简单、节段预制方便,运营过程中钢束可检修可更换,但是预应力效率相对体内预应力低,钢束位置也较体内预应力远离翼缘板;体内束预应力效率高,钢束位置靠近翼缘板,但是会增加节段预制难度。因此纵向预应力钢束采用基于施工效率的、以体外束为主、体内预应力束为辅的混合配束预应力体系(见图7)。 根据国家建筑工业化和大力发展装配式建筑的战略部署,设计组提出基于“设计施工”双导向的施工快速化拼装技术,从结构设计着手考虑施工快速化。 大尺寸箱梁节段的运输和吊装难题,制约着节段梁技术在宽幅桥梁中的应用,是限制预制拼装技术在市政桥梁领域推广的关键问题之一。深圳海滨大道(机场段)工程,提出大悬臂节段预制复合截面脊骨梁的概念,将宽桥幅、大挑臂的箱梁断面分解为 “核心段箱梁”和“预制挑臂”两部分。分析该类桥梁的结构体系、合理构造以及关键连接,并对设计标准化、施工快速化等方面进行了研究。 预制挑臂与核心箱梁间的顶板接缝,在横桥向受拉,是最重要、受力最不利的一条接缝,因此采用湿接并设置普通钢筋通过,为方便现场浇筑,预制时可在接缝槽口下缘预留混凝土底模。 对于主线标准段与沿线匝道间过渡的变宽段,也进行了特殊的标准化构思。变宽段的节段梁设计一直是一个难题,国内尚无先例,难点在于预制结构标准化。非标构件将显著提高制造成本、降低施工速度,丧失预制拼装结构优势。如何使预制节段梁的“不变”,适应异形变宽段桥梁的“变”,设计组提出了“分箱室、变挑臂,压缩箱室”的成套设计方案。将全线桥梁断面归纳为不同宽度的单箱单室断面,通过不同类型、不同数量的箱梁组合,并配合挑臂长度和箱梁腹板位置的变化,实现桥面宽度的变化。 根据结构自身特点及其需求,对“预制核心段箱梁”“预制挑臂”两部分的结构尺寸进行合理布置,如腹板设置形式、桥面板板间支撑方式、箱室倒角、挑臂纵梁尺寸等,充分发挥大挑臂复合截面在施工、受力方面的优势。核心段与翼缘板的分界面,应结合吊装可行性及各部分受力情况综合考虑。图6为一种可行的箱梁横向分段方式。 “绿色化、工业化、信息化”是建筑业发展的方向。随着经济社会的快速发展,国家提出建筑工业化,出台了系列文件明确要求大力发展装配式建筑。 深圳海滨大道(机场段)工程位于宝安机场西侧,自南向北贯穿沿江高速以东海域。主线按城市快速路设计,设计速度80km/h,双向八车道;辅路按城市主干路设计,设计速度40km/h,双向四车道。工程主线km以隧道形式下穿机场三跑道限高区,余均采用桥梁形式跨越(见图1)。 为减小吊装重量,节段梁采用了复合截面的脊骨梁,断面在横桥向被分解为“预制核心段箱梁”和“预制挑臂”两部分。核心段箱梁在满足自身受力的基础上,应能够承受预制挑臂拼装的施工荷载;预制挑臂在满足整体受力要求的同时,还应考虑施工便捷、可操作性强,对核心段影响小的结构形式。 对于主线标准段,根据项目自身结构特点,提出由总体设计标准化和结构设计标准化两个层次组成的设计标准化。总体设计主要考虑道路线形标准化和桥梁跨径标准化设计;在总体设计标准化的基础上,实现核心梁断面、挑臂构造、节段类型、预应力配置、剪力键设置、转向块、锚固齿块等多个构件的结构标准化设计。 本工程地理位置特殊、周边环境复杂,现状立交改造和对接空间交错,加之新建结构形式新颖、技术难度大,这些建设特点都使信息化技术的应用显得十分必要和迫切。因此,在工程全寿命周期建设过程中有必要运用BIM、GIS等手段,通过可视化、协调性、模拟性、优化性技术的应用,有效改善沟通、降低成本、缩短工期、减少风险、提升项目管理和运维的水平。 节段预制拼装的混凝土桥梁符合国家产业发展方向,南京牛首山景区赴尼泊尔推介旅游同时具有绿色环保、环境和交通影响小、运输方便、施工快速、美观、耐久和全寿命费用低等诸多优点,近年来在国内铁路、公路、轨道交通以及市政工程中得到了广泛的推广和应用,取得了良好的使用效果。 预制挑臂与核心箱梁间的肋板接缝,承受较大的竖向剪力,同时下缘受压,可在接缝下部设置一对牛腿,接缝上半段采用现浇湿接缝连接,预制时可在接缝两侧预留混凝土薄板作为侧模。 其中,“预制核心段箱梁”的拼装与常规节段梁工艺类似。待核心预制箱梁的纵向预应力张拉完成、架桥机前移后,利用桥面小吊机起吊预制挑臂,并在顶部张拉横向临时预应力(见图10)。横向临时预应力张拉完成后,预制挑臂在自重、临时预应力、底部牛腿的竖向支撑力作用下达到平衡,桥面小吊机即可前移,继续吊装下一对预制挑臂。已经吊装完成的预制挑臂可进行肋板处湿接缝浇筑施工。待本跨预制挑臂全部吊装完成后,浇筑翼缘板与核心箱梁顶板之间的湿接缝。上述过程中,拼装预制挑臂时无须大型起重设备,且吊装设备不用等待接缝混凝土达到强度,周转效率高,施工速度快。 相邻预制挑臂之间的纵向接缝,由于肋板间距远小于挑臂长度,桥面板在车轮局部荷载作用下,呈现沿纵桥向受弯的单向板特性。为提高预制生产效率,所有挑臂节段宜按照相同外形进行预制。考虑到曲线段、超高渐变段的拼装难度,采用了有普通钢筋通过的湿接缝构造。 信息化技术作为一种理念和方法,可将工程建设项目的各类相关信息有机地纳入到数字模型中,为项目建设管理中可能存在的问题提供一种全新的解决方案,并保证全寿命周期的信息得到有效的管理和共享,从而保证项目的顺利推进。 最终,综合建设条件、施工工艺、景观需求等诸多因素,尝试在箱梁断面形式上进行创新,抛弃了传统的分离双箱断面,采用新型的大悬臂节段预制复合截面脊骨梁(见图4)。该结构形式受力明确合理,设计方案与施工工艺结合好,施工临时措施少,景观优美,经济性好。经初步测算,与原工可方案相比可节省投资约15%。 本项目位于深圳宝安机场与沿江高速之间的近海区域,建设受到通航、海洋潮汐、飞行区限高、邻近沿江高速、邻近并部分跨越机场海堤等诸多条件限制。同时由于地处机场周边核心区域,景观和环保要求也非常高。根据交通规划,海上段须布置8主4辅的双向12车道,同时设置慢行系统。 目前预制节段梁纵向拼接工艺已经较为成熟,但是预制构件间横向的连接方式、连接工艺,尚缺乏理论研究以及工程实践经验。针对本桥先拼装“预制核心箱梁”、后拼装“预制挑臂”的特点,需要在理解这种结构体系受力特性的基础上,提出受力性能优良、构造简单合理、施工快速便捷的桥梁横向分段预制拼装方法。其中: 原工可方案采用三幅桥设计,其中两幅桥分别布置双向主线,另设一幅布置辅路和慢行系统(见图2)。该方案虽能满足规划交通要求,但在横向布置了3根主梁和6根立柱,考虑邻近线根立柱,区域内桥墩凌乱,景观效果不佳。 其中,上部结构全部采用工厂预制、现场拼装的方式,工厂化生产率接近100%。下部结构方面,岸上段全部采用预制拼装技术,海上段综合考虑耐久性因素采用现浇工艺,但桩基、立柱钢筋也采用了工厂整体模块化生产,大大提高了工程质量和施工速度。 预制拼装技术作为国家桥梁产业发展的方向,具有显著的示范效应和推广价值。本项目研究“预制核心段箱梁”先行、“预制挑臂”后装的大悬臂节段预制复合截面脊骨梁,旨在突破大尺寸节段梁运输、施工的技术瓶颈,提升节段预制拼装混凝土桥梁的设计和施工关键技术,推动节段梁预制拼装技术的发展。 一方面,本项目受航空限高及浪溅区高度的制约,主梁不宜过高(不大于3.3m);另一方面,从施工效率出发,海上桥梁的跨径又不宜过小。在此基础上,对跨径40、50、60m的复合截面节段梁进行了分析,结果表明40、50m跨桥梁的力学和经济指标均优于60m跨。此外,项目线m的沿江高速,两者间距较近(最近处约60m),从整体景观效果考虑,新建桥梁的立柱间距不宜过密。综合受力、经济、施工、景观等多方面因素,最终选定海上段标准跨径为50m。 特殊的,对于复合截面脊骨梁,现场拼装需分别经历“拼装核心段箱梁”以及“拼装预制挑臂”两个阶段(见图8、图9)。 大挑臂复合截面节段梁施工时先形成核心段结构,后安装挑臂。核心段结构架设时仅张拉体外束提高架设效率,核心段形成后逐步安装预制挑臂,并同步张拉体内束,确保体内束预应力效应能较好地扩散至翼缘板整体,保证翼缘板受力性能。体内束线形应优化为最简,减小预制难度,提高标准化程度。 为优化景观效果,将慢行系统单独考虑(设计小规模的景观人行桥或利用沿岸海堤堤顶路),剩余的车行道桥梁可按两幅布置,单幅桥宽25m。对比原工可断面,优化方案减少下部结构数量,景观效果更优。但由于25m宽节段梁的吊重过大,按常规思路只能采用分离双箱断面(见图3),由此导致工程设备投入套数多、墩顶横梁施工难度大、工期较长、造价偏高等问题。 为解决宽桥幅节段梁的运输、施工难题,提出大悬臂复合截面脊骨梁的概念,即将断面分解为节段预制的“核心段箱梁”和“预制挑臂”两部分。其中,“预制核心段箱梁”采用架桥机进行吊装、架设及拼装,而“预制挑臂”则在核心段成型后逐步拼装完成。该结构形式在国内尚无相似案例,部分设计、施工内容缺少规范规定,因此有必要对其合理总体布置、结构体系、关键连接构造、标准化、快速施工等方面进行深入研究,指导工程设计、施工,并总结经验,为后续类似工程设计提供参考依据。 《桥梁》杂志于2004年创刊,以促进科技发展,传承桥梁文化为办刊宗旨。以关注中外桥梁史上值得借鉴的案例、共享中外桥梁史上前沿的创新成果、结识中外桥梁史上久负盛名的大师、浏览中外桥梁史上蕴涵的悠久文化为办刊特色。杂志面向国内外发行,提供国内外桥梁界最新的学术动态及实践成果,以独特的视角报道桥梁工程设计、施工、科研、监理、管理、文化等内容,全方位反映桥梁科学技术创新,展示桥梁美学文化。设有关注、专题、亮见、资讯、技术、人物、文化、会客厅等栏目,集科技与文化为一体,具有可读性、实用性及收藏价值。

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