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1、混凝土预制箱梁、移动模架法1.导言箱形梁因其整体性好、刚度大和强大的抗扭性能,在偏心荷载作用下其整体受力情况比多片主梁的T梁或工字梁有利,可以节省大量材料等优点，是中等、大跨度预应力混凝土公、铁路桥以及城市桥常用的结构形式。按施工类别分，箱梁可分预制和现浇两种。混凝土预制箱梁的优点是：能实现梁厂批量式的生产，避免了高空作业，有利于控制生产质量、缩短周期；但是，却增加了预制梁体的运输与安装工作。移动模架制梁施工具有占地少,对道路依赖性小,投入大型专用设备少,机动灵活,适应性强等优点。但存在着野外作业、高空作业和流动作业等不利条件。移动模架法适合于中等跨度桥梁的施工。2. 工艺原理移动模架原位整孔
2、制造预应力混凝土箱梁,是在预先安装于桥墩两侧的钢托架上,拼装带有模板的钢主梁及导梁,利用钢主梁承重,在预应力混凝土箱梁的设计位置上整孔现浇箱梁混凝土。经养护待初张拉箱梁能安全承受自重后,移动模架整体下降,脱底模、外模。然后主梁携带模架在墩旁托架上向前方移动一孔,逐孔完成多跨预应力混凝土箱梁的制造。终张拉可按施工组织的合理安排适时进行。而内模是在下一孔待制箱梁底腹板钢筋就位后再用专用小车从已制箱梁内分段运出安装。更换相应的模板,可以原位制造跨度为20 m32 m 的预应力混凝土箱梁。施工的关键在于移动模架的移动和模板的拆装移动。目前国内桥梁施工用移动模架结构形式多种多样(如上承式和下承式) ,其
3、用途与功能亦千差万别(如用于浇筑连续梁和简支梁) ;但其结构主要组成、工作原理和承载理念、施工组织与布置、施工工艺流程、安全质量控制等均大同小异。 某工程用下承式移动模架施工简支箱梁桥，模架主要由支承结构(墩旁托架) 、主梁及联结系、导梁、横移结构、纵移结构、模板系统及机电系统等基本部分组成(见图1) 图1. 某下承式移动模架布置混凝土预制箱梁的工艺原理较简单，它采用的是集中预制、大型机械运送与整体装配。3. 工艺流程3.1 移动模架现浇梁工艺移动模架制作箱梁与普通的原位现浇箱梁的不同处在于移动模架的落架脱模、横移、纵移等。移动模架现浇箱梁的施工过程包括许多步骤。在首跨位置安装模架并校正位置和
4、标高，拼装底模并调整好预拱度，使模架处于工作状态；在墩帽上准确安装支座，绑扎钢筋、埋设预应力孔道、安放预应力钢束和锚具、吊装安设内模并保证正确定位；浇注梁体混凝土、养护；混凝土达支强度后进行预应力张拉、注浆；模架整体下落脱模；解体散模，顶推前方底模；模架通过液压移动至下一工作位置。工艺流程见图2。图2. 移动模架施工工艺流程图3.2 混凝土预制箱梁工艺预制施工工艺流程为:清理底模、调整底模高程安装外侧模吊装底板、腹板钢筋安装预埋板、端模等安装内模吊装桥面钢筋、安装端模板及预埋板等浇筑梁体混凝土养护拆外模、内模、安装预应力钢绞线张拉纵向预应力筋移梁至相邻存梁台座张拉横向束、竖向筋,压浆,封锚。4
5、. 移动模架法施工的主要问题及其分析、解决措施4.1引言移动模架为一走行系统，为确保移动模架施工过程中的安全可靠性、成桥后的线型，有必要对移动模架的设计方案，施工过程进行研究。并且对移动模架浇注混凝土过程中的强度、刚度和稳定性进行分析；移动模架现浇箱梁悬臂端在空间效应下纵向裂缝的分析；收缩和徐变的分析。此外，施工过程中还有一些要特别注意的事项。对集中预制的混凝土箱梁，必须严格控制预制施工过程中的质量。4.2 移动模架强度、刚度和稳定性进行分析移动模架在纵移过孔的过程中，需要将部分底模向一侧开启，此时的移动模架左右两侧不对称，受到一偏心荷载的作用，容易发生倾覆现象。在纵移过程中，移动模架的支座以
6、及支座数量不断变化，底模陆续开启关闭，这使得移动模架存在无数种力学状态，这对移动模架移动中的稳定性也提出了更高的要求。一般需要选出几种特殊位置的工况进行验算，保证移动过程中，整个移动模架都处于安全范围内。4.3 移动模架现浇箱梁悬臂端裂缝分析与防治4.3.1 裂缝分析移动模架法进行PC 连续箱梁逐段现浇施工时, 给移动模架提供后吊点的箱梁悬臂段在多种荷载的共同作用下, 会产生显著的空间效应, 这种空间效应经常会使悬臂端底板的横向拉应力过大而出现纵向裂缝。图3 悬臂端底板裂缝分布示意图考虑到成桥后桥梁结构的受力要求, 通常将施工接缝(即预应力锚固端面) 设置在恒载正负弯矩的交界处, 该处弯矩值接
7、近于零。悬臂段是指从最近的桥梁支座到施工接缝之间的梁段(如图4) 。而文中的“悬臂端”则特指施工接缝附近的局部区域。图4 PC 箱梁悬臂段当PC 箱梁某一现浇施工段经过钢筋绑扎、混凝土浇注、预应力张拉及孔道压浆等一系列工序后, 需将移动模架沿桥梁纵轴线移动, 进行下一施工段的施工。此时, 已施工完毕的箱梁悬臂段可为移动模架提供后吊点, 如图5 所示。当下一施工段混凝土浇注完毕时, 移动模架所承受的荷载最大, 此时, 箱梁悬臂段所受荷载也最大, 处于最危险工况,悬臂段受力状态如图6 所示。图5 箱梁悬臂段的最危险工况图6 悬臂段受力图虽然箱梁的裂缝形式和成因很多,但归根结底是因为混凝土的抗拉能力
8、满足不了拉力的要求而产生的开裂现象。预应力混凝土受弯构件由作用(或荷载) 短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力,按下列公式计算:式中:tp 为混凝土主拉应力; c x 为,由预加力和按作用(或荷载) 短期效应组合计算的弯矩Ms 产生的混凝土法向应力; c y 为由竖向预应力钢筋的预加力产生的混凝土竖向压应力; 为由预应力弯起钢筋的预加力和按作用(或荷载) 短期效应组合计算的剪力产生的混凝土剪应力; 当计算截面作用有扭矩时,尚应计入由扭矩引起的剪应力;对后张预应力混凝土超静定结构,在计算剪应力时,尚宜考虑预加力引起的次剪力。4.3.2 裂缝防治底板纵向裂缝对箱梁的外观、耐久性会带来危害, 必
9、须采取一定的防治措施消除空间效应的不利影响, 防止裂缝的出现。悬臂端底板裂缝的防治措施基本可分为3 类:第1 类, 构造措施。从结构角度讲, 底板横向应力值过大的一部分原因在于悬臂端横向抗拉刚度不足, 因此, 可通过增加底板厚度、加密底板钢筋、增设端部横隔板进行改善。第2 类, 力学措施。门形吊架支反力是造成悬臂端底板受拉的第二大荷载。从直观上讲, 若能使该支反力远离悬臂端, 其对悬臂端底板的影响将会减弱。另外, 可在悬臂端设置横向预应力钢束, 用直接施加横向压应力的方式来抵消横向拉应力。第3 类, 材料措施。对悬臂端附近的底板区域采用钢纤维混凝土或钢纤维高强混凝土进行浇注,提高该区域底板材料
10、的抗拉强度。在进行实际施工时, 施工单位可结合自身的具体情况和建设、施工以及监理等单位的要求, 采取上述3 类措施的不同组合, 将悬臂端底板横向应力控制在容许范围之内, 保证工程质量。4.4 移动模架法施工注意事项1. 在遇到8级以上风力时，停止混凝土的浇注；风力大于6级时，移动模架不得行走、各部件应该处于锁定牢固状态。2. 要保证工期，必须缩短每个循环的作业时间，要求混凝土早强。同时要消除混凝土浇注过程中的模架变形对梁体的影响，混凝土的初凝时间需要适当的延长，调整混凝土的滞后效应。3. 不能随意增加钢箱梁的荷载、钢箱梁内不准堆积杂物，钢箱梁底板开足够数量的排水空，避免钢箱梁积水。4. 在模架
11、移动过程中，底模不宜同时全部开启，此时容易发生倾覆。5. 混凝土预制箱梁施工的主要问题及其分析、解决措施5.1裂缝产生的原因分析后张梁产生破坏的应力主要有温度应力、台座约束应力、台座变形应力(不均匀沉降)等。根据现场大量的观测结果,后张梁的裂缝主要有两种形式:表面裂缝和贯穿性裂缝(图7) 。图7 常见的梁体裂缝示意(1) 表面裂缝产生的原因后张梁在混凝土灌筑初期,由于水泥水化产生大量热量,从而使混凝土的温度急剧上升。但由于梁体表面散热条件较好,热量可以向大气散发,温度上升较少,实测结果一般比外界温度高1020 ,而梁体内部由于散热条件较差,热量不易向外散发,常使混凝土内部温度上升到5060 ,
12、甚至更高。梁体内部温度高、表面温度低,则形成温度梯度。当这种内外温差在梁体表面产生的拉应力超过混凝土在此期间建立的抗拉强度时,就会导致混凝土开裂,这是梁体表面裂缝形成的主要原因(2) 贯穿性裂缝产生的原因制梁台座相对于梁体可认为是散热性能差,变形能力弱,甚至可看作不变形的刚体。当梁体温度变化时,受到制梁台座的限制,因而产生外部约束应力。后张梁在灌筑初期,因水化反应,梁体开始升温,并产生膨胀变形,受到台座约束而产生压应力。此时,混凝土的弹性模量较小,梁体内部应力松弛较大,混凝土与台座连接不太牢固,因而压应力较小,不会产生温度裂缝。但随着混凝土龄期增长,其弹性模量和强度相应不断提高。当混凝土水化热
13、高峰期过去,梁体温度开始下降,加之梁体内多余水分的蒸发,引起混凝土收缩,制梁台座对混凝土收缩变形的约束也愈来愈强,使之不能自由变形,因此,产生较大拉应力。若拉应力超过混凝土极限抗拉应力,梁体就会出现贯穿性裂缝,表现形式为在梁体两侧出现多道对称的竖向裂缝,从梁底板开始,基本垂直制梁台座,一般下部宽、上部窄,直至上翼缘,有时甚至布满整个腹板区。5.2裂缝控制措施(1)调整混凝土配合比中胶凝材料数量，根据混凝土浇筑时的气温以及梁体不同的浇筑部位,在配合比允许调整范围内调整施工配合比和搅拌时间,以减少混凝土早期水化热,加快胶凝材料前期水化速度,改善其工作性能。(2)调整箱梁构造钢筋规格和间距箱梁顶板和
14、腹板纵向构造钢筋。(3)完善蒸汽养护工艺蒸汽管改为两端供汽,使得梁长范围内尽可能供汽量均匀;保证箱梁桥面板受热均匀。(4)局部增加抗裂钢筋对预施应力引起的受力裂纹,采取了局部增加抗拉钢筋的措施来承受混凝土结构中的拉应力。梁端受力裂缝采用增加箱梁横向底板钢筋后避免了该类裂缝的再次发生。6. 收缩与徐变由混凝土收缩徐变所引起的混凝土箱梁下挠、预应力附加损失过大、箱梁腹板开裂、支座不均匀沉降、结构应力重分布等,使得运营中的桥梁结构过早地失效或丧失功能。混凝土徐变影响的具体计算步骤为：用Ec作为混凝土的弹性模量计算组合截面几何特性(如弹性模量比n1 =Es/ Ec ,面积A01和惯性矩I01等) ；计
15、算组合截面的混凝土桥面板形心处的恒载应力0与应变0 ； 由下式计算混凝土桥面板形心处的换算荷载:求P0作用下斜拉桥组合箱梁的轴力P 和弯矩M ； 由下式求得混凝土徐变产生的混凝土与钢梁的应力:式中, yc 和ys 为根据n1 求得的组合截面形心至混凝土桥面板和钢梁边缘的距离；1 为t = 时的徐变系数。混凝土收缩影响的计算方法与徐变计算类似不赘述。几十年来, 国内外已有众多学者对混凝土处于变温度或变湿度环境下的收缩徐变进行了研究,但大多数研究成果均针对的是试验室的构件, 且所采用的处理方法是非常复杂的, 要将其应用于实际的大跨桥梁结构中仍有相当大的困难。而Hani M.Fahmi在1973 年
16、撰文中提出一种简单易行的处理变温的方法, 即基于叠加原理, 其总的应变可写为: 式中: C( t，T)为考虑温度变化t 时刻的比徐变。根据原文中所考虑的因素, 上式可写为徐变系数的表达式:式中( t, T) 为考虑温度变化t 时刻的徐变系数；( t,T0) 为混凝土在参考温度下t 时刻的徐变系数; ( tti) , Ti 为混凝土在温度Ti 下加载龄期为ti 时刻、计算龄期为t 时刻的徐变系数。7. 横向内力分析与有效宽度箱形梁的横向内力分析, 有整体的三维分析法和平面框架法两种, 采用何种方法取决于结构的大小。无论是公路活载, 还是铁路列车活载, 对横向力起控制作用的将是集中荷载或集中的面荷
17、载。这就需要考虑沿纵向究竟应取多大长度的箱梁段, 来承受桥面板上的车轮荷载, 即有效宽度。基本原理：令列车活载作用下结构整体计算的板横向弯矩为M x , 单位集度荷载(即q= 110) 作用下平面框架的横向弯矩为M 0, 为使平面框架分析与整体结构分析等效, 则列车轴重等代荷载集度应为q, 并由下式确定：若设列车轴重(Z ) 在桥横向分布宽度为a, 则板的横向有效宽度为b, 由下式确定：8.结语混凝土预制和移动模架法，是桥梁结构两种常用的施工方法。工艺上后者比前者要复杂，但机动灵活,适应性强。后者逐段现浇施工时, 可能会由显著的空间效应而产生悬臂端的纵向裂缝，需于以防治。而对前者，合理配合比、适当的养护和安全的构造措施可有效的控制裂缝。二者的收缩徐变和内力变化等也要区别对待。