深水區(qū)非通航孔橋墩墩柱預(yù)制安裝技術(shù)

深水區(qū)非通航孔橋墩墩柱預(yù)制安裝技術(shù)

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(fù)責(zé)樁基、承臺和墩柱的施工。工程數(shù)量主要包括準(zhǔn)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(yù)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(yùn)輸安全風(fēng)險突出。(3)105m跨的墩柱分成3節(jié)或4節(jié)預(yù)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(yàn)可借鑒,是一個技術(shù)難題。3預(yù)制墩柱的配置本工程預(yù)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(yù)制基地,主要預(yù)制半圓體沉箱,具有混凝土拌合站、出運(yùn)碼頭、小臨等基礎(chǔ)設(shè)施。為預(yù)制墩柱,購置了400t龍門吊。由于出運(yùn)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(shè)計(jì)制造了縱移平臺車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。墩柱運(yùn)至出運(yùn)碼頭后,用650t起重船吊裝上5000t深艙自航駁,由深艙駁運(yùn)至施工現(xiàn)場,再用650起重船進(jìn)行安裝,現(xiàn)澆濕接頭混凝土形成整體。4主要工藝準(zhǔn)備4.1模板結(jié)構(gòu)組成墩柱采用立式預(yù)制法?；炷僚_座布置在鋼筋混凝土板基礎(chǔ)上,其上設(shè)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(yùn)送,泵車布料入倉,分層振搗一次澆筑完成。墩柱預(yù)制施工流程如圖3所示。(1)凝土臺座安裝鋼臺座臺座基礎(chǔ)為8m×6.5m,厚30cm的鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)。混凝土臺座高度為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(shè)計(jì)鋼筋位置留70mm×70mm方孔,在方孔下補(bǔ)焊100mm×100mm鋼板,并根據(jù)鋼筋直徑不同開準(zhǔn)50mm和準(zhǔn)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(shè)置定位卡,堵塞底模空洞。鋼筋就位后,用海綿填充鋼筋與模板間孔隙。鋼臺座就位后用水準(zhǔn)儀檢測其頂面四個角的高差,當(dāng)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(yù)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(zhǔn)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(zhǔn)90鋼管,支桿采用準(zhǔn)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(jī)由下至上順序逐層進(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)。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(jī)和龍門吊配合進(jìn)行,安裝順序?yàn)橄乳L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(qiáng)制式拌合機(jī)拌和,罐車運(yùn)送,泵車布料入倉,每節(jié)墩柱一次澆注完成。混凝土澆注前,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(jìn)行振搗,振搗手根據(jù)振搗棒上的刻度標(biāo)示和內(nèi)部照明設(shè)備對振搗進(jìn)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(yùn)輸設(shè)備墩柱出運(yùn)包括陸上和水上運(yùn)輸兩部分。陸上運(yùn)輸是指墩柱在預(yù)制場內(nèi)及從預(yù)制場經(jīng)過290m長的引橋至碼頭的運(yùn)輸;水上運(yùn)輸是墩柱從碼頭裝上駁船,運(yùn)至大橋現(xiàn)場。墩柱的預(yù)制和運(yùn)輸均采取立式。墩柱混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后,從臺座上出槽以及在預(yù)制場內(nèi)的運(yùn)輸均由400t龍門吊來完成,墩柱從預(yù)制場至碼頭的運(yùn)輸由縱移臺車完成,墩柱水上運(yùn)輸由5000t深艙駁運(yùn)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(yùn)輸?shù)碾y度和風(fēng)險相對較小,而采取臺車立式長距離運(yùn)輸則存在較大的風(fēng)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(yùn)距達(dá)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(yùn)動難以達(dá)到勻速。因此,如何保證墩柱運(yùn)輸中的安全穩(wěn)定,必須認(rèn)真地分析和計(jì)算。(1)臺車運(yùn)輸時的穩(wěn)定性分析墩柱在臺車上運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)行和制動時,會使墩柱沿運(yùn)行方向產(chǎn)生水平加速度。經(jīng)計(jì)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(yùn)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(yuǎn)小于墩柱沿運(yùn)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(dāng)軌道面不平整,臺車運(yùn)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(jì)算表明,當(dāng)軌道面不平整時,臺車運(yùn)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(jì)算可知,當(dāng)軌道接頭處有間距和高差時,臺車運(yùn)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(jì)算采取3方面的扶穩(wěn)措施:(1)在墩柱底部的四角,各預(yù)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(shè)2個支架,在每個支架距臺車頂面2.0m和5.5m處設(shè)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(shè)計(jì)在臺車頂面設(shè)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(jì)算分析,支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。4.2.2自航式運(yùn)輸駁岸通過對施工進(jìn)度及船機(jī)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(yùn)輸駁進(jìn)行墩柱水上運(yùn)輸,一次最多可以裝6節(jié)墩柱。(2)墩柱裝船起重船和運(yùn)輸駁停泊在橫沙預(yù)制場碼頭,墩柱由臺車運(yùn)至碼頭上,起重船起吊墩柱,吊放到運(yùn)輸駁加固支架預(yù)留的位置上,焊接固定,逐一檢查合格后,運(yùn)輸駁船即可起錨解纜,將墩柱運(yùn)往大橋施工現(xiàn)場。4.3檢測和施工布置起重船和運(yùn)輸駁駐好位后,即可進(jìn)行安裝施工。墩柱起吊前,先將墩柱底部四角的8根準(zhǔn)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(yīng)的承臺上方,緩緩落鉤,當(dāng)其降低至距支撐短柱和導(dǎo)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(zhǔn)導(dǎo)向裝置緩慢下落,依靠導(dǎo)向裝置使墩柱基本就位后停止落鉤,測量人員進(jìn)行偏位及垂直度觀測。記錄偏差,推算支撐點(diǎn)及導(dǎo)向點(diǎn)墊片厚度,將墩柱重新起吊少許,在相應(yīng)導(dǎo)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(jìn)行調(diào)整,測量密切配合。垂直度滿足設(shè)計(jì)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(diǎn)各焊接4根準(zhǔn)32鋼筋,安排起重人員卸鉤進(jìn)行下1節(jié)墩柱安裝。(1)支撐(導(dǎo)向)短柱為準(zhǔn)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(shè)置4個支撐短柱,短邊設(shè)置2個導(dǎo)向短柱。支撐短柱兼有導(dǎo)向作用,短柱采用預(yù)制場內(nèi)預(yù)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(shè)護(hù)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(shè)轉(zhuǎn)接平臺。搭設(shè)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(shè)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(xiàng)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(shè)計(jì)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(qiáng)作用。(2)采用科學(xué)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(yù)制安裝后的外形特點(diǎn),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(yīng)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(shè)計(jì),摻加聚丙烯晴纖維為保證濕接頭混凝土的強(qiáng)度及和易性,在其施工前進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時做了多組試驗(yàn),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?fù)郊恿司郾┣缋w維,取得了良好的效果。(4)嚴(yán)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(qiáng)檢驗(yàn),不合格的材料堅(jiān)決不予使用;(2)嚴(yán)格控制混凝土原材料的計(jì)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(jìn)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(shí);(5)濕接頭混凝土實(shí)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(hù)濕接頭內(nèi)側(cè)采用涂刷養(yǎng)生液方法養(yǎng)護(hù);外側(cè)白天人工灑水養(yǎng)護(hù),晚上采用滴水法養(yǎng)護(hù),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(jī)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(rèn)真分析,認(rèn)為是綜合原因所致:(1)混凝土在初期水化熱反應(yīng)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(dāng)混凝土表面拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)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(dǎo)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(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫。采取的主要措施有:(1)水平箍筋由原設(shè)計(jì)的準(zhǔn)16間距150mm調(diào)整為準(zhǔn)12間距75mm。(2)延長拆模時間至7d,現(xiàn)場加