关键词：大跨径 连续刚构 挂篮 合拢
一、前言
1、研究背景
随着连续刚构桥在我国桥梁建设中的不断推广和连续刚构桥施工技术的不断发展，连续刚构桥上部箱梁的合拢施工这一连续刚构桥的关键施工节段逐渐受到设计、施工部门的重视，很多连续桥梁合拢施工技术被应用到了连续刚构桥的施工中，但是连续刚构桥采用墩梁固结的结构形式，合拢后结构的残余内力将长久存在，不能像连续梁桥一样在墩顶临时约束去除时被释放掉，于是很多新的施工技术和合拢施工控制手段被应用到连续刚构桥的施工建设中。
连续刚构桥合拢问题至关重要，历来受到广大工程人员的高度重视。虽然已有许多成功合拢的实例，但对合拢构造、工艺及性能进行系统研究的文献并不多见。合拢段的施工是悬臂浇筑技术非常重要的工序之一。它不仅是梁体体系转换的必由之路，而且因为混凝土从浇筑到张拉预应力筋，实现真正“合拢”期间，昼夜温差的影响、新浇混凝土的早期收缩、徐变等因素，都要在结构中产生变形、引起内力，所以必须采取合理的措施，确保合拢段混凝土不致因自身的长度的变化造成开裂和压碎，使桥梁顺利合拢。鉴于目前文献合拢段的施工，都是针对连续梁而言的，连续刚构有其自身的特点。本文结合大桥施工实例，论述悬臂施工中合拢段的施工方案和技术注意事项。
2、研究的目的和意义
本文通过对连续刚构桥合拢的研究，结合依托工程施工现场要求和现有的资料，注重整体功能，不片面追求轻型指标，将挂篮安全与可靠性放在首要位置，承载平台、牵索系统、锚固系统等均给予充分的安全储备，设计了符合连续刚构桥利用挂篮合拢的施工技术，达到了以下主要目的：
(1)选用了前期悬臂浇筑时所用的受力合理、安全可靠、刚度较大的菱形结构挂篮作为吊篮使用，中间减少了挂篮拆除和重新安装吊篮时间；设计时考虑到原有挂篮有宽敞的作业空间，便于放置各种机具和操作人员往返，达到改善施工条件和环境，以及大大提高了人员操作安全保障的目的。
(2)利用挂篮施工合拢段时，挂篮行走、模板升降等采用液压装置或容易操作的螺旋千斤顶，电气集中控制，靠机械化和自动化来提高生产效率和降低工人劳动强度；挂篮行走时，底模、外模同步就位，尽量减少工序；悬吊系统和锚固系统装拆方便、调整简单，达到缩短挂篮施工周期的目的。
(3)内模采用木模拼装，外模采用悬浇施工的外模（钢模），既减轻重量又坚固耐用，且满足合拢段使用，不需要更换和修补，减少箱梁纵横向变形及“错台”量；严格规范保持平衡施工及限制施工荷载的措施，保证施工安全和质量，达到保证砼质量及线型需求的目的。
(4)为了避免两端两题高差较大，桥面线形出现错台，影响合拢质量和桥梁美观，采用挂篮施工合拢，并利用挂篮作为合拢配重，减少了合拢时配重加载，减少了人为不平衡配重。挂篮合拢工艺技术利用挂篮作为高程调整配重，科学合理的减少了物资材料投入，体现了现代工程建设环保节约的理念。
(5)在利用挂篮施工完全桥合拢段后，等满足通车要求时在拆除挂篮起到安全、快速拆除的目的，避免挂篮后退拆除和桥梁下原地面复杂拆除时出现的安全隐患。
(6)对挂篮结构作适当处理可适应各种跨径、不同宽度的各类箱梁施工，达到通用性的目的。
3、研究状况
国内连续刚构桥合拢施工所采用的施工方法大多为拆除挂篮后改吊篮施工，吊篮稳定性较差，操作空间不足，在合拢时人为加载配重不均衡，不能很好的保证主梁的线型符合设计要求，同时在合拢段施工前需要拆除挂篮所需时间长，且由于跨境大、墩身高，在塔吊和吊车不能帮助施工时，需人工配合小型机械拆除时存在安全风险大，再次重新设计安装吊篮的施工费用加大，技术要求高。因此对本项目依托工程连续刚构桥合拢施工关键技术进行研究就非常必要和迫切。
拟解决上述问题，在确保挂篮施工安全性和主梁施工质量的同时，最大限度的减少挂篮拆除时间，提高施工效率缩短工期，节约经济成本，我们进行了长时间的方案制定、优化，反复验算，现场验证，最终研发出适应连续刚构桥利用挂篮合拢的工法，并在涪江特大桥大桥成功应用，取得了显著的成效。
4、依托工程概况
涪江特大桥中心里程K24+265，引桥桥型布置为3-40m+4-40m先简支后连续T梁，主桥为380(100+180+100)m预应力砼连续刚构桥，主桥中跨采用180米一跨跨越涪江主航道，左岸主墩位于岸边浅水区域，右岸主墩位于岸上。起点桩号K23+791，终点桩号K24+463，全桥长为672m。
主桥桥墩采用钢筋砼箱型截面墩，主墩顺桥向宽度7.5m，横桥向宽度6.75m，截面纵横向壁厚取值为1.Om，墩高分别为40.3m、29.0m。
本桥为双幅桥，每幅桥面宽度12.75m，连续刚构主梁采用单箱单室截面，箱底宽6.75m，两侧翼板宽度为3m。箱梁端部梁高4m,墩顶根部梁高11.6m，为主跨跨度的1/15.65,箱高以半立方抛物线变化。箱梁底板厚从箱梁根部截面的120cm厚渐变至跨中截面的35cm厚。箱梁腹板厚度采用50、62.5、75cm三个级别变化，箱梁零号段腹板加厚为100cm。主梁0号段长12m（包括桥墩两侧悬臂各2.25m），连续刚构悬臂浇筑段按3.5m、4m和5m三种长度共划分20个对称节段，合拢段长2.0m，从根部至梁端划分为6×3.5m+8×4m+6×5m，最大悬臂长85.25m，边跨现浇段长度8.8m。涪江特大桥桥型布置图详见图一。
连续刚构主梁采用C55砼，0号段采用C55聚丙烯纤维砼，高强度低松弛钢绞线和群锚作为纵向预应力体系，挂篮悬浇法施工。0号段采用托架施工，1号～20号梁段采用挂篮分段对称悬臂浇筑施工，边跨现浇段采用支架施工。悬臂浇筑梁段最大控制重量2700kN，挂篮设计≤自重1000kN。
连续刚构箱梁按全预应力砼构件设计，采用三向预应力体系，横向和纵向（即为腹板束、顶板束（布置在负弯矩区）和底板束（布置在正弯矩区））采用标准强度为1860Mpa的φs15.2高强度低松弛钢绞线，预应力管道采用塑料波纹管；竖向采用PSB930级JL32精轧螺纹钢，预应力管道采用镀锌铁皮波纹管。所有预应力施加都在砼强度达到设计强度90%以上进行，且采用张拉吨位和延伸量双控，以张拉吨位为主。纵向预应力钢束在箱梁横截面保持对称张拉，纵向钢束张拉两端保持同步。竖向预应力采用二次张拉工艺，第二次张拉与第一次张拉间隔一个梁段浇筑周期。
主桥连续刚构箱梁采用菱形挂篮悬臂灌注施工工艺，共计配备8套挂篮施工。
主桥预应力砼连续刚构箱梁合拢段左右幅共计6个，其中边跨合拢段4个，中跨合拢段2个，单个合拢段长度2.0m，顶板厚30cm,腹板厚50cm，底板厚35cm,梁高4.0m，C55砼25.34m3，合拢段重量658.7KN，钢筋3666.6kg。合拢工序为先边跨后中跨。
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涪江特大桥桥型布置图一
二、研究方法及步骤
1、研究的主要方法
本研究从安全和可靠性出发，通过查阅文献资料，结合依托工程主梁的结构形式，节段分段长度、节段重量，纵横方向的坡度，以及挂篮在下降前移时其下方的净空大小等各方面的因素，对挂篮进行结构设计、理论计算和实践验证。使结构合理稳定，加工安装方便，同时增加挂篮的适用性，满足主梁线形和高程质量控制要求，工期效益和工程质量明显。
2、研究过程实施情况
(1) 施工工艺流程
涪江特大桥(100+180+100)m预应力砼连续刚构箱梁合拢顺序为先边跨后中跨，根据设计施工步骤，具体合拢顺序如下：
1、边跨合拢工艺流程
边跨合拢段底模支架采用挂篮底模+落地支架底模方式。
对称悬浇20号节段及边跨现浇段（落地支架）施工完成——挂篮吊带拆除2根——设置平衡压重——底模拼接、铺设底板——外模就位——锁定边跨合拢劲性骨架——临时预张拉边跨钢束——绑扎钢筋、预应力管道及内模安装——浇筑边跨合拢段砼（同步拆除配重）——养护等强——张拉压浆——挂篮拆除、边跨现浇段支架拆除——完成边跨合拢。
2、中跨合拢工艺流程
中跨合拢段底模支架采用双挂篮底模对拼方式。
边跨合拢施工完成——挂篮吊带调整——视合拢标高误差设置平衡压重——底模拼接、铺设底板——外模就位—— 中跨合拢劲性骨架顶推及锁定—— 临时预张拉中跨钢束——绑扎钢筋、预应力管道及模型安装——浇筑中跨合拢段砼（同步拆除配重）——养护等强——张拉压浆——挂篮拆除——完成中跨合拢，全桥合拢。
(2) 施工技术方案
合拢施工方案的重点在合拢吊架的设计，其它如配重、换重的设置、合拢劲性骨架的安装与锁定、预张拉临时预应力束、合拢段砼浇注时间及温度的控制、合拢钢束的张拉与压浆等关键步骤，均严格按照设计要求及施工规范要求执行。钢筋绑扎、预应力安装、张拉及压浆、模型安装及加固、支架及操作平台搭设等通用工序，均和正常悬灌、边跨现浇段要求相同，在此不再赘述。
合拢吊架的设计关键在于如何利用既有挂篮和支架，根据设计要求，结合工地现场既有材料、机具等实际情况，边跨合拢利用落地支架配合边跨挂篮底模作为支撑，纵、横铺设平台进行施工；中跨合拢利用中跨两幅挂篮底模对接进行施工，内模采用木模拼装，外模采用悬浇施工的外模（钢模）。中跨挂篮在悬灌完20#节段后，中跨一侧挂篮与另一侧挂篮刚好相接，通过调节挂篮底模前钢带、后吊带，纵、横铺设平台，随后提升挂篮底模平台，将挂篮底模前钢带、后吊带打紧锁死，使合拢段底模紧贴已浇注的20#段底板砼底面，形成合拢吊架平台。
合拢吊架平台形成后，同其它段一样绑扎钢筋、安装预应力、安装模型及加固、搭设内箱支架、浇注砼。
2.1边跨合拢施工
1、模板安装方式
边跨合拢采用挂篮与现浇支架结合方式，现浇支架底模伸出长度0.6m，挂篮施工完20号块段后，底模超出节段长度0.9m，挂篮不再移动，挂篮底模纵梁和现浇支架底模纵梁采用I25工字钢焊接对接，底板纵向支撑采用工字钢将挂篮底板与现浇段底板支撑工字钢焊接成整体，腹板下方设置2根I25工字钢，底板设置4根I25工字钢。在工字钢上铺间距为15cm规格为12cm×12cm的木方。内模采用边跨现浇段施工的木模拼装，外模用悬浇施工的外模（钢模）。因吊带影响外模移动，拆除外侧两根吊带。
2、受力计算
(1)吊带为160*24mm吊带。开Φ50孔。
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单根吊带受力σ=（16cm-5cm）*2.4cm*（210MPa*10）=55.44t，3根吊带受力为166.32t，
底模前横梁重1.815t，底模纵梁重4.473t，底模操作平台重0.363t，总重6.651吨，合拢段理论重量65.87T。
吊带受力>荷载总重，满足要求。
（2）底模纵向为I25工字钢，单根工字钢承重为Q=56*W/L/1000（I25 W值为402）
=56*402/2/1000=11.3吨
合拢段总方量25.31方，总重为65.87t；单侧腹板宽度为50cm，高度为400cm，长200cm，总方量为4方，总重10.4吨；底板宽度550cm，高度35cm，长度200cm，总方量约4.0方，总重10.4吨。
底板设8根工字钢总承重为11.3t*8=90.4吨>合拢段混凝土+底模总重67.395t。符合要求。
腹板设2根工字钢总承重为11.3t*2=22.6吨>腹板总重10.4t。符合要求。
模板安装检验标准：模板标高允许偏差±10mm，模板内部尺寸允许偏差+5mm，0，轴线偏位允许偏差10mm，模板相邻两板表面高低差允许偏差2mm，模板表面平整允许偏差5mm。
3、预压
为使合拢段施工满足设计要求，克服荷载增加后吊架的非弹性变形，底模安装好后，采用现浇箱梁施工的荷载提高10%进行预压（即全部计算荷载的1.2倍）。根据现场现有材料，采用砂袋实现对底模的加载预压。
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边跨合拢挂篮侧面布置图
2.2中跨合拢施工
1、模板安装方式
中跨合拢采用双挂篮对拼方式，挂篮施工完20号块段后，底模超出节段长度0.9m，挂篮不再移动，挂篮底模纵梁采用I25工字钢焊接对接焊接成整体，腹板下方设置2根I25工字钢，底板设置4根I25工字钢。在工字钢上铺间距为15cm规格为12cm×12cm的木方。内模采用边跨现浇段施工的木模拼装，外模用悬浇施工的外模（钢模）。因吊带影响外模移动，需拆除外侧两根吊带。为防止对拼挂篮出现竖向变形影响合拢质量，对挂篮底纵梁进行焊接固定，在两侧腹板处各连接3根纵梁。
2、受力计算
(1)吊带为160*24mm吊带。开Φ50孔。
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单根吊带受力σ=（16cm-5cm）*2.4cm*（210MPa*10）=55.44t。3根吊带受力为166.32t
底模前横梁重1.815t，底模纵梁重4.473t，底模操作平台重0.363t，总重6.651吨，合拢段理论重量90.87T（其中包括中横隔板重量25T）。
吊带受力>荷载总重，满足要求。
（2）中跨合拢主要受力部位为吊带，底模纵向为I25工字钢受力忽略。
模板安装检验标准：模板标高允许偏差±10mm，模板内部尺寸允许偏差+5mm，0，轴线偏位允许偏差10mm，模板相邻两板表面高低差允许偏差2mm，模板表面平整允许偏差5mm。
3、预压
采用现浇箱梁施工的荷载提高10%进行预压（即全部计算荷载的1.2倍）。根据现场实际情况，由于挂篮和吊带以及节段预留钢筋和劲性骨架影响，预压工作操作空间限制，且采用双挂篮合拢的方式，挂篮前期施工稳定，因此不实施预压。
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中跨合拢挂篮侧面布置图
（3）线型控制调整
线型控制即在悬浇施工阶段，根据箱梁结构计算和挂篮试压结果提供梁体各截面的最终挠度变化值(即竖向变形)，设置施工预拱度，据此调整每块模板安装时的前端标高，以抵消梁段施工所产生的一系列挠度，施工完毕到达设计的位置。
3.1布设控制点
为了保证主桥悬浇节段施工中线、高程的准确，确保全桥线形的平顺，0号块施工时在0号块顶面中心预埋钢板作为水平、中线控制点，并与两岸既有中线、高程点进行联测闭合。控制点要求稳定可靠并全桥皆由此控制点控制以保证控制的一贯性，减少测量误差。
3.2墩身变形监测
主墩施工期间在墩身上预埋观测点，在主桥箱梁悬浇施工期间要加强墩柱的观测工作，委派专人利用高精度观测仪器定期对主墩最不利断面进行应力监测，同时观测主墩墩顶的位移变化，严密注意墩身的变形，防止桥面两悬浇节段施工荷载不均匀而造成事故。
3.3承台沉降观测
承台浇筑时在四角埋设4个钢筋作观测点，悬浇施工中定期对四个点进行观测，比较前后差值即为承台沉降值。
3.4箱梁轴线控制
利用0号块中心控制点和边墩上控制点对各悬浇节段的中线进行控制，每个悬浇节段完成后复核前面几个节段中心点的位移，复核无误后再放出待浇节段的中线，严密监测各节段中线变化情况。
3.5箱梁高程控制
利用0号块中心处水准点控制悬浇节段混凝土、模板高程，混凝土浇筑前在每节段端部中线和翼板边缘设置高程控制钢筋桩，钢筋下部支撑于底模上，顶部露出混凝土面10cm，作为混凝土浇筑时对箱梁顶面高程的控制，并在混凝土浇筑后、张拉后对高程进行复核以验证设计预拱度的设置。
3.6箱梁预拱度的设置
悬浇施工时梁体线形影响到合拢的精度，应对每个节段设置预拱度。计算预拱度应考虑以下因素：挂篮的变形、箱梁的自重、预应力的大小、施工荷载、结构体系转换、混凝土收缩与徐变、日照与温度变化。
（4）合拢阶段桥梁状态的监控
由于连续刚构桥的多次超静定特性，温度、桥墩沉降、施工荷载、风雨、体系改变等均在结构内产生内力。因此合拢阶段桥梁状态的监控不仅要针对结构本身，如桥梁结构及构件的内力、应力、变形、沉降、结构体内温度等对外部环境等也需进行观测，如大气温度等。桥梁的位移及内力是通过预埋在桥梁结构上的位移测点、应变测点、温度测点等的测量得到的。环境温度也通过架设在桥梁周围的测点数据量得，这些测点在悬臂施工时期已经埋设完毕。整个合拢监控过程中，监测结果与分析是施工工艺调整和实施的直接依据，数据与分析的及时性是及其重要的。
三、研究的主要结果和产生的效果
涪江特大桥工程采用挂篮合拢施工，圆满完成合拢施工。采用挂篮合拢大大提高了安全性和稳定性，同时减轻了结构自重，缩短了挂篮施工周期，保证了混凝土浇筑的质量，节省了施工费用，取得了良好效益。
本课题研究依托涪江特大桥主桥主梁施工。根据依托工程得到的数据统计及分析如下：
1、技术效益
本技术能有效的缩短合拢段施工周期,可以较大的改善施工工艺，增强了安全保障，提高工作效率，节约了成本，形成较好的经济效益，主要取得了以下成果：
（1）完成了连续刚构挂篮合拢结构优化设计，稳定可靠，并可适应其他类似工程施工。
（2）采用挂篮合拢设计施工，简化了挂篮改吊篮的组装和预压试验，确保了合拢浇筑施工安全，验证了挂篮合拢的强度、刚度以及稳定性。
（3）总结了连续刚构挂篮合拢浇筑施工的施工工艺，保证了施工质量，验证并收集了各工况下挂篮施工的相关技术数据。中跨双挂篮合拢工艺，两端受力均衡，合拢精度高，有利于桥梁整体性和耐久性。
（4）分析总结了连续刚构挂篮合拢施工的过程中不同施工阶段质量和安全控制措施。
（5）对涪江特大桥大桥工程而言，常规施工需先进行挂篮拆除再安装吊篮进行合拢施工，本技术直接应用现有挂篮进行，一是解决了边跨合拢时因边跨现浇段支架搭设过长的影响，二是解决了挂篮先拆除后进行吊篮安装导致合拢时间长的影响，三是解决了合拢时配重物多的影响。
（6）主桥左幅共3个合拢段，合拢口的平均相对高差偏差最大值分别为15mm、17mm，合拢控制偏差精度均在20mm内，结合现场全幅线性流畅，无明显折线，全桥精准合拢。
（7）全桥在合拢后，对桥面进行测量，由于预拱度设置、考虑二期恒载、十年收缩徐变等影响，桥面跨中标高比设计标高最大值在20cm，结合设计图纸及监控单位所提供预抬值，标高吻合，高差由桥墩向跨中逐渐增加，呈抛物线形状，线性良好。
（8）对主梁悬臂浇筑施工过程中的主梁关键截面的应力进行了监控，应力监控结果表明：从各主要施工阶段下的实测应变数据分析，箱梁顶、底板位置的实测应力（应变）水平在整个施工过程中均处于合理受控状态，应力（应变）实测值与理论值吻合，全部测点应力（应变）实测值与理论值比值在0.40～0.95，未发生较大偏差，桥梁结构处于弹性工作状态，实测结果均能反映桥梁结构的受力状态正常。
综上所述，涪江特大桥左幅在施工过程中主梁的线形和应力正常，处于安全可控状态，成桥后主梁线形和内力满足设计和规范要求。
2、经济效益
本项目通过对采用挂篮合拢施工关键技术的研究和实施，使合拢段施工周期仅为11天，达到国内先进水平，提高了效率，缩短了工期；设计了安全、实用、方便施工的挂篮。通过工程实践，挂篮合拢施工满足施工需要，确保了施工安全。经细化施工程序、规范操作顺序、控制各工序作业时间，加快了主梁施工进度，节约了成本。经对挂篮的调整改造进行合拢，为后期奠定了基础，工期缩短了15d，大大提高了施工效率。
3、社会效益
在施工过程中项目始终坚持以质量、安全为重点，保证了安全零事故，施工质量得到有效控制，并取得了良好的成效，得到了各级领导、单位、地方政府和部门的好评和表扬。实践证明，采用此工法速度快、效率高，安全性能好，并在施工实践中解决了配重不均衡的现象，达到了理想的桥梁线性，取得了显著的社会效益，为公司开拓市场、提升竞争力做出了有力的贡献。此外，本项目的研究技术，为公司培养了一批优秀的桥梁施工专业技术人才，取得了良好的社会效益。本项目研究成果为建设单位决策提供实用、可靠的依据。
4、环保效益
本项目工法成果最大限度利用现有挂篮，减少合拢段辅助材料投入，全程施工污染小，对周边环境基本无噪音等干扰，能够快速有效的完成合拢施工，环保效益优良。
四、研究的主要成果分析
1、研究成果分析
本技术研究采用连续刚构桥菱形挂篮合拢施工，精确定位底模标高和偏距，操作快捷，提高了施工质量和效率。利用原有挂篮进行合拢施工，满足了所有合拢段施工使用的同时也确保了标高精度。操作便捷，实用性强。
2、创新点
（1）结合中跨合拢配重技术要求，利用既有双挂篮进行中跨合拢，可保障合拢段两端梁体受力均衡，桥梁线型控制精确，合拢精度高，使梁体受力状态合理。
（2）双挂篮中跨合拢工艺去掉了常规的挂篮改吊架施工过程，科学、合理的提高工作效率，减少高空作业程序，降低安全风险，提高工作效率，节约了成本，经济效益显著。
（3）采用单挂篮边跨合拢工艺，确保两边跨对接合理可靠，合拢简单安全可靠。
（4）挂篮合拢工艺技术利用挂篮作为高程调整配重，科学合理的减少了物资材料投入，体现了现代工程建设环保节约的理念。
五、结语
涪江特大桥工程采用挂篮合拢施工，圆满完成合拢施工。采用挂篮合拢大大提高了安全性和稳定性，同时减轻了结构自重，缩短了挂篮施工周期，保证了混凝土浇筑的质量，可以较大的改善施工工艺，增强了安全保障，提高工作效率，节省了施工费用，取得了良好效益。因此，涪江特大桥在施工过程中主梁的线形和应力正常，处于安全可控状态，成桥后主梁线形和内力满足设计和规范要求。本项目利用挂篮对拼进行刚构桥中跨合拢，工艺安全和质量均达到设计目标，为以后同类项目施工提供技术参考和借鉴。
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论文作者:伍敏, 曹超, 屈文强, 刘芳成
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第5期
论文发表时间:2020/4/30
标签：挂篮论文; 预应力论文; 工字钢论文; 吊带论文; 腹板论文; 底板论文; 悬臂论文; 《工程管理前沿》2020年第5期论文;