曲线桥面修建预制梁场施工技术研究

曲线桥面修建预制梁场施工技术研究

郭雷刚, 

中交二公局第五工程有限公司

摘  要：通过场地规划及受力计算，在已施工桥面修建预制梁场，解决项目临建用地不足的问题，满足项目预制梁生产需要；通过对龙门吊在曲线轨道上正常行走的安全措施研究，解决了龙门吊轨道对预制梁场地的限制；在已建桥梁桥面修建预制梁场，可减少项目红线外租地面积；另一方面可减少梁场基础处理费用，在降低项目成本的同时，有利于环境保护，避免了梁场完工后场地的复垦。

关键词：梁场规划；梁场建设；龙门吊；曲线轨道

1 概述

由于目前本项目现有梁场的预制梁施工进度情况无法满足总体进度计划要求，拟在本项目已建桥面上新增一座预制梁场，以此来补充现有梁场的产能。目前该桥面整体化层已经施工完成。

已建桥梁上部结构为30m跨预制小箱梁、梁高1.6m，盖梁尺寸为31.7m*1.8m*2.2m，墩身为1.8*1.6m板式墩、墩高10m左右，承台尺寸5.5m*2.5m*2.2m，桩基为直径φ1.5m嵌岩桩，桩长50m左右。左右幅桥面高约15m、净宽32m，中央分隔带宽0.5m，护栏宽0.5m，桥面曲线半径为1520m，最大横坡2%，最大纵坡1.033%。

图1桥梁结构断面图（单位：cm）

根据产能需求，规划拟建的桥面预制梁场总长420m、宽30m，总面积13440㎡，包括预制区、钢筋加工区、钢筋绑扎胎膜区、临时办公区等4个区。预制区共设置32个预制台座，其中30m台座20个、30-35m通用台座12个。

预制梁场设置2台80t龙门吊、4台10t龙门吊，80t龙门吊和10t龙门吊同轨道，轨道跨径30m。

图2桥面梁场总平面布置图（单位：cm）

2 梁场建设

拟建梁场位置桥面整体化层及防撞护栏已经基本施工完成，桥面场地满足预制场建设需求。

2.1预制区

预制区布置32个制梁台座，在单幅桥面左右各布置一个，中间预留4.1m宽施工便道，30m箱梁预制台座有效尺寸为31×0.9×0.48m、30-35m箱梁通用台座有效尺寸为36×0.9×0.48m。

图3桥面预制区断面图（单位：cm）

梁台座设置为C30砼条形基础+30cm方钢管墩支撑+复合背肋钢模。方钢管通过与基础中的预埋角钢焊接固定，预埋角钢纵向每隔1m焊接1道10cm钢筋设置在砼基础中。台座端头预埋养护供水阀门，用于预制梁板的洒水养生。

考虑到桥面横坡影响，为保证制梁台座平整度要求，在桥面台座下方首先采用C30砼基础找平，基础宽度1m、厚度不小于10cm，设置两道角钢预埋在垫层中，顶面与砼面平齐。

图4箱梁预制台座平面布置图（单位：cm）

图5 箱梁预制台座立面布置图（单位：cm）

图6 箱梁预制台座标准断面图（单位：cm）

由于预制梁张拉后，受力集中在梁头位置，在浇注桥面调平层时，采用φ12 钢筋植筋进行补强。

图7 调平层植筋（单位：cm）

图8 固定端楔形块位置基础布置图（单位：cm）

为了防止预制梁张拉后拱度过大，预制台座按设计要求在跨中设置反预拱度，反预拱度值由台座跨中向两端按二次抛物线设置，同时在台座上设置沉降观测点进行监控。

2.2 钢筋加工场

在桥梁大桩号桥面位置设置钢筋加工区，预制梁钢筋运送至桥面梁场钢筋加工场，在钢筋加工场进行预制梁钢筋加工。

钢筋加工区尺寸为31.2m×30m，面积912m2。场内布设有钢筋加工区和原材料存放区，配置1台10t龙门吊。钢筋加工区主要用于梁板钢筋的下料、弯制等工作。

2.3 钢筋绑扎胎膜区

钢筋绑扎胎膜区接近钢筋加工区位置，共设置2个顶板钢筋绑扎胎架、4个底腹板钢筋绑扎胎架，胎膜区长41m（36m）、宽度32m，配置3台10t龙门吊。梁板钢筋在绑扎胎架上绑扎成整体，利用场地内龙门吊吊至制梁台座上。底腹板钢筋和顶板钢筋在胎架上成型后，采用龙门吊吊装就位安装。

2.4 龙门吊轨道基础

为满足预制场施工需要，预制场设置2台80t龙门吊，吊装高度9m，主要负责移梁运梁，4台10t龙门吊，吊装高度12m，主要负责装拆模板、钢筋吊装、材料转运和混凝土浇筑施工。80t龙门吊和10t龙门吊同轨道，轨道跨径30m。龙门吊轨道所在位置的平曲线半径为1520m，轨道最大纵坡1%。

龙门吊轨道基础采用矩形扩大基础，从上至下依次为P38 钢轨，16cm～32cm高、60cm 宽钢筋混凝土基础，基础采用C30 混凝土，基础底部横断面设置两根长16cm的φ16植筋，每米设一道。

轨道基础不设横坡，根据桥面标高设置纵坡，基础高度最小不低于16cm。根据现场测量数据，高低两条轨道基础高差在17～32cm之间，低的位置基础混凝土加厚，调整标高，确保龙门吊桁架横向水平。

图9 龙门吊轨道基础设计图（单位：cm）

图10 龙门吊轨道基础配筋图

首先将轨道基础的位置、尺寸进行放样，然后进行基础钢筋及模板加工、安装，注意安装轨道锚固预埋筋，经检查后格后浇注混凝土。

2.5龙门吊曲线轨道行走安全技术措施

桥面梁场位置最大曲线半径为1520m，龙门吊轨道曲线半径与对应位置桥梁曲线半径相同，轨道跨径30m，最大纵坡1%。为满足龙门吊在曲线轨道正常行驶要求，采取了以下措施。

（1）梁场龙门吊采用自适应万向轮来保证龙门吊在半径为1520m的曲线上安全行走并进行转向。自适应万向轮采用活动脚轮，它的结构可以360°旋转，根据现场轨道曲线自动发生偏转，并自适应进行调节以便龙门吊内外导轨行走同步。

图11 龙门吊万向轮装置

（2）在龙门吊跑车端头位置设置防脱轨装置，放脱轨装置包括夹轨轮、夹轨轮调节及防撞装置。设置防脱轨装置作用主要是防止龙门吊在行走过程中发生脱轨现象。

图12 龙门吊防脱轨装置

（3）龙门吊行走速度控制在20m/min以内。

（4）每月对轨道进行观测，形成观测记录，并根据观测结果进行轨道修正。

（5）每天对万向轮和轨道进行检查，查看有无咬轨现象，并及时校核和更换。

（6）为了轮箱便于旋转，旋转底座板上表面不准喷漆，要做打磨处理，在上表面涂上黄油或润滑脂油，承重箱体相应的表面也不做喷漆，涂上黄油或润滑脂油，方便在运行过程中轮箱转动。

2.6 制梁区内的排水系统 

为满足雨季及日常施工排水要求，顺着桥面2%的横坡，将场地雨水、施工用水汇集导入桥面低侧排水盲沟，通过泄水孔和沿墩身的排水管排到桥下排水沟。

在桥下设置三级循环池，即设1个沉淀池、过滤池、循环池，通过对施工废水、雨水的过滤后循环利用，节约了用水。

2.7 伸缩缝封闭

为满足桥面梁场生产需要，桥面梁场建设前，先将主线桥梁伸缩缝槽口进行封闭处理，伸缩缝槽口处高于桥面的预埋钢筋要求掰弯，不得高于桥面。对于D80型伸缩缝槽口（小箱梁），要求先用5-6cm厚枕木将梁端缝隙塞满，再铺垫两层土工布，然后采用C20砼浇筑至整体化层顶面标高。

图13 伸缩缝槽口临时封闭示意图

2.8 提梁、装车及运输

桥面梁场左幅内侧护栏位置设置4.2m运梁通道，运梁时，运梁车停在通道上，预制场内采用两台80T龙门吊完成预制梁的转移、装车，运梁车将预制梁运送至架设位置。

2.9 轨道、台座基础拆除及恢复

桥面梁场预制梁生产结束后，将桥面龙门吊、钢筋棚、方钢台座底模等拆除，龙门吊轨道基础、预制台座基础切割破除，拆除的混凝土碎块运输出桥面，桥面清理干净，对桥面破损位置进行修复。

2.10 桥梁结构监控

为了监控桥梁结构在桥面梁场预制生产中的沉降变形，在桥面上设置沉降观测点，单幅每跨设置一个监测点，每天观测一次沉降值。

2.11 防雷接地

在龙门吊钢轨道上防雷接地装置，采用扁钢将龙门吊轨道与桥面预留钢筋或既有防雷接地端连接，并在龙门吊上设置避雷针。

3 桥面梁场位置桥梁结构受力分析

3.1验算情况说明

桥面梁场验算内容主要包括：采用midas Civil对桥梁进行设计，并以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）为标准，按部分预应力（A类）混凝土结构进行验算。包括制梁、存梁过程中构件及整体的承载力、应力和变形等。

3.2材料及参数说明

箱梁为C50混凝土，桥面铺装及盖梁为C40混凝土，对应性能参数如下表所示：

（1）混凝土 

表 1 混凝土材料及材料性能表

（2）预应力钢筋

表 2 预应力钢筋材料及材料性能表

表 3 预应力钢筋特性值表

（3）普通钢筋

表 4 普通钢筋材料及材料性能表

3.3荷载及工况说明

（1）计算工况

存梁及吊梁示意图如下图所示：

图14  存梁场存梁流程图

根据工程实际情况，计算时考虑如下2种最不利情况：

桥面单幅最多存3片梁，同时门吊在桥面上移动。该工况计算时同时考虑存梁位置以及考虑门吊轨道是否偏载等情况；

桥面存梁3片满载，考虑制梁因素对结构的影响，此时考虑施工荷载等因素的影响。

（2）荷载取值

1）自重

自重系数：-1.04

2）整体升降温

整体升温，20.0℃；

整体降温，-20.0℃；

3）徐变收缩

收缩龄期：3.0天；

理论厚度自动计算：由程序自动计算各构件的理论厚度。公式为：

h=a×Ac/u；

u=L0+a×Li；

周长u的计算公式中L0为外轮廓周长，Li为内轮廓周长，a为要考虑轮廓周长的比例系数。

4）可变荷载

对于移动荷载纵向整体冲击系数μ，按照《公路桥涵通用设计规范》第4.3.2条，冲击系数μ可按下式计算：

此处单片门吊40吨，门吊共四个支点，每个支点由两个轮支撑，故移动荷载单点荷载集度取10吨。布置设置如下图所示：

图15 门吊荷载（吨）

3.4 有限元模型

结构采用有限元计算分析软件midas Civil进行空间建模，按持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状、持久状况构件应力等状况对结构进行验算，计算模型均采用梁单元进行模拟。

为了考虑构件之间的互相影响，更加准确的模拟实际受力情况，建立两幅两跨的桥梁整体模型，同时考虑预应力钢筋和普通钢筋的影响，存梁模型及钢筋布置如下所示。

图16  存梁场总体计算图-标准视图

图17预应力布置图（考虑反拱）

图18 普通钢筋布置图

3.5持久状况承载能力及正常使用极限状态验算

（1）正截面抗弯验算

表6 极限承载能力状况下构件最大弯矩

验算结果如下所示：

  图19 极限承载能力及正常使用状况存梁场上部结构内力图（KN·m）

按照《桥规》第5.1.2-1条验算，结构的重要性系数*作用效应的组合设计最大值≤构件承载力设计值，满足规范要求。

（2）斜截面抗剪验算

图20 持久状况斜截面抗剪验算包络图

按照《桥规》第5.1.2-1条验算，结构的重要性系数*作用效应的组合设计最大值≤构件承载力设计值，满足规范要求；

按照《桥规》第5.2.11或8.4.4条进行抗剪截面验算，满足规范要求。

（3）支反力计算

表 7 支反力计算表

结果最大值为1244.3KN，小于支座最大承压力1836KN，满足要求。

（4）正截面压应力验算

按《桥规》第7.1.5-1条公式，荷载取其标准值，汽车荷载考虑冲击系数。

受压区混凝土的最大压应力：

未开裂构件：σkc+σpc≤0.5fck

允许开裂构件：σcc≤0.5fck

图21 使用阶段正截面压应力验算(顶)包络图

图22 使用阶段正截面压应力验算(底)包络图

按照《桥规》第7.1.5-1条公式验算：

顶缘=11.726 MPa≤=16 MPa，满足规范要求；

底缘=9.743 MPa≤=16 MPa，满足规范要求；

按《桥规》7.1.5-2条公式、第7.1.5-3条公式、第7.1.5-4条公式，荷载取其标准值，汽车荷载考虑冲击系数。

受拉区预应力钢筋的最大拉应力：

1）对体内预应力钢绞线、钢丝

未开裂构件：σpe+σp≤0.65fpk

允许开裂构件：σpo+σp≤0.65fpk

2）对体外预应力钢绞线：

σpe,ex≤0.60fpk

3）对预应力螺纹钢筋

未开裂构件：σpe+σp≤0.75fpk

允许开裂构件: σpo+σp≤0.75fpk

按照《桥规》第7.1.5-2条公式0.65,钢绞线1860验算：=1183.728 MPa≤=1209 MPa，满足规范要求；

按照《桥规》第7.1.5-2条公式0.65,钢绞线1860验算：=1180.248 MPa≤=1209 MPa，满足规范要求。

3.6桥面板验算

图23 桥面板应力图（MPa）

桥面板结构最大拉应力为0.97MPa，最大压应力为1.54兆帕，满足规范要求。

3.7桩基承载力计算

桩基均为端承桩类型，持力层为中风化花岗岩。以地勘钻孔编号ZX267为例，计算桩基承载能力。

表8 单桩抗压及抗拔承载力计算表（桩基规范JGJ94-2008)

根据桩基规范5.2.8条，结合上表参数，桩基承载力按下式计算：

Quk = Qsk + Qpk 

土的总极限侧阻力标准值为： 

Qsk = up*Σqsikli = 12330 kN  

总极限端阻力标准值为： 

Qpk = qpkAp = 4416kN  

单桩竖向抗压极限承载力标准值为： 

Quk = Qsk + Qpk = 12330 +4416 = 16746 kN 

考虑最不利状况，桩基最大反力如下图所示：

图24  桩基反力图

桩基最不利反力8064.9KN小于桩基极限承载力16746 kN ，承载能力满足要求。

3.8受力分析结论

（1）承载能力及正常使用极限状态验算：

持久状况承载能力极限状态下的混凝土正截面抗弯、抗裂满足规范要求；

持久状况混凝土应力验算正截面压应力满足要求；

持久状况预应力钢筋拉应力验算正截面压应力满足要求；

持久状况承载能力极限状态下的支座承载力满足规范要求。

（2）其他验算：

持久状况桥面板应力满足规范要求；

桩基承载力满足规范要求。

4 结语

桥面预制场2021年7月4日开工建设，2021年9月6日完成梁场建设并通过验收，2021年9月10日进行了首榀预制梁浇筑，2022年7月4日圆满完成全部预制任务，共生产预制小箱梁383榀。项目在桥面梁场预制生产过程中进行了定期监测，监测结果均满足设计及相关规范要求。梁场生产结束后，项目对桥面梁场临建结构进行了拆除、清理，并移交路面标段。

本项目桥面梁场的成功实施，为桥梁工程临建规划建设提供了经验借鉴，类似工程项目在用地较为紧缺地区，在施工组织及策划时，可考虑在已建桥面设置预制梁场，在减少成本的同时，更符合工程建设环保要求。

参考文献：

[1]黄金林.在建高架桥桥上预制梁场规划及建设施工技术[J].福建交通科技,2016(03):59-62+66.

[2]李浩.路基梁场龙门吊曲线轨道技术研究[J].黑龙江科技信息,2015(10):239.

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