杭州湾跨海大桥海上70m箱梁制造与架设01

杭州湾跨海大桥海上70m箱梁制造与架设赵剑发中铁大桥局股份有限公司内容提要：介绍杭州湾跨海大桥70米箱梁从制造、运输到架设全过程所采用的新工艺、新设备、新材料以及科技创新特色。关键词：70米箱梁施工特色一、概况二、箱梁预制场三、大型箱梁整孔预制关健技术四、长索大吨位的孔道摩阻试验五、重型箱梁场内移运六、出海码头七、专用起重船的研制八、墩顶纵横移设备九、结语目录杭州湾跨海大桥海上引桥上部结构全部采用跨度70m先简支后连续的预应力混凝土箱梁。全桥70m箱梁共计540片，海上分布长度长达18.27km（双幅）,分布在南引桥、北引桥、中引桥，及南、北航道桥高墩区，C50混凝土共计约46万立方。全部箱梁均在海盐预制场预制，由两艘运架一体船吊运至桥位进行架设，再通过浇注湿接头、预应力张拉，由简支梁转换为连续梁。一、概况根据历史资料，桥位处最高潮位4.94m、最大潮差7.4m、平均潮差5.32m。年平均流速2.39m/s，施工期间实测到的南引桥最大流速(HZ0302站)：落潮4.18m/s、涨潮5.16m/s、流向紊乱、潮流场错综复杂。2004年8月实测最大波高：北岸站3.23m、南岸站4.72m。70箱梁预制架设具有形体大、重量重（2200t）、起吊高度高（52m），作业海域水文气象条件复杂的特点。施工中关键技术包括：预制场建设和设备配置；整体式钢模设计和钢筋整体吊装；海工耐久混凝土配合比试验研究；箱梁早期裂纹及缺陷控制；大型箱梁浇筑工艺；重型箱梁场内搬移；海上运架设备研制及箱梁在墩顶精确调整位置等。二、70m箱梁预制70米箱梁顶板宽15.8m、底板宽6.25m、梁高4m，按全预应力混凝土结构设计。纵向分布有22、19和12φ15.24三类钢绞线束，横向每0.6m一道4-φ15.24的钢绞线束。箱梁设计考虑了工厂化的制梁要求,钢筋可整体吊装；端部开口净空满足钢内模脱出所要求的最小尺寸。海盐预制场原为靠海一滩地，离桥轴线距离约为15Km，旁边有航道出海。但地质条件很差，且水流平行于岸线，相对吊船为横流。海盐预制场占地约300亩地，场内设有8个制梁台座、24个存梁台座和纵横移滑道，每两个台座配置一个腹板钢筋预扎台座、一个顶板钢筋预扎台座和一个内模拼装台座。另外场内还设有钢筋车间和混凝土工厂，并通过环场公路连接。杭州湾跨海大桥平面位置示意海盐预制场杭州湾大桥沪杭高速公路杭甬高速公路图1：海盐预制场总体布置三、大型箱梁整孔预制关键技术3.1钢筋网整体预扎与吊装每片70m箱梁的钢筋及各种预埋件、预应力体系重量达200吨，钢筋分底腹板钢筋和顶板钢筋两大块，分别在预扎台座上预扎，用2台120吨的龙门吊和特制吊架先将约100吨的底腹板钢筋笼从预扎台座整体吊入已安装好的底模和侧模上。钢筋保护层垫块采用塑料垫块，是预先安装好的。再吊内模，然后按同样方法将预扎好的顶板钢筋（约90吨）整体吊装到位，并与底腹板钢筋搭接，再局部调整搭接钢筋，绑扎吊装时少数没有固定的钢筋和预应力管道，然后进行下一道工序施工。起吊钢筋笼所用的特制吊具自重达60吨，吊点多达328个，吊具设计时考虑了钢筋笼吊装时不至于产生过大的变形。钢筋预扎台座在纵横向均设有槽口，并用钢筋标示出预应力管道的位置，这样使钢筋特别是预应力管道绑扎简单、明了、位置准确、数量正确。钢筋预扎避免了在模板上绑扎时的杂物，如扎丝、焊头、焊渣等其它许多杂物，不会残留在模板内，不仅提高了工效，还避免了底板混凝土夹碴造成的腐蚀问题。图3：底腹板钢筋笼吊装入模图4：顶板钢筋吊装3.2采用整体钢模板底模在每个台座一次相对固定好，外模一次拼装好，通过轨道在两个台座之间倒用，避免了模板拼缝和多次的拼装。整个模板体系不设任何拉杆，提高了外观质量，外侧模与底模之间设特制的橡胶燕尾槽，避免了漏浆。外侧模的拆除通过轨道滑轮，收放千斤顶实施。图5：整体外模•内模采用全液压折臂式收缩系统。先在拼装台座上整体拼装好，并支撑到位，然后用2台120吨的龙门吊和16根专用斜拉式吊索将220吨重的内模一次整体吊装到底腹板钢筋上并精确定位。根据箱梁的端口尺寸大小，内模在断面上设计成可两次折臂收缩，然后能整体下落脱模。由于箱内端部尺寸的限制，特别是本梁为斜腹板，内模收缩最小时模板与砼面之间净空每侧仅3.5cm。内模纵向每8～12m一节，铺设临时轨道，分节拖出，然后吊装到内模拼装台座上。图6：内模整体吊装图7：内模分段脱出3.3混凝土搅拌、运输、灌注及配套设备混凝土拌制工厂选用先进的现代化大型设备，生产能力为200m3/h。根据配合比及工期要求与产量，设有700吨水泥罐2个，500吨矿粉罐2个，200吨粉煤灰罐2个，还有第三代外加剂储存罐2个。图8：混凝土工厂•采用8台8m3的搅拌车运输混凝土，4台80m3/h的输送泵（另配一台备用），4台全液压全回转折臂式布料机，任何两台均可覆盖70m箱梁混凝土灌注施工作业面。正是这些先进的拌制、运输、浇注设备，使70m箱梁约830m3混凝土能一次连续浇注完毕，一般浇注时间为8小时左右，控制在混凝土的初凝时间（约为8～12h）内浇注完毕。2台吊重120吨、跨度46m、净高24m的龙门吊，自重仅200吨，用于钢筋笼和模板整体吊装。图9：混凝土浇注图10：混凝土施工夜景3.4桥面整平提浆机将整平提浆机(震动桥)设计运用于17m跨桥面施工（在此之前，国内该技术最大跨度只能做到12m）。它能适应各种坡度与平整度的要求，使桥面施工质量上了一个更高的台阶。自行设计制造的收浆作业平台，使面积达1100m2的梁面能在短时间内完成收浆抹面作业，有效地避免了桥面裂纹的产生，彻底消除了桥面施工的一些质量通病。图11：桥面整平3.5优化混凝土配合比并采用早期低强张拉工艺，为解决箱梁各类裂纹，奠定了基础。3.5.170m箱梁采用的是C50海工耐久混凝土，它比普通混凝土有更多更高的要求。它除了满足工作性能、适用性能、强度、体积稳定性、经济性能以外，还要满足海洋环境中的耐久性能。要求混凝土更加密实，它具有水灰比小、大比例矿物掺合料的特点。正是这些特殊材料的掺入，对混凝土施工要求更高，它需要更精确的计量、更长的拌制时间，如这些材料掺入不合适，水化热量可能更大、温度上升更高、更易产生比普通混凝土严重的裂纹。如何优化配合比，找出其中的平衡点，是一个不容忽视的难题。配合比设计除满足氯离子的抗渗透性能要求外，还应尽量地降低胶凝材料的用量，通过控制配合比和早期强度等措施，尽量降低水化热温度峰值，或延长温升时间。•为此我们历时2年多，做了几百个配合比试验，优选出了现在用于70m箱梁预制的配合比，其氯离子渗透系数在28天即达到或低于规范控制指标，水灰比仅为0.32，总胶凝材料472Kg，其中矿粉和粉煤灰的用量达到了55%。从使用效果看，其抗裂性能特别优秀，且混凝土徐变与普通混凝土相比，180天低60%～64%，早期收缩也比普通混凝土小得多，这种变化直接影响预应力的损失及桥梁线型的控制。下图12～16分别为C50海工耐久混凝土的强度增长曲线、弹模增长曲线、立方体抗压强度对比图、氯离子渗透系数变化曲线、混凝土徐变对比图、立方体抗压强度对比图。图12：强度增长曲线0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.01235771010142828282828龄期（d）强度值（MPa）图13：静力弹性模量增长曲线0.010.020.030.040.050.0471428龄期（d）强度值（GPa）304050607080051015202530龄期（天）立方体抗压强度（MPa）hp1shp2shp5shp13图15：氯离子扩散系数随混凝土龄期的变化规律020406080100龄期（天）氯离子扩散系数（*10-12m2/s)Hp1Shp5Shp13Shp26图14：混凝土立方体抗压强度对比图0100200300400500600700800050100150200龄期（天）混凝土徐变（×10-6）Shp5Shp13Hp1Shp26图16：混凝土徐变对比图上述这些曲线和数据为施工和设计以及对海工耐久混凝土的推广应用起到了很好的指导作用。本梁体配合比设计：坍落度160mm～200mm、出机后2h坍落度大于120mm、混凝土的初凝时间大于8小时。从氯离子渗透系数比值曲线来看，掺粉煤灰和矿渣粉、或硅灰的明显小，84天的氯离子扩散系数仅为0.42～0.62×10－12m2/s，仅为普通混凝土的1/3～1/4，表明混凝土耐久性提高了3～4倍。3.5.2采用早期低强张拉对防止混凝土裂纹取得了良好的效果为防止箱梁混凝土早期出现裂缝，我们在70m箱梁预制时作了一些有益的尝试，即对箱梁进行二次张拉，即低强初张拉和终张拉。这里的初张拉与以往的概念不一样，以往大多是为了减少台座占用时间以加快台座周转，初张拉完后即移往存梁台座进行终张拉，而在此，我们是把它作为控制混凝土早期裂缝的一种工艺措施，且此时的初张拉力不足以使70m的箱梁能够移运。•低强初张拉的理念是根据我们以往施工时控制混凝土早期裂缝的经验总结出来的。它的原理就是在混凝土早期强度增长过程中，水化热变化大，混凝土抗拉强度非常低，极易产生裂缝，此时进行初张拉，给其施加一定的压应力，从而有效地控制混凝土早期裂缝的出现。初张拉应是越早越好，但考虑到混凝土早期强度和弹性模量的不足，锚下应力过大容易造成锚下局部开裂，根据我们对箱梁的测温试验记录和温度监测，当环境温度为20℃时,混凝土在浇注12h内到43h时升到温度最高值52℃，之后温度开始下降，七天后接近环境温度。当环境温度为36℃时,其温度峰值大于70℃.根据混凝土早期强度增长情况统计及锚下应力推算，给出了初张拉的预应力束及初张拉的数值，此值最好使断面均匀受压。我们控制初张拉时混凝土的强度不小于C25、弹模不小于18.8GPa、张拉控制力按箱梁腹板设计索力的30%控制。由于内模、锯齿块和变截面段混凝土收缩产生约束作用，为了保证初张拉的有效应力，因此必须在内模快速拆除之后方可进行。上述低强初张拉的工艺措施主要是针对箱梁腹板内外侧的竖向温度应力裂缝而采取的。事实证明，这是非常有效的。但此工艺措施有一个缺点，即增加了一道施工工序，在某种程度上增加了制梁周期，加大了成本。3.5.3混凝土的养护混凝土等待凝固的时间正是它对塑性收缩裂缝最敏感的时间，因此，需要及时养护。塑性收缩裂缝还取决于混凝土泌水、气温、相对湿度、混凝土温度、风速等因素。解决的措施就是养护，也就是控制水份的蒸发，控制热量损失速率——保温隔热。但对于收缩裂缝，养护至少可以延缓裂缝的产生，这对于预应力混凝土梁是很有好处的。因为到裂缝产生时间，其预应力已张拉完毕。对于海工耐久混凝土，施工时应尽量减少暴露的工作面和暴露时间，浇注完后应立即抹平进入养护程序。养护的一般措施有：a)对混凝土喷雾；b)建挡风设施；c)在抹面操作过程中，对还未来得及抹面的混凝土用塑料薄膜覆盖；d)使用养护剂；e)一次完成抹面。海工耐久混凝土的养护工作比普通混凝土要多、要细、要更及时。养护开始时间：应在浇注完毕后立即进行覆盖保温。应记住下面的一些关于高性能混凝土的养护的基本概念：①一次完成抹面是防止海工耐久混凝土塑性收缩裂缝较好的工艺措施，从浇注完到开始养护不超过15分钟。人可行走就应进行湿养.②七天的湿养护期是对海工耐久混凝土的最低要求。图17：梁体养护3.6塑料波纹管及真空辅助压浆技术真空辅助压浆体系是用塑料波纹管将孔道系统密封，一端用抽真空机将孔道内80％以上的空气抽出，并保证孔道真空度在80％左右，同时压浆端压入水灰比为0.3～0.35的水泥浆，当水泥浆从抽真空端流出且稠度与压浆端基本相同，再经过特定位置的排浆、保压手段保证孔道内水泥浆体饱满。它在许多国内外桥梁施工中都得到了应用。它的最大优点是能保证预应力管道的压浆密实、饱满，确保预应力体系的耐久性，同时由于采用了塑料波纹管，其摩阻系数较小,一般为0.12（设计值）和0.14（规范值），减少了预应力的损失。并避免了铁皮波纹管接头容易发生漏