刘立红
中铁八局集团第二工程有限公司 四川成都 610097
摘要：预应力混凝土连续刚构桥具有经济适用、外型美观、结构耐久，运营维护费用低、结构跨度大等诸多优点，目前已在国内外广泛采用。但在西南高山峡谷中高墩现浇段施工常常面临技术难题。本文介绍了背拉平衡法，一种针对高墩连续刚构边跨现浇段的施工方法，创新拓展了预应力系统的应用领域，能够提高施工效率和质量，降低施工风险。
关键词：背拉平衡 连续刚构 托架 地锚拉索
1、引言
预应力混凝土刚构桥具有经济适用、外型美观、结构耐久，运营维护费用低、结构跨度大等诸多优点，目前已在国内外广泛采用。一般而言，预应力混凝土刚构桥通常使用平衡悬臂法对称施工。在建造时，为了避免不对称荷载影响中跨合龙精度，必须先浇筑边跨现浇段，完成后才能进行连续刚构的中跨合龙施工，实现连续刚构整体系统的联通。
国内外目前现浇段的浇筑方法包括引桥悬臂连接法、引桥挂篮法、墩顶吊架法、挂篮吊架法等，但是最常用、技术最成熟的主要有两种，即落地支架法和边墩托架法。
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2、工程概况
舍联大桥位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，地处大渡河上游舍联村附近河段。工程地处青藏高原东南部川西北丘状高原东南缘向四川盆地过渡地带，区域内高山峡谷众多，水力资源丰沛。
舍联大桥横跨大渡河峡谷，大桥全长337m。上部结构形式为1×40m(预应力混凝土T型梁)+1×（63m+115m+63m）(连续刚构梁)+2×20m(预应力混凝土T型梁)；下部结构主墩采用双肢薄壁墩，边跨墩采用实体式桥墩，桥墩基础采用承台加群桩基础
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舍联大桥1#墩为连续刚构交界墩边墩，墩身断面尺寸为2.2m×5.0m，墩身高达38.5m。1#墩现浇段位于1#墩墩顶盖梁上，梁段采用单箱单室，C50砼，全长4.38m，箱宽6m。
此外本工程还具有以下工程难点
1工程跨越高山峡谷地区，距离地面高差大，边跨现浇段施工困难。本工程位于高山峡谷区内，墩高在30m以上，采用落地支架法存在安全风险，且成本费用较大，经济上也不合理。
2施工交通受限，机械设备转运困难。
受河谷两岸地形限制，工程区内不存在利用两岸边坡修建道路的可能性，相反，还要对山体进行拉网防护，防止滚石、崩塌等危险。施工场地附近不具备采砂场，如果采用机制砂料作为平衡重材料，需要转运近100立方砂料，施工成本高。
3大渡河径流对施工影响大。
工程所处河段为大渡河上游，径流受高山融雪补给，流量高度集中于5~10月丰水期。丰水期内径流量占全年总流量的81.4%，而1~3月的冬季枯水期仅为全年流量的7%。大桥上部结构建时设临近丰水期，大渡河径流量将快速增加，不宜在河谷内布置现浇段支架。
3、高墩现浇段背拉平衡法
高山峡谷地区的高墩连续梁桥是我国西南地区桥梁建设中最常见的桥梁之一。西南地区因其特殊的地理环境，使得桥梁所处的地形、地质和环境等条件都相当复杂。其中高墩连续梁桥边跨现浇段施工通常是全桥施工过程中难度最大、风险最高的部分。在综合考虑工程的实际情况后，研究人员选择背拉平衡法来解决高山峡谷地区高墩连续刚构边跨现浇段施工难题。
背拉平衡法取消了边墩托架法的配重，新增了预应力系统来替代配重。使用背拉平衡法施工时，仍由托架支撑现浇段混凝土的重量，而施工中所产生的不平衡荷载则由预应力系统承担。
施工时，墩顶将承受由预应力张拉系统产生的力F以及由于现浇段施工所产生的不平衡力矩M：
M=M1+M2,
F=（M/H）/cosα
式中： M1为现浇段钢筋混凝土重量对墩身产生的弯矩；
M2为牛腿托架支架和模板重量对墩身产生的弯矩；
H为预应力锚固位置至墩底的高度；
α为钢绞线与水平面的交角。
α角为钢绞线对水平面的交角，也是影响F取值的唯一参数，α角的大小将很大程度上影响F的取值。当π/2<α<0时，力F将无法平衡现浇段所产生不平衡力矩，还会增大不平衡荷载的作用，不能作为一般情况使用。α的取值只能在[-π/2,0]内变化，即锚固点不能高于墩顶。在这一取值范围内，显然，水平时（α=0），墩身受力情况最差，墩身需要承担额外的剪力，竖直时（α=-π/2），墩身的受力情况最好，墩身仅受竖向力。
4、背拉平衡法施工工序
具体而言，背拉平衡法通过以下施工工序来实现连续梁边跨现浇段施工：
（1）根据施工材料及施工环境，计算现浇段施工荷载对墩身产生的弯矩M，求解为平衡现浇段施工荷载对墩身产生的弯矩所需要施加的力F；
（2）准备材料及机具，并在墩顶盖梁和锚固岩石上预设孔道和预埋铁件；
（3）预应力张拉准备，将钢绞线的一端锚固于岩石上，将钢绞线的第二端锚固于墩身顶部盖梁；
（4）安装现浇段支撑系统，在墩顶安装托架，搭设支架平台，铺设现浇段底模，进行预压检验；
（5）进行现浇段模板、钢筋、混凝土施工，在浇筑混凝土时，采用分级张拉预应力，逐步将钢绞线的拉力增加至F；
（6）在连续梁边跨合龙后，拆除支撑系统及预应力系统，完成连续梁整体施工。
5、应用实例
（1）首先，根据具体环境确认舍联大桥情况，即：桥跨设计为1×40m+（63+115+63）m连续刚构+2×20m桥跨结构，墩身为交界墩，一侧为40mT梁，另一侧为连续梁63m边跨，墩高40.6m，摩擦桩基础，4根Φ1.8m钻孔桩，7.5×7.5×3m承台，墩身截面5×2.2m，现浇段底面积为4.38×5m，同时确认所需材料。
（2）然后根据施工材料及施工环境计算现浇段施工静载对墩身产生的弯矩M和为平衡现浇段施工对墩身产生的弯矩所需要施加的力F：
木材的重力:
G木=(120×0.02+3.5)×0.54×10=31.86kN
钢材的重力:
G钢=(15×94.2+36×41.9975+250×4.0135)/100=39.3kN
对墩身产生的弯矩：M2=(31.86+39.3)×(4.38/2)=155.8kN·m
现浇段钢筋混凝土对墩身产生的弯矩:
M1=1.54×14.6479×26×1.54/2+14.6497×1.34×26×(1.54+1.34/2)+15.8×26×(1.54+1.34+1.5×(6.955/14.615))=3055.8 kN·m
静载对墩身产生的总弯矩:
M=M1+M2=155.8+3055.8=3211.6 kN·m
为平衡现浇段施工对墩身产生的弯矩所需要施加的力:
F=（M/H）/cosθ=（3211.6/40.5）/cos0.6=79.4kN
并对最大裂缝宽度ωmax进行计算：
As=43102.7mm2
Ate =5500000.0mm2
ρte=As/Ate =0.008 取ρte =0.010
v=1.0
deq =28.00 mm
ho =2136 mm
σs =Mq/(0.87×ho×As) =40.10mPa
ftk=2.39 mPa
ψ=1.1-0.65×ftk/ρte/σsk = -2.774 取ψ=0.200
c=50mm
αcr=1.9
ωmax =αcr×ψ×σs×(1.9×c+0.08×deq/ρte)/Es =0.02mm
ωmax<ωlim=0.2，可以对墩身施加79.4kN顶推力。
（3）准备材料，并在墩身和锚固岩石上预设孔道和预埋铁件；同时需对墩身顶部的理论位移量S进行计算：
首先计算弯曲刚度Bs，墩身C40混凝土弹性模量：Ec=32500N/mm2
HRB400钢筋弹模：Es=200000N/mm2
аE=ES/EC=6.153846154，
Φ28HRB400钢筋面积：As=86205mm2
h0=2136mm，
ρ=0.008，
ψ=1.1-0.65×ftk/ρte/σsk = -2.774 ,取ψ=0.200
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=1.08×1017N.mm2
再计算位移:S=(3l-L)PL2/(6Bs)
l≈L，P=79300N，L=40600mm；
S=PL3/(3Bs)=16.4mm
S=16.4mm，并且测得墩身顶部位移量为15mm，小于计算值，推测为计算未考虑墩身劲性骨架和加强筋的因素或顶推操作误差。
（4）接着，按照方案安装托架和搭设支架，并铺设底模，再预压进行检验，实际安装是否符合方案计算，在预压按照混凝土产生3055kN?m弯矩进行模拟试压，计算均匀堆压重883kN，在压至100％设计压重时，全站仪监测墩顶位移为16mm。基本与顶推位移相符。
（5）浇筑混凝土并分级张拉预应力。进行现浇段混凝土施工，在浇筑混凝土时，采用分级张拉预应力，逐步将钢绞线的拉力增加至F；
（6）在连续梁边跨合龙后，拆除支撑系统及预应力系统，完成连续刚构整体施工。
6、结论
连续刚构边跨现浇段背拉平衡法采用预应力体系代替配重，在墩顶盖梁上张拉预应力钢绞线来实现施工荷载平衡，以解决高墩现浇段施工时不平衡弯矩产生的墩顶变形问题。具体而言包含以下结论或成果：
（1）建立了背拉平衡法的计算模型，规定了参数取值，明确了背拉平衡法的设计、计算和检算技术。
（2）建立了一种适用于连续梁边跨现浇段背拉平衡法施工的高墩现浇段支撑体系设计方法与施工方法。依据本方法能够搭设直接承担现浇段施工荷载的支撑体系，为现浇段浇筑提供可靠的施工平台。
（3）建立了一种适用于连续梁边跨现浇段背拉平衡法施工的张拉系统的设计方法与施工方法。依据本方法能够控制钢绞线预加拉力，使现浇段施工过程中墩顶水平位移可控。
（4）通过理论研究与实践检验，获得了一种新型连续刚构边跨现浇段施工方法，本方法具有操作简便、施工速度快等优势，尤其适用于高山峡谷地区的连续梁边跨现浇段的建造。
参考文献
【1】高等桥梁结构理论[M]. 人民交通出版社 , 项海帆, 2013
【2】预应力混凝土结构设计原理[M]. 人民交通出版社 , 李国平, 2009
【3】桥梁施工监测与控制[M]. 机械工业出版社 , 顾安邦,张永水编著, 2005
【4】悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M]. 人民交通出版社 , 张继尧,王昌将编著, 2004
【5】公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[M]. 人民交通出版社 , 中交公路规划设计院主编, 2004