转体预应力控制系统包括扣索、背索、上转盘纵向预应力筋。转体前通过交替张拉扣索、背索、上盘纵向预应力筋,使转体系统自身平衡,通过拽拉牵引系统实现两半拱同时转动,在江中心合拢。单铰转动总重量达一万二千吨,为世界同类桥梁之最。
一、转体结构组成及施工方案
1、 转体结构组成
转体系统包括:半跨钢管拱;交界墩索塔;扣索背索系统;上盘及平衡重;转台、撑脚和基础;拽拉牵引系统。
转体结构各部分构造:
半跨钢管拱拱脚以临时铰铸钢支座支承于转体上盘两翼,拱上端以扣索拉锚于交界墩顶部,交界墩顶部又以背索拉锚于转体上盘后端,交界墩底部与上盘固结;转体上盘座于转台上,以1.2万钢聚四氟乙烯盆式球铰支座支承于基础上,并以六组均布的撑脚辅助支撑于下盘顶面环道上,确保水平转动时三点支承和转体稳定;水平转动牵引索锚固端则预埋于转台侧面圆周上,张拉端以千斤顶传到预埋于下盘砼基础顶面的钢支撑上。合拢段长度2.6米,满足转体空间的需要。
2、转体施工方案
北盘江大桥钢管拱采用南北两个转体,分别水平转动到位,竖向微调转动至设计位置,这种转体合拢的方法,是桥梁安装架设的新方法。它具有结构合理、受力明确、工艺简便、施工设备少、节约施工用料、安全可靠、合拢速度快等优点。
两半拱在两岸预拼成型,然后分别分束对称安装上盘纵向预应力钢绞线束、背索和扣索。使用YCW400、YDC240Q、YCW250穿心式千斤顶,按设计张拉程序通过分级、交替、对称张拉上盘纵向预应力钢绞线束、背索、扣索。拆除钢管支架上的支承座并形成拱架脱空状态,在交界墩后侧的上盘顶面布置平衡重,拆除上转盘盘尾硬支撑。此时转动体系自身平衡,它以1.2万吨钢球铰和内保险腿支承于下盘基础上,其余各点均脱空成转体状态。
南北转体以4台QDCL200-200级连续、自动、同步、液压牵引张拉千斤顶拽拉,通过牵引缠绕并预埋于转台圆周上的12Φ15.24钢绞线束,形成转动体系的水平转动纯力偶,同步匀速连续地将南北岸半跨钢管拱按逆时针方向分别水平转动180°和135°。
两半跨拱肋转体到位后,需要精确测量拱肋线形和位置,若偏差超出规范要求,需要以相应的千斤顶进行横向倾斜、轴线横向偏位和竖向偏差微调。拱肋线型调整满足设计要求后即将上盘竖向、横向、纵向锁定固结,实施跨中合拢。
二、钢管拱脱拱拉索张拉
钢管拱桁架在支架上拼装焊接成型,经测量线型和检验焊缝并满足设计要求后,安装前扣点上下锚梁及鞍座,进行扣索、背索的穿束和张拉。
张拉的千斤顶、油泵、油管路及油表应认真检修,按规定必须进行千斤顶、油泵、油表配套精密标定。
1、 纵向预应力筋、背索、扣索张拉
1.1、纵向预应力筋
上盘纵向预应力筋由1860Mpa级48束19Φ15.24和16束4Φ15.24钢绞线组成,其锚下控制应力σk=0.75σy=1395Mpa。19Φ15.24钢绞线束张拉力3700KN,总张拉力达177600KN。
4Φ15.24钢绞线束前端为P锚,后端为张拉端,用STM15-4锚具。19Φ15.24钢绞线束两端均用STM15-19锚具;19Φ15.24钢绞线束前端为自锚固端,工作长度30cm,以套筒将夹片打塞,套筒为2kg,打塞冲程20cm,每束19副夹片后端应平齐,防止夹片松动滑丝。所有纵向预应力筋束均在上盘尾部采用单端张拉,以YCW150和YCW400千斤顶按20%100%的张拉力对称张拉并顶塞锚固,顶塞压力30 Mpa。
1.2、背索
背索采用1860Mpa级42束19Φ15.24钢绞线束,背索每束长度为66.5m。下端为锚固端,用STM15-19锚具锚固于上盘尾部底面;上端为张拉端,用STM15-19锚具锚固于交界墩墩帽顶面两侧。张拉控制应力σ=860Mpa,应力系数Kσ=860/1860=0.46,每束拉力2285.7KN,总拉力96000KN,向下压力95632KN,向后水平力8402KN。
背索采用单束19Φ15.24整体制束、穿束和张拉。制束时钢绞线应梳理整齐,用扎丝捆扎;穿束前,其上端应用锚环夹片临时固定,用吊机吊住钢绞线束自上端向下端穿束。
背索上下两端均采用STM15-19锚具和普通夹片;下端为锚固端,工作长度30cm,以套筒将夹片打塞,套筒为2kg,打塞冲程20cm,每束19副夹片,后端应平齐,并用限位板锚固于啦叭锚垫板上,防止夹片松动滑丝。上端为张拉端,工作长度70cm,整束编制和穿索;以YCW400千斤顶整束张拉并顶塞锚固;上下游两束背索应同时交替张拉,按30%60%100%三级交替进行,以确保交界墩不扭转。张拉伸长量(30%100%)327 mm,顶塞压力30 Mpa。
1.3、扣索
扣索采用1860Mpa级8束12Φ15.24钢绞线束,扣索前后锚板端距离 122 m,垂度增加 0.112 m;扣索下料长度123.5 m。钢管拱前端为锚固端,墩帽后端为张拉端。扣索张拉控制应力σ=707Mpa,应力系数Kσ=707/1860=0.38,每束拉力1187.5KN,总拉力9501KN,张拉伸长量为458 mm。
扣索布置:前端用P锚锚于拱肋下弦E3节点处的扣点锚梁底,经过拱肋上弦A4 节点转向支承结构,到交界墩墩帽,再以STM15-12锚具锚固于交界墩墩帽上。钢绞线在前上锚梁的鞍座槽面应垫以聚四氟乙烯板滑块,以减少其在转向鞍座内的摩擦力,确保传力均匀。
扣索前端的P锚,应按规定挤压成型,成型P锚应逐根检查,确保锚固质量;后端为张拉端,采用STM锚具,以YDC240Q、YCW250千斤顶张拉,并采用工具夹片锚固。
扣索钢绞线应逐根安装,逐根调整其初张力和挠度,确保各束12根钢绞线受力均匀。穿束时应先穿前端转向梁、下锚梁和挤压P锚,再穿入后端交界墩,钢绞线应对号逐根安装,确保平行不得打绞。
单束张拉程序为:初始张拉力为本次张拉力的30%,采用逐根单线穿索,YDC240Q单台千斤顶张拉,应力控制为20Mpa,后换成YCW250千斤顶张拉到本次张拉力。
扣索张拉时,在上前扣点A4前后应用木锤搞击钢绞线,确保索鞍前后传力均匀。
扣索在墩帽处布置情形如图:
扣索安装、张拉及调整次序为:
(M1、M1,)(M3、M3,)(M2、M2,)(M4、M4,)。
扣索只能张拉,不能放松。
2、纵向预应力筋、背索、扣索张拉施工步骤:
各类索横向应对称同时张拉,并以分级、交替到达对称异步的目的,确保交界墩不扭转。
纵向预应力筋和背索应整束穿束,整束张拉,采用张拉力和伸长量双控。
扣索安装:钢绞线前端经拱肋上弦A4节点处转向鞍座逐根拉到下弦E3节点处下锚梁底,挤压P锚;后端以5t牵引器拽拉引入交界墩孔道并引出锚环。钢绞线应对号逐根安装,确保平行不得打绞。
(1)、上盘砼施工完毕达到强度后,即张拉上盘第一批(首批共16束)纵向预应力筋(N1a、N1c、N1e、N1g、N1i、N1k)并压浆封锚;拆模后上盘支承体系转换成:纵向简支,横向双悬臂状态。
(2)、交界墩砼施工完毕,张拉上盘第二批(后批)纵向预应力筋(N1d、N1h、N3共20束)。
(3)、于上盘盘尾顶面配置平衡重,对称安装和分级交替同时张拉第一批背索N1d(共2束)达到设计吨位。
(4)、安装M1、M1,扣索,用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=2.1m,此时单根索力为7.35KN,以工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW150或YCW250千斤顶整束张拉,M1、M1,号扣索至本次张拉吨位(294KN),观测交界墩墩顶位移,待一切正常后,顶塞锚固,顶塞力20 Mpa。
(5)、对称安装和分级交替同时张拉第二批背索N2d(共2束)至设计吨位。
(6)、安装M3、M3,号扣索,用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=2.1m,此时单根索力为7.35KN,用工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW150或YCW250千斤顶整束张拉,M3、M3,号扣索至本次张拉吨位(294KN),观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控,待一切正常后,顶塞锚固,顶塞力20 Mpa。测试上盘砼应力。
(7)、用YCW400千斤顶张拉上盘第三批纵向预应力筋(N1f共2束)至设计吨位。
(8)、对称安装和分级交替同时张拉第三批背索N1c 、N1e(共4束)至设计吨位,并测控交界墩墩身应力。
(9)、安装M2、M2,扣索,用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=1.27m,此时单根索力为11.88KN,用工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW250或YCW150千斤顶整束张拉M2、M2,号扣索至本次张拉吨位(475KN),观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控,待一切正常后,顶塞锚固,顶塞力20 Mpa。测试上盘砼应力。
(10)、用YCW400千斤顶张拉上盘第四批纵向预应力筋(N2d共2束)至设计吨位。
(11)、对称安装和分级交替同时张拉第四批背索N1b 、N1f 、N3d(共6束)至设计吨位,并测控交界墩墩身应力。
(12)、安装M4、M4,扣索,用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=1.02m,此时单根索力为14.69KN,用工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW250或YCW150千斤顶整束张拉M4、M4,号扣索至本次张拉吨位(587.5KN),观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控,待一切正常后,顶塞锚固,顶塞力20 Mpa。测试上盘砼应力。
(13)、用YCW400千斤顶张拉上盘第五批纵向预应力筋(N1b、N1j共4束)至设计吨位。
(14)、对称安装和分级交替同时张拉第五批背索N1a 、N1j 、N2e(共6束)至设计吨位,并测控交界墩墩身应力。
(15)、用YCW250或YCW150千斤顶按:
M1、M,M3、M3,M2、M2,M4、M4,次序整束、对称将扣索索力张拉调至603KN;观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控,符合设计要求后,将扣索锚固端顶塞锚固。测试上盘砼应力。
(16)、用YCW400千斤顶张拉上盘第六批纵向预应力筋(N2b、N2f、N2i共6束)至设计吨位。
(17)、对称安装和分级交替同时张拉第六批背索N2c 、N2f 、N2b 、N3e(共8束)至设计吨位,并测控交界墩墩身应力。
(18)、用YCW250或YCW150千斤顶按步骤(15)所述的扣索张拉调整的次序整束、对称将扣索索力张拉调至839KN;观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力,符合设计要求后,将扣索打顶锚固。测试上盘砼应力。
(19)、用YCW400千斤顶张拉上盘第七批纵向预应力筋(N2a、N2g共8束)至设计吨位。
(20)、对称安装和分级交替同时张拉第七批背索N3c 、N2a 、N2j 、N3b 、N3f(共10束)至设计吨位,并测控交界墩墩身应力。
(21)、用YCW250或YCW150千斤顶按步骤(15)所述的扣索张拉调整的次序整束、对称将扣索索力张拉调至1104KN;观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控,并符合设计要求后,将扣索顶锚固。测试上盘砼应力。
(22)、用YCW400千斤顶张拉上盘第八批纵向预应力筋(N2e、N2h 、N2j共6束)至设计吨位。
(23)、对称安装和分级交替同时张拉第八批背索N3a 、N3j (共10束)至设计吨位,并测控交界墩墩身应力。
(24)、用YCW250或YCW150千斤顶按步骤(15)所述的扣索张拉调整的次序整束、对称将扣索索力张拉调至1188KN;观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控,并符合设计要求后,将扣索顶塞锚固,顶塞力30Mpa。此时,拱肋重量全部传递给上盘,转体系统处于自身平衡状态。
3、钢管拱脱拱、转体
完成上盘纵向预应力筋、背索、扣索张拉以后,即可进行钢管拱的脱拱、转体工作。按照设计院提供的钢管拱前扣点高程,扣索只能张拉,不能放松,张拉后扣点高程不能变。因此支架脱拱必须根据张拉步骤和钢管拱变形特征,逐步拆除钢管拱下弦支承座板,拆除步骤按图进行。拱肋张拉脱拱后,应静置24小时;对交界墩、上转盘及拱肋应力进行检测;另外于支架上设保险垛观测其变化。通过张拉牵引设在上转盘的4束12Φ15.24钢绞线,实现转体系统的转动。转体到位后,通过用5000KN千斤顶起顶上转盘或张拉扣索,按横向倾斜拱端轴线偏差纵向倾斜的调整次序,将拱肋合拢端的横向倾斜的两外管高程之差,轴线偏差及竖向高程调整到符合设计要求后,即可安装合拢段临时连接结构。在10℃~20℃时,将拱肋临时锁定;同时将上下盘抄垫和临时连接固定,并将上盘盘尾侧面与基坑壁间以YCW400千斤顶顶紧及立模灌注此范围C15片石砼。钢管拱合拢后,封填上下盘间C28砼,按上盘纵向预应力筋、背索、扣索的张拉相反次序交替拆除背索、扣索和上盘纵向后批预应力及释放交界墩墩帽横向预应力。
至此,转体预应力控制系统胜利完成使命。由于它的存在,转体结构才能够实现自身平衡,顺利转体合拢。