一种变坡顶进预制框架桥涵体外索预应力加固方法

摘要

本发明公开了一种变坡顶进预制框架桥涵体外索预应力加固方法，在顶进前先在预制框架上安装体外索预应力张拉结构施加预应力以克服顶进过程中出现的拉应力，确保预制框架不因前、后端或中部悬空而导致结构破坏。本发明是一种在变坡顶进过程中经过变坡滑道变坡点时，消除在预制框架壁上产生的拉应力对预制框架结构的破坏的变坡顶进预制框架桥涵体外索预应力加固方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种预制框架加固方法，特别是涉及一种变坡顶进预制框架 桥涵体外索预应力加固方法。

背景技术

对于高排涵工程下穿铁路，施工方案采用在铁路路基外侧工作坑内预 制，然后架空铁路按设计顶进就位。

预制框架主体在线外预制完成后，发现上游已建排水涵实际标高与设计 不符--上游流水面标高低于涉铁新建涵洞的设计流水面标高，导致预制框架 涵按设计建成后无法排水。为解决涵洞排水问题，需要对涉铁段涵洞设计标 高进行降低处理，经计算，标高下降达65cm。由于预制框架已按原设计标高 预制完成，预制框架预制段顶进滑道已按原设计标高形成，经过多次优化方 案比选后采取顶进滑道边坡处理的施工方案。即在预制框架顶进过程中，对 顶进滑道进行降坡处理，如图1所示。

顶进过程模拟分析如下：

一般情况下，预制框架顶进滑道与预制框架设计就位处底面处于同一坡 度平面上，即设计预制框架标高已确定，施工单位再根据设计预制框架标高 确定顶进工作坑及滑道标高。而在工作坑、滑道标高确定且预制框架预制完 成后再大幅度降低设计就位标高的情况基本没有出现过，需要对顶进滑道进 行调整，造成顶进滑道不是在一个坡度上，而是一个变坡滑道，而在变坡滑 道上进行预制框架桥涵顶进最大的问题就是预制框架悬空导致的应力可能 会对预制框架造成破坏，具体如下：

1、初始状态：参见图2，预制框架已按原设计标高及坡度预制完毕， 预制完毕后发现上游标高比原设计标高低，需要对降低设计标高，降低高度 0.65m。预制框架预制工作坑滑道与变更后设计预制框架滑道间采用斜坡顺 接，顶进滑道是变坡滑道。

2、顶进开始：参见图3，①预制框架前端呈悬空状态，随着预制框架前 移，预制框架与滑道接触面越来越小，滑道承受着来自于预制框架自重的单 位面积荷载越来越大，荷载越来越集中，容易对滑道结构会造成破坏，需要 对顶进滑道进行加固；②预制框架前段处于悬空状态，在悬空段重力作用下， 相当于预制框架上施加了一个可变扭矩，以预制框架“上变坡点”为支点顺 时针方向扭动趋势，以致预制框架顶部及底部顶面均出现拉应力，可能导致 已预制框架的破坏。

3、按图3顶进到两端重量相等时，即平衡临界状态时，参见图4，预制 框架发生翻转进入斜坡道：①此时预制框架承受来自两端且大小相等、方向 相反的扭矩作用，此时预制框架拉应力最大，按最不利荷载控制；②预制框 架于边坡点处翻转后，后端预制框架抬起，顶进油顶与预制框架成一夹角， 需要对顶进设备进行重新调整和布置；③当预制框架翻转后，预制框架在斜 坡滑道上不仅对滑道一个垂直的压力，还对滑道产生一个沿斜坡方向的推 力，可能对斜坡滑道产生破坏，需要对斜坡滑道进行加固；④预制框架以上 变坡点为支点进行翻转，预制框架整个重量压在上变坡点处，极易引起上变 坡点处滑道的破坏，需要对上变坡点进行技术加固处理。

4、参见图5，预制框架全部位于斜坡道：①预制框架不受弯矩的作用， 整个斜坡滑道除了承受垂直的压力，还需承受预制框架对滑道产生一个沿斜 坡方向的推力，从而对斜坡滑道产生破坏，需要对斜坡滑道进行加固；②传 力杆件需要经由变坡点作用在预制框架上，为保证顶进作用力满足要求，需 对传力杆件做相应的技术处理。

5、参见图6，预制框架接近下变坡点：需要阻止预制框架下滑趋势，除 了依靠下滑道阻力，还需要采取抬头措施，使之沿下滑道前进。

6、参见图7，预制框架经过下变坡点：①预制框架一端作用在下滑道上， 一端作用在斜坡道上，分别在下滑道、斜坡道上形成集中荷载力，极易对滑 道进行破坏，也容易对预制框架提造成损坏；②下变坡点处悬空，在重力作 用下，预制框架底板底部及顶板底面易形成拉应力而对预制框架造成破坏。

7、参见图8，预制框架进入下滑道：预制框架及滑道受力正常，传力杆 件比较长，且需要经过上、下两个变坡点，要确保顶进过程中传力杆件的稳 定和正常工作。

传统顶进结构体系，一般由后背1、油顶2、传力杆件3等组成，对于 单一坡度滑道上的顶进，施工，采用如图9结构体系。当顶进滑道为变坡滑 道时，如图10示，当预制框架4经过上变坡点时(如图3和图4)，预制框 架4发生旋转，后端翘起，传力杆件3方向不平行于预制框架桥涵轴线，以 致传力杆件不能将油顶顶力很好传递到预制框架桥涵端部，甚至可能还导致 传力杆件失去稳定性，无法继续进行预制框架顶进施工。

在变坡顶进过程中，经过变坡滑道变坡点时，由于预制框架两端或中部 悬空，在预制框架自重荷载作用下，在预制框架壁上产生的拉应力极易导致 预制框架结构的破坏，需要克服拉应力对预制框架的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在变坡顶进过程中经过变坡滑 道变坡点时，消除在预制框架壁上产生的拉应力对预制框架结构的破坏的变 坡顶进预制框架桥涵体外索预应力加固方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的变坡顶进预制框架桥涵体外索预 应力加固方法，在顶进前先在预制框架上安装体外索预应力张拉结构施加预 应力以克服顶进过程中出现的拉应力，确保预制框架不因前、后端或中部悬 空而导致结构破坏。

所述的体外索预应力张拉结构由三角支撑架、预应力锚梁及预应力钢束 三部分组成，在预制框架的每端的每个边墙靠近底板、顶板的上、下位置， 距顶板、底板内表面一个所述的预应力锚梁的位置均安装有一个所述的三角 支撑架；预制框架的每端沿底板、顶板的上、下位置的所述的三角支撑架上 内侧面各设一道预应力锚梁；预制框架两端的上位置的所述的预应力锚梁之 间连接有所述的预应力钢束，预制框架两端的下位置的所述的预应力锚梁之 间连接有所述的预应力钢束，所述的预应力钢束根据顶进过程中最大弯矩荷 载最不利应力检算。

所述的预应力钢束采用15φs15.2。

所述的体外索预应力张拉结构的安装流程如下：

(一)、工艺流程：

施工准备→平整并压实场地至下预应力锚梁底标高→下预应力锚梁贴 紧预制框架并整平→安装下三角支撑架→焊联下三角支撑架与下预应力锚 梁→搭设脚手架→安装上三角支撑架→吊装上预应力锚梁→焊联上三角支 撑架与上预应力锚梁→穿预应力钢束→安装油顶→逐步张拉预应力钢束至 检算读数→顶进；

(二)、施工准备：

⑴技术准备：

①根据模拟的预制框架在边坡滑道上的走行状态，针对其悬臂旋转、简 支梁两种状态进行应力计算，确定两种不同应力状态下的最不利受力荷载及 预应力预应力预应力钢束数量、直径、允许应力等技术参数；

②准确放样三角支撑架和预应力锚梁位置，以保证预应力锚梁安装的位 置及同端上、下三角支撑架位于同一平面上不同端三角支撑架位于同一平面 和轴线上，以保证张拉过程中三角支撑架、预应力锚梁及预应力钢束的受力 均匀；

⑵材料准备：

①三角支撑架的受力杆件采用双拼槽钢焊接加工而成，在安装前，先行 焊接双拼槽钢，并按几何尺寸进行加工，三角支撑架结构尺寸主要是根据锚 梁尺寸设计的；

②在安装前，需要先采用钢板进行预应力锚梁加工：钢板加工→N1与 N2组焊→与N3组焊→与N5组焊→最后焊接N6和N4→结构检查；

(三)、场地平整及下预应力锚梁到位：

按下预应力锚梁底部标高将预制框架两端地面进行平整、压实，下预应 力锚梁直接紧贴预制框架进行组焊拼装；

(四)、下三角支撑架安装：

测量放样→锚杆钻孔→安装三角支撑架垫板(N1，N2)→组焊双拼槽钢 (N3，N4)→结构检查；

①锚杆锚固：锚孔直径不小于40mm，采用冲击钻钻孔而成，钻孔深度 610cm；锚杆采用直径φ20、长度680cm的螺杆，螺纹长度60cm，锚固长度 600cm；锚固剂强度不小于40Mpa；

②安装三角支撑架垫板：垫板采用20mm钢板，水平杆垫板220*20*96， 斜杆垫板220*20*200，采用M20螺母拧紧固定。

③组焊双拼槽钢：水平杆、斜杆及垫板间采用焊接，下三角支撑架采用 人工直接安装，上三角支撑架采用脚手架搭设平台，直接搭设，具体安装步 骤：先调平安装水平杆件，采用点焊加固后，再安装斜杆，采用点焊初步加 固后，再全面焊接成型；

(五)、下预应力锚梁安装及焊联：

调整下预应力锚梁的平面位置，使下预应力锚梁外侧劲板与下三角支撑 架水平杆相对，同时按设计调整预应力管道的位置及预应力锚梁水平标高； 将下预应力锚梁外侧劲板与下三角支撑架水平杆进行焊联，焊接面积不少于 10cm²；

(六)、搭设脚手架：

采用φ50架管沿预制框架端部搭设脚手架平台，作为安装上三角支撑 架、上预应力锚梁及张拉预应力钢束的作业平台；

(七)、安装上三角支撑架：

按下三角支撑架的施工工艺及方案施工；

(八)、上预应力锚梁安装及焊联：

采用汽车吊将上预应力锚梁直接吊起将外侧劲板居中置于上三角支撑 架上，整平并与预制框架端部尽量密贴，将上预应力锚梁的劲板(N4)与上 三角支撑架水平杆(N3)进行焊接，焊接面积不少于10cm²；

(九)、安装锚具及预应力钢束：

锚具安装在预留的PVC管道内，采用人工将预应力钢束穿过锚具予以固 定，纵向预应力钢束采用标准强度f＝1860MPa，S均采用15～15.2预应力 钢束；

(十)、预应力钢束张拉：

采用2台200t穿心式油顶进行张拉，预应力钢束张拉顺序： B1→T1→B3→T3→B2→T2；钢束伸长量172mm，仅计算至锚下,未计入10％初 始张拉力产生的伸长量，实测延伸量与计算延伸量允许-6％～+6％的误差。

采用上述技术方案的变坡顶进预制框架桥涵体外索预应力加固方法，其 技术特点是：

1、本发明应用桥梁张拉技术原理，通过在预制框架桥(涵)预制体外 安装预应力钢束，当预制框架在顶进移动过程中出现悬空状态时，通过预应 力钢束给预制框架预先施加一个预应力，可以克服因预制框架悬空出现拉应 力现象，防止预制框架被拉坏，适应于在变坡滑道上预制框架桥涵顶进施工；

2、本发明关键点就在于预应力锚梁拼装，预应力锚梁由钢板组焊而成， 对焊接质量要求高，而且严格控制三角支撑架平台水平及高度，既要保证预 制框架一端预应力锚梁安装位置、水平，还要保证预制框架两端预应力锚梁 的轴线平行于预制框架轴线及预制框架侧面、顶面、底面，确保应力张放的 均匀；

3、本发明的成功应用，克服了传统滑道预制框架顶进受地形、地物、 地貌控制的局限性，通过设置斜坡滑道减少设计埋置深度大的预制框架预制 工作坑的开挖深度，一方面可减少开挖和拆迁工作量，减少对周边建筑物、 道路灯的影响。

4、本发明的成功应用，为预制框架桥涵异地预制、吊装施工技术找到 了发展的方向。

综上所述，本发明是一种在变坡顶进过程中经过变坡滑道变坡点时，消 除在预制框架壁上产生的拉应力对预制框架结构的破坏的变坡顶进预制框 架桥涵体外索预应力加固方法。

附图说明

图1是对顶进滑道进行降坡处理示意图。

图2是顶进过程模拟分析初始状态示意图。

图3是顶进过程模拟分析顶进开始示意图。

图4是顶进过程模拟分析平衡临界状态示意图。

图5是顶进过程模拟分析预制框架全部位于斜坡道状态示意图。

图6是顶进过程模拟分析预制框架接近下变坡点示意图。

图7是顶进过程模拟分析预制框架经过下变坡点示意图。

图8是顶进过程模拟分析预制框架进入下滑道示意图。

图9是传统顶进结构体系示意图。

图10是传统顶进结构体系使用示意图。

图11是本发明的结构示意图。

图12是本发明的结构截面示意图。

图13是本发明的预应力锚梁的结构示意图。

图14是沿图13中B-B线剖示图。

图15是沿图13中C-C线剖示图。

图16是本发明的三角支撑架的结构示意图。

图17是变坡道上油顶反置预制框架顶进施工方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图17，采用变坡道上油顶反置预制框架顶进施工方法，在变坡点设 置薄弱过渡段，即将该混凝土滑道进行破除，形成土质基础的薄弱地段；将 油顶反置于预制框架一端，油顶后座背靠预制框架而置，油顶的活塞柱与传 力杆件连接置力于后背上，通过油顶施加向后背施加顶力，由油顶后座推动 预制框架向前移动的顶进；预制框架顶进→拆除传力杆件→跟进浇筑台阶式 混凝土后座→安装传力杆件→预制框架顶进→拆除传力杆件→跟进浇筑台 阶式混凝土后座→安装传力杆件→继续顶进，如此循环，直至预制框架按设 计顶进到位。

参见图11和图12，变坡顶进预制框架桥涵体外索预应力加固方法，在 顶进前先在预制框架上安装体外索预应力张拉结构施加预应力以克服顶进 过程中出现的拉应力，确保预制框架不因前、后端或中部悬空而导致结构破 坏。

体外索预应力张拉结构由三角支撑架、预应力锚梁及预应力钢束三部分 组成，在预制框架的每端的每个边墙靠近底板、顶板的上、下位置，距顶板、 底板内表面一个预应力锚梁的位置均安装有一个三角支撑架；预制框架的每 端沿底板、顶板的上、下位置的三角支撑架上内侧面各设一道预应力锚梁； 预制框架两端的上位置的预应力锚梁之间连接有预应力钢束，预制框架两端 的下位置的预应力锚梁之间连接有预应力钢束，预应力钢束根据顶进过程中 最大弯矩荷载最不利应力检算。

三角支撑架：是承受锚梁重量的结构，由双拼槽钢组成，安装于在预制 框架边墙靠近底板、顶板的上、下位置，距顶板、底板内表面一个预应力锚 梁的位置，每端所有边墙上、下各安装一个三角支撑架：单孔预制框架每端 安装4个、双孔预制框架每端安装6个、三孔预制框架每端安装8个，以此 类推。支撑架具体结构及几何尺寸图16。

预应力锚梁由钢板拼装而成，长8.1m，高0.6m，宽0.8m，每端沿上、 下顶板、底板内侧面各设一道，共四道，锚梁具体结构及几何尺寸如图13、 图14和图15。

根据顶进过程中最大弯矩荷载最不利应力检算，预应力钢束采用15φ s15.2，上、下各设6道。

参见图11、图12、图13、图14、图15和图16，体外索预应力张拉结 构的安装流程如下：

(一)、工艺流程：

施工准备→平整并压实场地至下预应力锚梁6底标高→下预应力锚梁6 贴紧预制框架4并整平→安装下三角支撑架5→焊联下三角支撑架5与下预 应力锚梁6→搭设脚手架→安装上三角支撑架9→吊装上预应力锚梁8→焊 联上三角支撑架9与上预应力锚梁8→穿预应力钢束7→安装油顶→逐步张 拉预应力钢束7至检算读数→顶进；

(二)、施工准备：

⑴技术准备：

①根据模拟的预制框架在边坡滑道上的走行状态，针对其悬臂旋转、简 支梁两种状态进行应力计算，确定两种不同应力状态下的最不利受力荷载及 预应力预应力预应力钢束数量、直径、允许应力等技术参数；

②准确放样三角支撑架和预应力锚梁位置，以保证预应力锚梁安装的位 置及同端上、下三角支撑架位于同一平面上不同端三角支撑架位于同一平面 和轴线上，以保证张拉过程中三角支撑架、预应力锚梁及预应力钢束的受力 均匀；

⑵材料准备：

①三角支撑架的受力杆件采用双拼槽钢焊接加工而成，在安装前，先行 焊接双拼槽钢，并按几何尺寸进行加工，三角支撑架结构尺寸主要是根据锚 梁尺寸设计的；

②在安装前，需要先采用钢板进行预应力锚梁加工：钢板加工→N1与 N2组焊→与N3组焊→与N5组焊→最后焊接N6和N4→结构检查；

(三)、场地平整及下预应力锚梁到位：

按下预应力锚梁底部标高将预制框架两端地面进行平整、压实，下预应 力锚梁直接紧贴预制框架进行组焊拼装；

(四)、下三角支撑架安装：

测量放样→锚杆钻孔→安装三角支撑架垫板(N1，N2)→组焊双拼槽钢 (N3，N4)→结构检查；

①锚杆锚固：锚孔直径不小于40mm，采用冲击钻钻孔而成，钻孔深度 610cm；锚杆采用直径φ20、长度680cm的螺杆，螺纹长度60cm，锚固长度 600cm；锚固剂强度不小于40Mpa；

②安装三角支撑架垫板：垫板采用20mm钢板，水平杆垫板220*20*96， 斜杆垫板220*20*200，采用M20螺母拧紧固定。

③组焊双拼槽钢：水平杆、斜杆及垫板间采用焊接，下三角支撑架采用 人工直接安装，上三角支撑架采用脚手架搭设平台，直接搭设，具体安装步 骤：先调平安装水平杆件，采用点焊加固后，再安装斜杆，采用点焊初步加 固后，再全面焊接成型；

(五)、下预应力锚梁安装及焊联：

调整下预应力锚梁的平面位置，使下预应力锚梁外侧劲板与下三角支撑 架水平杆相对，同时按设计调整预应力管道的位置及预应力锚梁水平标高； 将下预应力锚梁外侧劲板与下三角支撑架水平杆进行焊联，焊接面积不少于 10cm²；

(六)、搭设脚手架：

采用φ50架管沿预制框架端部搭设脚手架平台，作为安装上三角支撑 架、上预应力锚梁及张拉预应力钢束的作业平台；

(七)、安装上三角支撑架：

按下三角支撑架的施工工艺及方案施工；

(八)、上预应力锚梁安装及焊联：

采用汽车吊将上预应力锚梁直接吊起将外侧劲板居中置于上三角支撑 架上，整平并与预制框架端部尽量密贴，将上预应力锚梁的劲板(N4)与上 三角支撑架水平杆(N3)进行焊接，焊接面积不少于10cm²；

(九)、安装锚具及预应力钢束：

锚具安装在预留的PVC管道内，采用人工将预应力钢束穿过锚具予以固 定，纵向预应力钢束采用标准强度f＝1860MPa，S均采用15～15.2预应力 钢束；

(十)、预应力钢束张拉：

采用2台200t穿心式油顶进行张拉，预应力钢束张拉顺序：B1→T1→ B3→T3→B2→T2；钢束伸长量172mm，仅计算至锚下,未计入10％初始张拉力 产生的伸长量，实测延伸量与计算延伸量允许-6％～+6％的误差。

本发明的技术措施及要求：

1、将预制框架涵前后两端安放预应力锚梁位置测量标识，为克服预应 力锚梁个别位置对预制框架涵出现应力集中的不利现象，应对预制框架涵预 应力锚梁安放位置的受力平面精确找平，采用打磨或同等强度填充物填充的 方法使预制框架涵两端预应力锚梁受力面与预应力锚梁接触良好充分。此装 备工作必须精确完成，是保证预制框架涵在顶进过程中不被应力集中破坏的 前提条件。

2、预应力锚梁位置确定并精确找平后，根据设计位置将托放预应力锚 梁的三角支撑架安装好，三角支撑架采用型钢焊接组成，要求三角支撑架焊 接牢固可靠。预制框架涵上安装三角支撑架采用在墙体中心处钻孔，利用锚 杆及螺栓将三角支撑架固定在预制框架涵前后墙体预设位置。

3、预应力锚梁共四套，采用20mm厚钢板焊接组装，要求预应力锚梁钢 板平顺不变形，特别是与预制框架涵接触的这一面必须平整，无凹凸现象， 预应力锚梁中安放锚具位置设置加固件，加固件四方体必须平整且与预应力 锚梁焊接牢靠。

4、预应力锚梁安装及固定：安装预应力锚梁前，在预制框架涵前后搭 设作业平台，保证安装预应力锚梁时的精确度与施工安全。每组预应力锚梁 重约6.6吨，为保证安装平稳密贴与施工安全，采用汽车吊将预应力锚梁吊 运至作业平台上，此时汽车吊钢丝绳仍完全受力配合安装，再人工配合小型 油顶设备将预应力锚梁按照设计就位位置安装就位，保证预应力锚梁与预制 框架涵受力面密贴。预应力锚梁下用垫木垫平后吊车钢丝绳解除。

5、穿预应力钢束：预应力锚梁全部安装就位后，人工逐根束插预应力 钢束，要求预应力钢束之间相互平行不打结，保证各束预应力钢束受力均衡 而不互相破坏。为保证张拉时及顶进时预应力钢束突然断裂回弹伤及施工人 员或机具设备，在每组预应力钢束穿插完成后，每隔3-5m用小钢丝绳环套 住预应力钢束。

6、为消除不均匀荷载对预制框架结构的不良影响，防止预应力钢束崩 丝，所有预应力钢束均与预制框架涵平行布置，预制框架涵内所有预应力钢 束张拉、放张及涵洞顶进过程中用8号铁丝缠绕。

7、预应力钢束张拉及放张过程中，锚具前方不得有任何人员，张拉后 应及时安装防护罩，并与预应力锚梁连接牢固。

8、预制框架涵顶进过程中，应根据施工进度随时调整预应力张拉读数， 确保预制框架涵在不同不利状态下的应力平衡。

9、预应力锚梁加工制造按《铁路钢桥制造规范》TB10212-2009控制， 其中：N6与N5表面密贴后用角焊缝围焊，N4用双面角焊缝围焊，焊高均10mm； 其余所有焊缝均采用坡口焊接，严格控制焊接变形，尤其是与N3的连接焊 缝按一级焊缝控制。

10、所有刚构件尤其是N1、N2与N5要磨光顶紧，确保预应力锚梁尺寸 符合设计要求；所有圆孔表面刨光，避免张拉过程中损伤预应力钢束。

11、Φ160圆孔略大于预应力钢束外轮廓，Φ200圆形凹槽与圆塔形锚 具吻合，锚具嵌入切出深度3mm的凹槽内，预应力锚梁加工前应与现场锚具 核对确认。