宜萬鐵路宜昌長江大橋大跨度連續剛構梁柔性拱施工

張立超,趙煜澄,陳崇林

(中鐵大橋局集團有限公司,武漢 430050)

宜萬鐵路宜昌長江大橋大跨度連續剛構梁柔性拱施工

張立超,趙煜澄,陳崇林

(中鐵大橋局集團有限公司,武漢 430050)

宜昌長江大橋主橋為雙線連續剛構梁柔性拱結構,介紹(130m+2×275m+130m)四跨連續剛構梁和2×275m鋼管拱的施工方法、工藝和措施,主要是主梁0號塊施工,節段掛籃懸臂施工,邊、中跨合龍施工,鋼管拱制造、安裝及豎轉合龍施工。

宜萬鐵路;長江鐵路大橋;連續剛構橋;鋼管拱;高性能混凝土;豎向轉體;施工

1 工程概況

宜萬鐵路宜昌長江特大橋位于湖北省宜昌市境內,是跨越長江的一座結構新穎的橋梁工程,是宜萬鐵路東起點咽喉工程和重點控制性工程,橋梁長2526.73m,橋跨布置從宜昌往萬州方向分別為:10 -49.2m雙線簡支箱梁+(130+2×275+130)m雙線連續剛構梁柔性拱+14 -48.2m雙線簡支箱梁+(56+ 108+56)m雙線連續梁+9 -32m雙線簡支梁,全橋共41個墩臺。鐵路建成后開通速度為160km/h。主橋為4跨連續剛構柔性鋼管拱組合結構,見圖1。

2 連續剛構梁施工

主橋上部結構為(130+2×275+130)m四跨預應力混凝土連續剛構柔性鋼管拱結構。主梁為單箱雙室、斜外腹板箱梁結構,箱梁頂寬為14.4m、底寬9.2～12.727m,梁高14.5～4.8m,斜腹板斜率5.5∶1,見圖2。

圖1 宜昌長江大橋主橋布置(單位:m)

圖2 主梁斷面(單位:cm)

主橋主梁共分177個梁段,邊跨28個節段依次編號為S1～S28,中跨30個節段編號為M1～M30,其中S27為邊跨合龍段、M30為中跨合龍段,長度均為3.0m,其他梁段長分3.0、3.5、4.0、4.5、5.0m5種。0號塊、邊跨現澆段采用墩旁托架法施工,其余梁段均采用掛籃法施工。

2.1 0號塊施工

主梁0號塊高14.5m、寬14.4m、長25m,結構尺寸大、質量大,采用墩頂托架法施工,為保證澆筑質量和減小墩頂托架的變形量,0號塊在水平方向分層二次澆筑施工,第一次澆筑混凝土高度(含墩身部分1.2m)8.7m,第二次澆筑剩余的7.0m梁高。采取措施:墩頂托架按照承受第一次澆筑的混凝土重力控制進行設計,澆筑第二次混凝土前,張拉在第一次灌注混凝土內預設的2束臨時預應力鋼絞線;底板厚度2.0m,采取了降低混凝土水化熱措施。

2.2 節段掛籃懸澆施工

節段掛籃懸澆施工采用的是3片主桁菱形掛籃,最大可以承載4000kN,掛籃由主桁構架、底模平臺、限位系統、內外模吊掛系統、走行系統、錨固系統及內外模等7大部分組成(圖3)。掛籃走行分2步進行。

節段掛籃施工工藝流程:掛籃前移(兩步行走)→掛籃錨固、底模提升→調整高程、中線,固定底模、外側?！壴装?、腹板鋼筋及預應力管道、豎向筋→安裝內?！壴敯邃摻罴邦A應力筋、安裝預埋件、預留孔→復查高程,檢查簽證→澆筑混凝土→養護混凝土→脫內、側?！鷱埨A應力束(筋)→掛籃下降、脫底模→掛籃前移。

圖3 掛籃總體布置(單位:cm)

掛籃節段施工平均周期11d左右,各工序占用時間為:掛籃走行8h,鋼筋、模板、預應力安裝96h,混凝土灌注20h,混凝土養護96h,預應力張拉、壓漿48h。

2.3 合龍段施工

4跨連續剛構梁合龍順序為先合龍2個邊跨,后合龍2個中跨。兩邊跨合龍可以不同時進行,在一天氣溫變化平緩時焊接合龍鎖定結構和張拉臨時預應力束,然后安裝模板、鋼筋及預應力體系,檢查驗收合格后,澆筑混凝土。邊跨臨時壓重1200kN,兩邊主墩繼續用掛籃向跨中施工M28、M29#塊,中主墩繼續對稱掛籃施工M28、M29#塊,再進行中跨合龍。兩中跨合龍必須同時進行,在一天氣溫變化平緩時,在兩合龍口處同時同步分級施加13000kN對頂力,同時進行主梁線形和主墩位置監測,滿足合龍要求后,再焊接鎖定結構、張拉臨時預應力,然后安裝模板、鋼筋及預應力體系,最后澆筑混凝土。合龍結構見圖4。

圖4 中跨合龍鎖定結構布置(單位:mm)

11號、13號墩邊跨合龍精度:11號墩S26#塊與邊跨現澆段(S28#塊)高差8mm,13號墩S26#塊與邊跨現澆段(S28#塊)高差4mm。

2個中跨合龍精度:11號墩M29#塊與12號墩M29#塊高差3mm,13號墩M29#塊與12號墩M29#塊高差6mm。

2.4 C60高性能混凝土

由于本橋連續剛構梁主跨跨度為275m,對混凝土的抗裂性、耐久性要求高,為減少混凝土的干縮、徐變影響和提高抗裂性能,對C60高性能混凝土的配制技術、工作性能、力學性能及耐久性等進行了研究,在普通硅酸鹽水泥中摻復合礦物摻和料,使用聚羧酸系列高效減水劑。

復合礦物摻和料在水泥漿體中起到了密實填充、延緩并降低水泥水化熱峰值、降低水泥早期水化熱值和改善漿體孔結構等作用。聚羧酸系列高效減水劑具有高減水率,摻量低、減少混凝土坍落度損失、保持混凝土有良好的流動性,大大提高了混凝土的工作和使用性能。選用的混凝土配合比見表1。

表1 混凝土原材料用量 kg/m3

該配合比的混凝土各項指標為:初始坍落度為225mm,擴展度為550mm,1h坍落度為190mm,擴展度為 490mm,3d強度為 52.8MPa,4d強度為57.4MPa,7d強度為67.9MPa,28d強度為80.4MPa,流動度較大,黏聚性、穩定性好。

2.5 預應力孔道抽真空輔助壓漿

普通壓漿工藝普遍存在漿體不密實、不飽滿,易產生離析、干硬收縮產生孔隙等現象,會引起預應力筋遭受銹蝕,影響預應力筋的使用壽命和減少有效預應力。為了提高孔道壓漿的飽滿度和密實度,采用抽真空輔助壓漿技術進行預應力孔道壓漿,即在孔道的一端用真空泵抽吸預應力孔道中的空氣,使孔道內的真空度達到80%以上,產生-0.07～-0.09MPa的真空度,用壓漿泵將水泥漿從孔道的另一端灌入,并保持≥0.7MPa的正壓力。由于抽真空后孔道內只有極少的空氣,漿體內基本無氣泡,提高了漿體的飽滿度和密實度,同時孔道兩端的壓漿機和真空機之間的正負壓力差形成了“推拉機理”,提高了水泥漿在孔道中的可流動性,減小漿體的水灰比,可減小水泥漿的干縮,從而保證了孔道中漿體的可施工性、密實性,提高了漿體的強度及預應力筋的使用壽命,減少預應力損失。

3 鋼管拱施工

鋼管拱計算跨度264m,矢跨比1/5,矢高52.8m,拱軸線為二次拋物線,軸線方程為y=-x2/330+0.8x。主拱拱肋為平行桁架式鋼管混凝土組合結構,每片拱肋由4φ750mm鋼管混凝土組成,由橫向平聯板、豎向腹桿聯結成為鋼管混凝土桁架,橫向平聯板之間灌注混凝土,腹桿為空鋼管。拱肋鋼管均采用Q345qD鋼材,弦管及平聯板內均填充C50微膨脹混凝土。

鋼管及平聯板鋼板厚度分24、20、18、16mm4種,平聯板與對應位置鋼管等厚,平聯上下板之間用螺栓加強聯結。兩拱肋中心距為12.35m,拱肋弦管中心距寬1.7m,拱腳處肋高4.0m,拱頂處肋高3.0m。

每跨拱肋共布置有11道橫撐,靠近拱腳的1號和2號撐為“K”字撐,其他均為“米”字撐,1、2號橫撐中心距15m,其他橫撐間距均為25m。

每組吊點為雙吊桿索(兩根索縱向排布),規格為9φ15.24mm與15φ15.24mm鋼絞線索,采用鍍鋅、涂油性臘、外擠PE護套、外套HDPE等四重防護。吊索縱向間距10m,2根一組垂直錨于拱肋和梁內橫隔板處。拱肋斷面見圖5。

圖5 拱肋斷面(單位:mm)

主橋連續剛構主梁施工完成后,在梁面上拼裝支架,鋼管拱在工廠分節段制造,裝船水運至墩位,由固定式提升站將拱節段吊裝到橋面運輸車上,運輸至安裝位置,然后由梁面上架拱龍門吊機將拱節段安放在拼裝支架上,調整線形并精確對位固定,焊接節段之間接頭和拼焊橫撐,在梁面支架上形成4個半拱,最后采取扣索塔架、扣索、后錨索等計算機控制液壓同步提升豎轉拱肋進行合龍。

3.1 制造與拼裝

3.1.1 制造

依據拱段的運輸和吊裝的條件,將每孔每個拱肋分為16個吊裝節段(不含拱腳預埋段和合龍段)制造安裝,最長段和最重段均是第5段(第12段),長為22.4m,該段總質量為54.5t。

由于弦管壁厚較厚(φ750×16～24mm),所以弦管采用直縫焊接鋼管,多節直縫鋼管對接拼焊,以折線擬合成弦管拋物線(直線分段長段2m左右,不允許出現與相關線交叉焊縫),其制造工藝流程如下:

原材料檢驗→放樣及檢查→單管切割下料、開縱剖口→卷管、壓型、縱縫焊接→校圓及檢查→臺位上組焊成節段單管→大拼臺位上將弦管、平聯板、腹桿組焊成桁架式鋼管結構(節段之間采用內法蘭連接),焊縫檢查→送入噴砂車間除銹→節段涂裝→檢驗合格出廠。

3.1.2 拼裝

鋼管拱的安裝程序:安裝拱肋豎轉鉸座→安裝梁面上拱肋拼裝用支架、豎轉塔架及扣索、平衡索→逐段拼焊拱肋節段,同時按要求安裝部分橫撐→臨時固結→調整線形→定位焊接→安裝剩余的橫撐→豎轉系統安裝及檢查→豎轉對接合龍→調整線形→臨時鎖定、正式焊接合龍段。

每孔拱肋節段在梁面上分半拱拼裝(共8個節段),先拼裝前4個節段,節段間采取內法蘭臨時連接,檢查、調整拱肋線形,合格后焊接接頭管和拼焊2號橫撐,再拼裝5號、6號節段,安裝3號橫撐,最后安裝7號、8號節段及剩余橫撐。

拱肋拼裝允許偏差:拱軸線橫向≤12mm,-6mm≤拱軸線豎向≤+12mm。

3.2 豎轉合龍

2跨鋼管拱在梁面支架上拼裝4個半拱后,通過扣索塔架、平衡索、扣索、錨索、后錨及液壓千斤頂等將其豎轉提升合龍,每半拱分別左右兩側共設置了前后4個扣點(共6根扣索),考慮到鋼管拱上下弦管在豎轉過程中受力較合理、均在允許應力范圍內和便于調整合龍線形,前后扣索力的比值約按3∶2分配,前扣點(扣索1、3、5、7)為2根21φ15.24mm鋼絞線索,后扣點(扣索2、4、6、8)為1根28φ15.24mm鋼絞線索,每根扣索用3200kN千斤頂提升,用計算機控制索力的大小分配和同步性,兩孔拱分別豎轉合龍,先進行11號～12號墩1孔拱轉體合龍,再進行12號～13號墩1孔拱轉體合龍。合龍精度控制:拱兩半跨對稱點高程差≤20mm(偏差同號)。鋼管拱豎轉布置和順序見圖6。

圖6 鋼管拱豎轉施工示意

3.3 鋼管及平聯板鋼板內混凝土灌注

鋼管拱兩孔合龍和拱腳固結完成后,進行鋼管拱弦管和平連板內灌注C50自密實微膨脹混凝土。由于混凝土存在著自收縮、溫度收縮等收縮現象,因而在混凝土與鋼管壁之間容易出現縫隙,降低鋼管混凝土的彈性模量和承載能力,所以要求混凝土具有自密實性和膨脹性,與傳統的工藝相比采取以下兩個措施可以提高混凝土的密實性和膨脹性:選擇合理的混凝土配合比,嚴格控制混凝土的含氣量,混凝土含氣量不大于2.0%;二是采用抽真空輔助壓注混凝土的施工工藝。

弦管內混凝土的灌注順序應按照設計規定進行,每孔在拱頂設置了一隔倉,拱腳設置混凝土壓注口,拱頂設置出漿口和抽真空口,同一孔兩個半跨上下游側的相應鋼管(共4根)應同步進行。前一批4根管泵壓灌注混凝土強度達到設計強度的85%后,即可泵壓灌注下一批鋼管的混凝土。

通過現場實際試驗結果看,選定的混凝土配合比見表2。

表2 混凝土原材料用量 kg/m3

混凝土各項指標為:3d強度37.7MPa,7d強度51.6MPa,坍落度23.5cm,擴展度65cm,限制膨脹率:3d0.9×10-4,28d2.6×10-4,56d2.9×10-4,彈性模量3.91×104MPa,含氣量1.8%。

混凝土灌注時抽真空大小應控制在-0.1～-0.09MPa,可以提高混凝土的泵送能力和混凝土的承載能力。

3.4 吊桿安裝及張拉

本橋吊桿采用的是鋼絞線索,每個吊點設雙吊桿(兩根吊桿順橋向布置),順橋向中心間距10m,靠近拱腳的3對吊桿為2 -9φ15.24mm鋼絞線,其余均為2 -15φ15.24mm鋼絞線,吊桿上端錨固在拱肋上弦管上,為張拉端,下端錨固在主梁箱內的加強橫梁上,為固定端。全橋共100組吊桿(200根吊桿索)。在每根吊桿索的固定端選擇其中1根φ15.24mm鋼絞線上安裝測力式傳感器,通過傳感器數據的采集,對索力在施工、運營階段進行監控和調整,確保吊桿索力滿足設計要求。吊桿索布置見圖7。

圖7 鋼絞線吊桿索

3.4.1 吊桿索的安裝

根據本橋的具體特點,采用整束穿索。根據索的設計長度,先進行鋼絞線的下料,并按照張拉端和固定端錨具索孔的排列位置將索體編索,注意鋼絞線的排列要對齊,避免扭絞。安裝程序為:安裝固定端錨具及單根鋼絞線測力傳感器→擠壓鎖頭器形成固定端→將張拉端的鋼絞線焊接成整束,并焊牽引吊環→按設計長度焊接HDPE管→卷揚機將HDPE管提升至相應位置,并將其固定好→由橋面吊機和用拱肋頂面提升架將吊桿索提升到位。

3.4.2 索力均衡及調索

安裝千斤頂,逐根張拉每根鋼絞線,將吊桿索內各根鋼絞線索力進行均衡,然后整根索張拉調整索力。全橋吊桿分1次安裝2批張拉:第1批吊桿(每1組吊桿中的1根索)是在鋼管混凝土拱肋內鋼管混凝土灌注完畢,并達到設計規定強度后進行張拉;第2批吊桿(每1組吊桿中剩余的1根索)是在橋面防水層、鋪設道砟及線路設備施工完成后進行張拉。最后調整全部吊桿索力至設計值。

4 施工線形監控及應力監測

宜昌長江大橋為預應力混凝土連續剛構橋和鋼管混凝土拱橋的組合結構,大橋從施工開始到成橋要經歷長時間多個梁段的懸臂澆筑、預應力張拉、邊中跨合龍體系轉換、在主梁上拼裝拱肋支架、拱肋豎轉、吊桿張拉、鋪裝二期恒載等多個階段。各階段施工周期、加載過程、材料的特性、結構實際尺寸、預應力張拉等因素,均影響到成橋后的結構線形與內力狀態。為了確保主橋在施工過程中結構受力和變形始終處于安全的范圍內,成橋后的線形符合設計要求,結構恒載內力狀態達到或接近設計期望,確保列車安全、平穩舒適的運營,主橋施工過程中必須進行嚴格有效的線形監控與應力監測。

4.1 施工監測監控工況

工況1 各節段箱梁施工,每個節段箱梁掛籃前移、立模,梁段混凝土懸澆后和梁段預應力索張拉后。

工況2 主梁最大懸臂狀態

工況3 主梁邊跨合龍及相應階段預應力索張拉

工況4 主梁中跨合龍及相應階段預應力索張拉

工況5 拱肋支架安裝

工況6 支架上拼裝拱肋

工況7 拱肋豎轉

工況8 拱肋合龍及拱腳固結

工況9 拱肋各弦管(平聯板)內混凝土灌注

工況10 拱肋扣索及墩頂塔架拆除

工況11 第一批次各吊桿張拉工況12 二期恒載鋪裝完成

工況13 第二批次各吊桿張拉

4.2 監測監控點的布置

4.2.1 高程測量點

(1)每一節段梁懸臂前端截面梁頂設立3個高程觀測點,測點須用短鋼筋預埋設置并用紅漆標明。線形測量點布置見圖8。

圖8 主梁線形測量點的布置

(2)拼裝時控制每個支架的高程,調整拱肋接頭處線形高程。合龍時監控前后扣點、合龍口、拱腳及前后扣點中間等5個斷面處弦管頂的高程,達到滿足設計線形要求。

4.2.2 應力測點

(1)考慮到混凝土材料應力測試的離散性、應力滯后性和剪力滯等影響因素,在主梁關鍵控制截面(箱梁根部、L/4處截面)上布置9個應力傳感器,如圖9所示.

圖9 主梁應力監測應力傳感器布置

在L/8截面上只在頂、底板上分別布置3個應力傳感器;在合龍段截面只在箱梁底板布置3個應力傳感器。

(2)拱肋關鍵截面均布置8個傳感器,分別焊接固定在上弦管的上緣、下弦管的下緣上。

4.2.3 應力監測關鍵截面的布置

主梁應力監測關鍵截面:墩頂,S0、M0塊兩端截面;邊跨L/4處S7塊前端,邊跨L/2處S16塊前端;中跨L/8處M7塊前端,中跨L/4處M16塊前端;邊主跨M21塊前端;中跨合龍段M30塊中間。

拱肋關鍵截面布置:拱腳、12跨、14跨的上弦管上緣及下弦管下緣。

宜昌長江大橋應力測點布置見圖10。

圖10 宜昌長江大橋應力測點布置示意(單位:m)

5 體會與結論

目前國內外大跨度預應力混凝土連續梁或剛構梁普遍存在梁體裂紋、跨中下撓等病害,降低了混凝土的耐久性,影響了橋梁的使用壽命。要解決存在的問題,主要從以下幾方面進行控制。

(1)防止梁體裂紋的產生

①早期裂紋的防止。此裂紋主要是混凝土早期水化熱引起的溫差應力、干燥收縮引起的收縮應力、外加局部荷載產生的應力等方面產生的,具體措施:優化混凝土配合比,采用低水化熱的高性能混凝土,降低早期的溫度應力和延長水化熱峰值產生的時間,提高混凝土早期抗裂能力;加強混凝土養護,防止混凝土表面水分的蒸發產生早期收縮裂縫,外部保溫防止內外的溫差產生溫度裂縫;控制預應力張拉時混凝土的壓應力。

②后期梁體裂紋的防止。腹板斜向裂縫的防止,合理的布置預應力筋和鋼筋,降低腹板主拉應力,嚴格控制腹板豎向預應力筋張拉各道工序,采取二次復拉措施,減小預應力損失;防止頂板與底板橫向裂縫,通過孔道摩阻試驗和梁體應力監測修正設計的預應力值,加強施工過程控制,減少預應力損失,達到預應力設計預期值;沿預應力筋孔道方向裂紋,主要由于管道造成的截面削弱、應力集中、混凝土收縮的約束形成的,在施工中應確保混凝土保護層的厚度及其周圍混凝土的質量;墩頂橫隔板的裂紋防止,此處是墩梁相交的部位,受力復雜,難以計算精確,一般布置橫向或交叉的斜向預應力筋、鋼筋,防止開裂;橫隔板人洞四角裂紋,布置交叉的鋼筋和加強混凝土養護,可以防止裂紋產生。

(2)防止主梁下撓

產生主梁下撓的主要原因是:有效預應力不足或預應力損失過大,混凝土徐變收縮影響,梁體開裂以后,剛度下降。防止措施:設計時充分估計混凝土的收縮徐變和結構的彈性約束對有效預應力與撓度的影響;預留預應力備用束;加強混凝土原材料和配合比的控制,準確提供梁體混凝土的力學指標,分階段進行預應力孔道摩阻試驗,監測梁體應力狀態,以便及時進行預應力值修正,確保有效預應力滿足設計要求,減小徐變收縮影響。

用抽真空輔助壓注鋼管拱內混凝土工藝,控制混凝土的含氣量在2.0%以內,可以保證混凝土與鋼管壁間無脫空現象,混凝土密實度良好,并提高鋼管混凝土柱的承載能力。

兩半拱豎向轉體合龍施工是采用多臺液壓千斤頂程序控制體系,可以保證鋼管拱肋在豎轉過程中應力合理分配,而且合龍順利,為今后實現重大載荷用多臺油缸伸縮自動調節千斤頂同步作業、連續提升方法積累經驗。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬鐵路宜昌長江大橋施工圖[Z].武漢:2004.

U448.22

A

1004 -2954(2010)08 -0164 -06

2010 05 17

張立超(1962—),男,教授級高級工程師,1988年畢業于長沙鐵道學院,工學學士。