鄭州黃河公鐵兩用橋引橋跨鄭焦高速公路連續梁施工控制技術

高建學

(河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司,鄭州 450052)

1 項目概況

鄭州黃河公鐵兩用橋為京廣鐵路客運專線與新107國道跨越黃河的共用橋梁,北岸分建段鐵路引橋在N172號～N175號墩處采用1聯(50+80+50)m預應力混凝土連續箱梁,上跨正在運營中的鄭焦高速公路。其立面布置如圖1所示。梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁,梁體全長180m,中支點處梁高6.8 m,跨中及邊跨梁端處梁高4.0m。梁體下緣除中跨合龍段2m梁段和邊跨端部11.0m梁段為等高梁段外,其余梁段梁底下緣按半徑152.5m圓曲線變化,底板頂面按照半徑172.975m圓曲線變化。梁頂板寬13.4m,箱寬6.7m,全橋頂板厚40cm,邊跨端塊處頂板厚由40cm漸變至80cm,底板厚50～80cm,腹板厚60～90cm。箱梁截面如圖2所示。

圖1 連續梁立面及分段布置(單位:cm)

圖2 中支點及跨中截面(單位:cm)

懸臂連續梁梁體采用C50混凝土、預應力混凝土結構。為了盡量減少對焦晉高速公路通行的干擾,梁體施工采用懸臂澆筑法,其中0號、1號節段、邊跨現澆11號節段、邊跨合龍12號節段采用滿堂支架現澆,2號～10號節段及中跨13號合龍段采用掛籃施工。全梁布置5道橫隔板,共分47個節段,中支點0號梁段長10.0m,1號～8號梁段長3.5m,9號、10號梁段長3.0m,邊跨12號合龍段和中跨13號合龍段長均為2m,邊跨現澆11號梁段長8.9m,全梁采用三向預應力體系。

2 連續梁梁實體質量的施工控制

本橋施工過程的梁實體質量控制方法與常規的混凝土橋施工控制沒有大的區別,可以歸納為以下幾個方面。

原材料的質量控制:砂石料、水泥、摻合料、外加劑、鋼筋、鋼絞線等。所有使用的原材料嚴格按照鐵道部現行技術標準的要求進行檢驗,合格后方可使用。

模板除了應有足夠的剛度滿足混凝土在澆筑過程中不變形外,還必須確保結合部位設計合理,不漏漿,拆模方便。

預應力波紋管道要有足夠的強度,線形嚴格符合設計文件的要求,固定牢固,確保在混凝土澆筑過程中不變形、不移位。

混凝土的檢驗包括:含氣量、坍落度、入模溫度,并按要求留置足夠數量的混凝土試件,包括同養試件、標養試件。澆筑過程中,要采取措施,使混凝土自由下落高度小于2m。對0號塊大體積混凝土的澆筑,要控制好芯部與表層、表層與環境之間的溫差,本橋通過埋設測溫元件進行監控,沒有出現溫差超標現象。澆筑完成的混凝土按要求及時養生。

預應力的張拉要嚴格按照設計文件的要求,混凝土強度、彈性模量、齡期3個指標要同時滿足要求方可以張拉。張拉過程按照張拉力和伸長量雙控指標進行控制。對張拉過程中出現的異常情況要及時分析,異常原因未查明的不允許進行下步工序施工。

0號、1號、11號、12號塊件支承在支架上,地基處理通過計算,有足夠的安全系數。處理后的地基周圍設置排水溝,防止積水引起的地基沉陷。

支架和掛籃需要通過預壓才能投入使用。預壓要分級加載,本橋最終預壓荷載按1.20倍的構件質量(包括施工臨時荷載),預壓的目的是為了測量支架和掛籃的彈性變形,消除非彈性變形,同時也可以驗證支架及掛籃的可靠性。在預壓過程中,監控所設置的控制點的高程變化,收集相關的技術數據供分析。

在冬季、夏季、雨季施工,要有針對性的施工措施。

通過上述措施,本橋連續梁混凝土強度全部符合要求,接縫錯臺均在5mm以內,混凝土光潔密實。

3 施工線形控制

本橋是鐵路客運專線,設計時速達到350km,為目前國內設計標準最高的橋梁之一。線形控制的效果對于后續施工具有重要的影響,特別是高程控制,如果出現過大的偏差,必然需要通過調整后序塊件的高程來糾偏;如果合龍高程偏差太大,還需要通過施加外力來糾正,這些都將對結構產生附加力,與設計的計算模式不符,為今后長期運營留下隱患?，F在高速鐵路橋梁施工過程中的線形控制已經成為施工控制的重點,受到各方的高度重視。本橋是通過對埋設在梁體監測控制點實測數據分析,評估目前的施工狀態,提出后續施工的具體要求,取得了較好的效果。

3.1 線形控制的必要性

對超靜定橋跨結構的橋梁,其成橋的梁部線形和內力與施工方法有著密切的關系,也就是說不同的施工方法和工序會導致不同的結構線形和內力。采用懸臂掛籃施工,施工過程中存在結構體系轉換。另一方面,由于各種因素(如材料的彈性模量、混凝土收縮徐變系數、結構自重、施工荷載、溫度等)的影響,以及測量等方面產生的誤差,結構的理論設計值難以做到與實際測量值完全一致,兩者之間會存在偏差,尤其值得注意的是,某些偏差(如主梁的高程誤差、軸線誤差等)具有累積的特性。若對這些偏差不加以及時有效的調整,隨著施工的進行,梁懸臂長度的增加,主梁高程、幾何位置會顯著偏離設計值,最終可能導致合龍困難,成橋線形與內力狀態偏離設計要求,給橋梁施工安全、外形、可靠性、行車條件及經濟性等方面帶來不同程度的影響。

3.2 線形控制的目的

通過對已完成的塊件狀態和施工過程的監測,收集控制參數,分析施工中產生的誤差,通過理論計算和實測結果的比較分析、誤差調整,預測后續施工過程的結構形狀,提出后續施工過程應采取的技術措施,調整必要的施工工藝和技術方案,使成橋后結構的內力和線形處于有效的控制之中,并最大限度地符合設計的理想狀態,確保結構的施工質量,保證施工過程與運行狀態的安全性。

3.3 影響懸臂施工連續梁線形的因素

根據以往同類橋梁施工及控制的經驗,對本橋在懸臂澆筑施工過程中,影響橋梁結構內力和線形的主要因素有[1]:

橋梁施工的臨時荷載,包括掛籃、機具、人員重力等;

掛籃幾何變形和彈性變形的影響;

日照影響;

混凝土澆筑方量的控制;

混凝土容重;

混凝土彈性模量;

混凝土收縮及徐變;

混凝土澆筑階段溫度;

箱梁溫度場分布;

箱梁合龍段溫度;

混凝土參與受力的齡期;

預應力損失;

其他因素。

為了對上述各種因素的影響能有準確的把握,及時識別引起控制目標偏離的真正原因,采取恰當的糾偏措施,避免誤差累積,在本橋連續梁施工中采用多種方法進行監測和控制。

3.4 線形控制的方法

由于在施工控制初期理論計算時,所采用的材料等參數均為理論值,與現場情況肯定有出入。為了消除因這些出入所帶來的偏差,則應在施工過程中通過觀測對這些參數進行識別和正確估計。對于重要的設計參數有較大的偏差時,應提請設計方進行理論設計值的修改,對于常規的參數誤差,通過優化進行調整。

通過在典型施工狀態下對狀態變量實測值與理論值的比較,以及設計參數權重影響分析,識別出設計參數誤差量。根據已施工梁段設計參數誤差量,采用合適的預測方法,預測未來梁段的設計參數可能誤差量。

連續梁橋施工控制主要控制主梁線形,優化調整則以此建立控制目標函數和約束條件。通過分析設計參數誤差對橋梁變形和內力的影響,應用優化方法,調整主梁施工階段立模高程,選取合理的溫度模式,使成橋狀態最大限度地接近理想設計成橋狀態,并且保證施工過程中受力安全。

3.5 線形控制的手段

通過收集埋設在梁體內部各個截面上的應力應變、溫度傳感器的數據,采用有限元程序進行分析計算,應用橋梁結構分析程序對施工過程進行計算,分別計算了以下控制數據的理論值:

各施工梁段的立模高程;

各施工梁段的狀態變量值:包括移動掛籃、澆筑混凝土、張拉預應力束各工況對應的梁段撓度、控制截面應力、應變;

典型狀態如合龍前后狀態、二期恒載前后狀態下全橋高程及控制截面的應力、應變值。

根據對實際施工情況的觀測,反饋調整橋梁設計參數。通過掛籃的試壓結果,獲得掛籃的變形值,進一步調整掛籃的縱梁剛度;對撓度變形、應力應變的實測值和理論值間存在的差別,通過參數識別法擬合出新的設計參數,使理論值和實測值的差別達到最小:如主梁容重、彈性模量、梁的剛度、混凝土收縮徐變系數等。依次調整計算下一梁段的控制數據。

3.6 測點布置、測試方法及數據處理

0號梁段施工完畢后,在其中部頂橫向兩側設臨時水準點,作為箱梁施工高程控制點,并與加密水準點進行聯測。在每個懸澆梁段上布置6個對稱的高程觀測點(底面、頂面各3個),見圖3,可以同時觀測箱梁的豎向撓度及扭轉變形情況。觀測點為預留露出混凝土(約5cm)的鋼筋頭。測量工況包括立模、澆筑混凝土后、張拉預應力筋前后、移掛籃后。

圖3 高程測點及應力測點布置

為了了解連續梁懸臂施工過程中截面內力的真實情況,在全橋共設置13個應力測試斷面,進行主梁應力測試、溫度場測試、臨時固結反力測試及預應力損失測試。

測量工況包括:移掛籃、混凝土灌注后、施加預應力后、合龍后。

(1)中線控制

在0號梁段施工完畢后的梁頂中部設中線控制點,并常與兩端中線控制點聯測。中線測量包括3個階段:掛籃定位控制、混凝土灌注前控制和混凝土灌注后復測。

(2)扭曲控制

在每節澆筑混凝土前和澆筑混凝土后,對掛籃和混凝土結構控制點的高程和平面線形進行綜合分析,以便控制扭曲變形。

(3)合龍段連接控制

為了保證合龍段的合龍精度,必須控制每施工段結構的豎向和橫向偏移精度,每澆筑一段調整一段不產生累計誤差,控制合龍的偏差在規范要求范圍以內。

(4)截面應力控制

控制截面混凝土應變觀測采用溫度誤差小、性能穩定、耐久性好、適合長期觀測、便于收據采集的溫度傳感器和振弦式應變計。在典型控制截面處埋設了應變計,對每一施工梁段的每一工況:移掛籃、澆筑混凝土、預應力張拉,都進行了應變觀測。比較觀測值與理論值,以掌握主梁的內部應力情況,確保施工期主梁的安全。

上面所述的振弦式應變計可同時測應變和溫度,在橋梁主要構件的標準截面內預埋。在每次應變測量時均進行溫度測試,以了解梁體的實際溫度分布狀況,及時修正溫度引起的應變/應力誤差。另外,在施工期間選擇有代表性的天氣進行全天連續觀測,例如:每個季節選擇一個晴天、多云天和陰雨天。

通過分析實際采集的數據,對控制點及典型截面在各個工況下的理論值和實測值進行計算分析比較,評估目前施工狀態,確定下一施工階段的控制參數,指導施工,確保結構始終處于安全狀態,并且線形良好,達到監控的目的。

3.7 實測數據分析

3.7.1 實測撓度分析

分析本橋施工階段的實測撓度資料,可以發現其撓度變化具有很強的規律性,這些規律可以概括為以下幾點:

(1)澆筑混凝土之后,懸臂梁呈下撓變形;張拉預應力后,懸臂梁呈上撓變形;掛籃前移后,懸臂梁呈下撓變形;上述各工況中撓度變形均隨著懸臂長度的增加而增大;

(2)對稱性各種工況下,N173、N174號墩兩側的懸臂端的撓度變化基本對稱;

(3)各工況下,同一梁段上的6個撓度監測點實測撓度變化幾乎相等,說明在各工況下,箱梁沒有出現橫向扭轉現象;

實測撓度與設計計算撓度比較,1號～10號梁段,三階段撓度值觀測值與理論值吻合較好,兩者相差大部分小于10mm;個別點差值介于10～15mm。

N173號墩北京側各測點不同工況下高程變化見圖4。

圖4 N173號墩北京側各測點不同工況下高程變化

3.7.2 實測應變分析

分析本橋施工階段的實測應力資料,可以發現截面應力變化具有以下特點:

(1)從混凝土澆筑到混凝土初凝這個過程中,由于溫度、收縮徐變等因素的影響,混凝土內測點的應變均無規律可言;

(2)在施工過程中,由于剪力滯效應的影響,腹板與頂底板相交處測點的應變變化較大,頂板中心線處測點應變次之,翼緣處測點應變變化最小;

(3)澆筑混凝土使已有梁段頂面受拉,底面受壓,邊跨合龍前張拉預應力使已有梁段頂面受壓,底面受拉,澆筑和張拉預應力筋共同作用下箱梁全截面受壓。

從各截面的應力變化來看,頂面應力大于底面應力;應力的變化趨勢和理論值吻合較好;從各截面的應力大小來看,各截面均受到壓應力作用,最大壓應力不超過18MPa;整個施工過程中結構處于安全狀態。

N173號墩臨時固結北京側截面不同工況下應力值變化見表1。

表1 N173號墩T構各斷面不同工況下應力 MPa

4 施工過程中的安全控制

橋面離地面16m高,跨越運營中的鄭焦高速公路,安全控制除了上面提出的通過對施工過程的監控確保主體結構安全以外,還包括以下幾個方面。

橋上作業人員的安全、防止高空墜物、安全用電、盡可能地減小對橋下高速公路行車的影響等。這里重點介紹如何減少對橋下高速公路車輛通行的影響。

為了防止施工過程中,作業人員的失誤或其他不可避免的原因造成物體墜落,影響橋下車輛的通行,在掛籃周圍外1m范圍內,設置相對封閉的空間,四周掛設密格金屬網,掛籃下部0.5m處懸掛滿鋪薄鋼板的平臺,該平臺的作用是便于作業人員工作,同時可以確保上面的物體不會墜落到橋下(包括作業區內的焊花)。由于設置這些安全圍欄及平臺,使掛籃質量增加8t左右,因此在懸臂的另一端,需要設置相應的配重來抵消。通過這些措施,該項目直到掛籃拆除,安全方面一直沒發生任何問題。

5 結語

跨鄭焦高速鐵路連續梁于2009年10月建成,施工過程中沒有發生任何質量安全問題。混凝土各項指標全部符合要求,表面光潔密實;線形控制方面,立模高程誤差大部分控制在±5mm內,各工況下其變化值控制在±15mm,梁底線形平順,符合設計要求;主梁結構受力狀況良好,符合設計規范要求,主梁結構安全可靠,較好地實現了監控目的。

[1] 任偉新,黃天立,徐霞飛,等.鄭州黃河公鐵兩用橋鐵路引橋(50+80+50)m連續梁橋施工監控報告[R].長沙:中南大學土木工程檢測中心,2009.

[2] 龔 寅.武廣客運專線南環線特大橋連續箱梁懸臂澆筑施工技術[J].鐵道標準設計,2008(5):69-73.

[3] 趙秀典,劉勝路.武廣客運專線懸灌法施工連續梁線形控制技術[J].鐵道標準設計,2008(8):54-56.

[4] 劉超群,李小年,楊孟剛.連續梁懸臂法施工控制[J].鐵道標準設計,2009(1):57-60.