石武客運專線駐馬店特大橋(40+64+40)m連續梁施工技術

張 堅

(中鐵十八局集團第一工程有限公司,河北涿州 072750)

1 工程概述

石武客運專線鄭州至武漢段駐馬店特大橋456號～459號墩為(40+64+40)m雙線預應力混凝土連續梁,跨驛陽高速公路。梁端起始點里程 DK928+899.160～DK929+044.860。主梁平面位于直線,縱斷面位于縱坡-2.0‰的直線上。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。箱梁頂寬12.0 m,箱梁底寬6.7 m,頂板厚度除梁端附近外均為40 cm,底板厚度48～80 cm,按直線線性變化。中跨跨中以及支點處共設5個橫梁板。采用懸臂施工,懸臂現澆梁體分段:墩頂梁段(0號塊)為9.0 m長,懸臂部分分為7個塊段,其中1號(1′號)為3.0 m,2號(2′號)為 3.25 m,3號(3′號)為3.5 m,4號(4′號)～ 6號(6′號)為4.25 m,7 號(7′號)為 4.0 m,邊跨合龍段(8號塊)為2.0 m,邊跨現澆段為7.75 m,中跨合龍段為2.0 m。懸臂澆筑分段見圖1。總體施工順序為:施工準備→主墩0號塊施工→邊跨施工→其余塊段掛籃施工→邊跨合龍→中跨合龍→拆除掛籃→體系轉換→橋面系及附屬工程施工。

圖1 懸臂澆筑分段示意

2 施工關鍵點

2.1 0號塊施工方案

利用臨時支墩和墩身設置支架進行現澆施工,施工嚴格按《鐵路橋涵施工規范》進行。支架整體具有足夠強度、剛度及穩定性。在現澆箱梁混凝土施工前,對支架采用堆載分級預壓,預壓的作用一是檢驗結構的安全性,二是消除非彈性變形,得到彈性變形值,以便合理設置模板立模高程。預壓重為箱梁自重的120%,并待支架的非彈性變形消除后,才能進行箱梁混凝土的澆筑。在該橋梁預壓中,臨時支撐沒有出現任何異常,驗證了臨時鋼結構支撐的強度與穩定性能滿足施工要求。非彈性變形為6 mm,彈性變形為10 mm,因此在澆筑混凝土之前,模板高程相對于設計高程整體抬高10 mm。以保證在澆筑后,梁體線形能恢復到設計線形。0號塊臨時支撐見圖2。

圖2 0號塊臨時支撐布置

2.2 連續梁線形監控

大橋的建成要經歷一個漫長而復雜的施工過程,結構體系也將隨施工階段不同而不斷變化。施工過程中,因設計參數誤差(如材料特性、截面特性、徐變系數等)、施工誤差(如制造誤差、安裝誤差等)、測量誤差及結構分析模型誤差等原因,它還受溫度、濕度、時間等因素的影響,將導致施工過程中橋梁的線形與理想目標存在一定的偏差。這種偏差累積到一定程度如不及時加以識別和調整,成橋后的結構安全狀態將難以保證。而且,已施工梁段上一旦出現線形誤差時,誤差將永久存在,并導致成橋狀態偏離設計理想狀態。線形施工控制就是在懸臂施工過程中,通過監測主梁結構在各個施工階段的變形情況,來達到及時了解結構實際行為的目的。根據監測所獲得的數據,首先確保結構的安全和穩定,其次通過計算分析,調整確定下一梁段的立模高程,保證結構的受力合理和線形平順,為大橋安全順利地建成提供技術保障。

大跨度連續梁橋的施工控制是一個施工—測量—識別—修正—預測—施工的循環工程。施工控制中最基本的原則是確保施工過程中大橋結構的安全,在大橋施工過程安全性滿足要求的前提下,再對大橋施工過程中結構的線形進行控制,確保大橋最終線形滿足預期目標。

根據施工順序建立有限元計算模型可得出各梁段的計算預拱度數據,由于采用懸臂對稱澆筑法施工,結合掛籃的變形值便可求得實際所需設置的預拱度和立模高程。預拱度的設置考慮到的荷載包含了結構恒載(包含梁體自重及二期恒載、預應力、混凝土的收縮徐變等)、1/2靜活載效應、掛籃變形等因素。預拱度一般按照絕對預拱度方法進行設置,以最后一個施工階段,即長期徐變階段對應的結構變形為依據,將節點對應的變形反向推算,即得到計算預拱度。考慮了計算預拱度之后,結合1/2靜活載效應以及掛籃變形,確定最終的預拱度。

2.3 邊跨現澆段施工

邊跨現澆梁段長度為7.75 m,全橋共2個。

連續梁邊跨梁段采用鋼管支架進行施工,按“搭設鋼管支架→安裝底模、側模→綁扎底板及腹板鋼筋→安裝內模板→綁扎頂板鋼筋及安裝預應力孔道→各部位檢查測量→直線段混凝土澆筑→養護”的施工順序組織施工。同時邊跨現澆段支架安裝后,要以不小于施工重力的1.2倍預壓重力對支架進行預壓,以消除非彈性變形,確定彈性變形。支架布置見圖3、圖4。

圖3 邊跨直線段支架平面布置(單位:mm)

圖4 邊跨直線段支架立面布置

順橋向兩端縱梁采用I32a型鋼,中間縱梁采用I40a型鋼,橫梁采用2根對焊的I32a型鋼,橫梁下面采用 φ525 mm、壁厚8 mm 以及 φ425 mm 、壁厚 8 mm兩種型號的鋼管支撐。采用這種鋼結構支撐,相對于搭設腳手架支撐施工周期更快。因為縱向鋼筋跨度偏大,鋼管柱高17 m,必須考慮結構空間穩定性問題。采用空間有限元軟件Midas/Civil進行分析計算。模擬實際結構建立有限元模型,有限元模型見圖5。根據《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)有關規定進行驗算,驗算內容包括強度驗算和穩定性驗算。

圖5 支架空間有限元模型

經過驗算,全結構均能滿足強度要求,同時進行全結構屈服模態計算,計算表明,只有在施加超過1.92倍原荷載的情況下,結構才會發生屈服,證明此空間結構的空間穩定性也能滿足要求。

2.4 三角掛籃施工

平衡懸灌法施工的成敗及質量控制的優劣在于掛籃的工藝設計,掛籃設計的好壞直接影響到施工進度,它是特大橋梁施工中的一項關鍵技術。

駐馬店特大橋(40+64+40)m連續梁采用了三角形掛籃,三角形掛籃和其他形式的掛籃相比有結構簡單,拆裝方便,重量較輕的優點。本掛籃所應用的(40+64+40)m跨無砟軌道預應力混凝土連續梁(雙線)懸澆塊有5種長度:3 m、3.25 m、3.5 m、4 m、4.25 m,根據各塊的重量和長度進行分析,1號、2號、3號塊重量接近,最重的3號塊比1號塊僅重1.33%,但長度增加16.7%,3號塊荷載向前下橫梁偏移量較大;而4.25 m長的4號塊重1 437.75 kN,為最重及最長梁塊,前下橫梁所受到荷載最大。

根據以上分析及荷載分配初步計算結果,在施工工況驗算中,分別取1號塊和4號塊進行驗算,其中1號塊僅驗算底模平臺部分及后下橫梁吊點,4號塊為整體結構驗算。計算荷載取結構原荷載的1.5倍。

駐馬店特大橋(40+64+40)m連續梁選擇三角形掛籃這種合理的掛籃形式(圖6、圖7),設計中充分了解了掛籃在施工過程和走行過程中各構件的傳力機理,對掛籃在各種工況下建立了適用、合理的三維空間有限元模型,以至于能夠比較完整地了解各桿件的受力和變形情況,計算結果滿足各施工過程受力和變形的要求。

圖6 三角掛籃立面布置(單位:mm)

圖7 三角掛籃橫向布置(單位:mm)

每一座懸灌施工的大橋都有其自身的特點,這需要綜合考慮大橋本身因素以及圍繞大橋伴生的各種因素對掛籃選擇的影響。技術層面上,對選定的掛籃還需進一步優化結構形式和桿件的設計。輕型、重載的掛籃結構形式對增強施工現場的可操作性、創造經濟效益有著重要意義。

2.5 邊中跨合龍

合龍施工是連續梁體系轉換的重要環節,它對保證成橋質量至關重要。剛構合龍原則是低溫灌注。合龍前使兩懸臂端臨時連接,保持相對固定,以防止合龍混凝土在早期因為梁體混凝土的熱脹冷縮開裂。同時選擇在一天中的低溫(不超過20℃)、變化較小時進行混凝土施工,保證混凝土處于溫升、在受壓的情況下達到終凝,避免受拉開裂。按照設計的合龍順序為先兩個邊跨對稱合龍再中跨合龍,而后完成體系轉換,形成連續剛構。

邊跨合龍長度2.0 m。邊跨合龍段施工時,保留合龍用的掛籃外側模后拆掛籃的其余部分。安裝但不固定合龍段底板和外側模板,將其對稱支在懸臂端和邊跨現澆段上。然后將現澆段和T構梁面上的雜物清理干凈,T構施工必須的施工機具放置在指定位置(0號段上)。接著將T構及現澆段上的所有觀測點高程精確測量1遍,比較邊跨合龍段兩側兩個梁段的頂面高程。如果其高差Δ＜15 mm,則繼續下步施工,若高差 Δ＞15 mm,則根據計算軟件計算確定使 Δ＜15 mm的辦法,按照計算使用配重,將水箱或砂袋放置在梁上的指定位置,再進行合龍施工。

中跨合龍段2 m采用T構兩端的掛籃作為吊架現澆施工。合龍段施工時,不要引起該段施工的附加應力。施工步驟為:制作吊架后,設置平衡重和剛性骨架,支模,綁扎鋼筋,安放預應力管道,然后選擇時間澆筑混凝土,同時分級卸掉平衡重,最后張拉預應力束、壓漿封錨。

石武客運專線鄭州至武漢段駐馬店特大橋456號～459號墩連續梁中跨合龍段合龍誤差0～4 mm,456號墩邊跨合龍段合龍誤差-2～1 mm,459號墩邊跨合龍段合龍誤差-2～1 mm,均小于規范規定的±15 mm。

3 結語

駐馬店特大橋(40+64+40)m連續梁施工,從澆筑457號墩0號塊到最后完成中跨合龍,總共歷時114 d,全橋邊中跨順利合龍。成橋后,全橋聯測梁頂實際高程與理論高程最大誤差-5～+14 mm,小于規范規定的±20 mm。

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