滬杭高速鐵路橫潦涇特大橋135m跨連續梁橋合龍施工技術研究

徐傳銀

(滬杭鐵路客運專線股份有限公司,上海 200237)

滬杭高速鐵路橫潦涇特大橋135m跨連續梁橋合龍施工技術研究

徐傳銀

(滬杭鐵路客運專線股份有限公司,上海 200237)

預應力箱形連續梁在完成各“T”構施工后,合龍段,特別是中跨合龍段的施工關系到連續梁體的施工質量。如何在溫度變化時保證合龍段混凝土的質量,是合龍成功與否的關鍵。滬杭高速鐵路橫潦涇特大橋4跨連續梁橋在合龍段施工中,通過對合龍方案的制定,對合龍段的受力分析,確定了合龍的各工序及鎖定措施,同時結合測量監控,順利完成了135m大跨度鐵路連續梁橋的合龍施工。

滬杭高速鐵路;連續梁;合龍;施工

合龍段施工是懸灌梁體施工的一道關鍵工序,不論是預應力連續梁、連續剛構、斜拉橋在主梁懸臂灌注完畢后均應盡快完成與邊跨現澆段的合龍和中跨合龍段的現澆施工,使主梁由雙臂狀況轉化為連續整體。在合龍段施工過程中,結構體系發生變化,因混凝土自重、溫度變化、施工荷載的作用,在懸臂梁端產生位移,影響合龍段混凝土懸臂梁端的連接,易產生裂紋,施工中通常采用剛性支撐和臨時預應力的撐拉作用將合龍口鎖定,同時在灌注混凝土時在合龍口處增減壓重,保持合龍口兩梁端無相對位移,從而保證合龍段混凝土與懸臂梁端之間不產生裂紋。結合滬杭高速鐵路跨橫潦涇連續梁橋的合龍段施工的實踐,介紹懸澆梁的合龍方案、相關技術參數的計算及施工要點。

1 工程概況

滬杭高速鐵路采用連續梁橋方式跨越黃浦江上游的橫潦涇,連續梁橋共5墩4跨,屬橫潦涇特大橋的正橋段,墩號119～123號,里程DK35+287～DK35+709,跨徑布置為(75+135+135+75)m,全長421.5m。121號墩為水中墩,120號、122號主墩位于北、南兩岸的大堤上,119號、123號墩為陸上邊墩。連續梁橋跨布置見圖1。

圖1 跨橫潦涇連續梁橋橋跨布置

上部結構為單箱單室預應力鋼筋混凝土連續梁,梁頂面寬度12m,底板寬7m,0號塊長度29m,高10m,設11個懸澆節段,節段配長為2×4.0m+2× 4.5m+7×5.0m,節段重2050～3000kN。119號、123號墩設邊跨現澆直線段,長度7.25m。0號塊采用支架法現澆,懸澆段采用貝雷桁架掛籃施工,0號塊現澆支架在懸澆時起支撐及穩定作用,直線段采用支架法現澆。邊、中跨合龍段截面見圖2。

圖2 合龍段截面(單位:m)

全橋共有4個合龍段,邊跨、中跨各2個,長度均為2m,梁高5.83m。單個邊跨合龍段配縱向預應力筋22束,中跨合龍段設置了中隔墻,配縱向預應力筋48束。

2 合龍特點和原則

合龍段施工是連續梁施工和體系轉換的重要環節,施工中需面對兩個主要問題:(1)合龍新澆筑混凝土在硬化過程中產生收縮,同時合龍口兩端懸臂梁隨溫度下降也會產生收縮,從而不能確保合龍段與兩懸臂梁端的連接性能;(2)合龍段混凝土隨著溫度上升,懸臂梁伸長,而過早參與體系受壓,新澆筑的合龍段混凝土在短時間內未具備一定的強度,過早承壓則破壞混凝土內部膠結構造,影響其強度。可見如何保證合龍段混凝土質量是連續梁中跨合龍關鍵。設計上盡可能將合龍段長度設計短一些,以減少合龍段混凝土收縮量。施工中,為防止合龍段新澆混凝土溫度升高過早受壓及溫降而出現裂縫事故,普遍做法是調查合龍的溫度規律,確定合龍溫差范圍,經計算在懸臂段預埋勁性骨架及張拉臨時預應力束,對合龍跨進行臨時約束鎖定。

合龍施工應結合本橋特點,滿足受力、線形和誤差要求。大橋懸澆過程中,3個主墩獨立T構的梁體處于負彎矩受力狀態,隨著邊跨T構與直線段的依次合龍,梁體也依次轉化為不同結構的受力狀態直至成橋,從而完成連續梁的體系轉換。本橋合龍有如下特點。

本橋屬大跨度的鐵路連續梁橋,梁體剛度較大,主墩采用現澆支架承托固結,合龍段施工的特點是2個邊跨分次合龍,2個中跨對稱同時合龍,鎖定力量大,鎖定和解除工序復雜。針對本橋合龍特點,制定合龍方案應遵循如下原則:

(1)按懸澆監控方案要求,先邊跨合龍,后中跨合龍;

(2)按支座預偏量設置要求,在(14±4)℃合龍;

(3)合龍時的梁結構為簡支受力體系;

(4)滿足設計及規范要求。

3 邊跨合龍

通過邊跨合龍,將2個邊孔變成“∏”形的簡支結構,合龍時主墩固定,邊跨直線段活動。

3.1 邊跨合龍方案

邊跨合龍時,120號墩固定,鎖定北邊跨合龍段, 119號墩鎖定解除,變為活動墩。南邊跨合龍時, 122號墩固定,鎖定南邊跨合龍段,123號墩鎖定解除,變為活動墩。

3.2 邊跨合龍段臨時鎖定設計

3.2.1 直線段現澆支架滑動機構設置

直線段的現澆支架下部為自墩頂向上設置的鋼管支架,其上布置貝雷桁架作為承載梁,為使得在邊跨合龍時直線段能夠縱橋向水平微量滑移,在貝雷桁架下的分配梁與鋼管柱間設置了滑動機構,如圖3所示。

圖3 直線段現澆支架滑動機構

119號、123號墩直線段鎖定和解除的主要機構為鋼管柱頂4個支點、墩頂模板支撐及活動支座鎖定。在4根鋼管柱頂的分配梁下設不銹鋼板-四氟板滑動層,可鎖定,解除后即為活動層。解除鎖定時,須拆除墩頂模板支撐并解除支座上下擺鎖定。

3.2.2 邊跨合龍受力分析

新澆筑的合龍段混凝土在硬化過程中產生收縮,而且在硬化初期的收縮量遠比后期的大,在邊跨合龍前將合龍跨兩端支座進行臨時鎖定,限制上下板的相對移動,在合龍段布置勁性支撐架,并張拉臨時預應力束,再解除支座鎖定,選擇在懸臂梁內溫度最低時澆筑合龍段混凝土,勁性支撐架結構需根據受力計算設計。

以北邊跨119號～120號墩為例,首先假定北邊跨合龍段兩側的119號、120號墩支座都是固結約束的,墩身無位移,計算圖式如圖4、圖5所示。

圖4 邊跨結構(單位:m)

圖5 邊跨合龍溫度應力計算圖示

計算基本參數如下。

支座滑動摩阻系數:f=0.3;

鋼-四氟板滑動摩阻系數:當壓應力＜7MPa時, f=0.08;

鋼筋混凝土線形膨脹系數(αh):(8～12)×10-6/℃

混凝土彈性模量(Eh):3.6×104MPa(各截面加權計算值)。

設梁升溫Δt時產生的自由伸長量為ΔLt,即

因αg=αh,則

兩端約束產生的縮短為ΔLh,為簡化計算,變截面箱梁分段按平均截面計算,則

根據變形協調原理,

因此,得:

式中:N為梁體因溫度變化時所受的軸向力;αg、αh分別為鋼和混凝土的線膨脹系數;L、Lh1、Lh2、Lg分別為合龍跨度、兩懸臂澆筑段長度、合龍口鋼支撐長度;Eg、Eh分別為鋼和混凝土的彈性模量;Ah1、Ah2分別為Lh1、Lh2段箱梁平均截面積;Ag為鎖定勁性型鋼截面積。

根據計算,當119號～120號墩鎖定時

由此可見,當晝夜溫差至10℃時,在合龍段處可產生22480kN的軸向力,即當兩端固結約束時,其溫度影響軸向力很大,一般在邊跨合龍段鎖定后,需要立即釋放119號墩直線段端的支座固結約束,使其軸向能滑動,此時合龍口剛性支撐所受軸向力為:

當升溫時

式中 N——合龍口剛性支撐所受壓力;

Ny——預應力臨時張拉束提供的預壓力;

Q——邊跨直線段梁的自重;

f——直線段梁自由滑動時的摩阻系數。

當降溫時

實際合龍時,可根據氣候情況及合龍前的梁溫測試數據,預估合龍口鎖定后至新灌混凝土達到足夠強度前可能產生的降溫值Δt,然后依Δt求得梁降溫時所產生的溫度應力,并依此來求得所需預應力臨時束的張拉力,從而選定合龍口剛性支撐截面。

根據邊跨合龍設計,在合龍時,需張拉臨時預應力索4T15(19束)、4B0(19束)至500MPa,則:

Ny=140×19×8×500×10-3=10640kN

邊跨梁重按5363kN計,支座、四氟板摩阻系數均按0.08計,則:

由此,得:

在邊跨合龍段設置勁性支撐架,用于承受預應力產生的軸向力,擬選用2[32a型鋼梁4組,其承載力為

合龍段支撐架布置見圖6,支撐架結構見圖7。

圖6 合龍段支撐架立面布置

圖7 支撐架結構

經與設計院聯系,將合龍段需張拉的臨時預應力索由4T15(19束)、4B0(19束)共8根調整為2T15 (19束)、2B0(19束)共4根,則:

4 中跨合龍

2個中跨采用一次同時合龍方式,將2個邊孔的“∏”形和中間121號墩的“T”構形成4孔連續的成橋結構。

4.1 中跨合龍方案

中跨合龍時,121號墩固定,鎖定北中跨合龍段,解除120號墩鎖定變為活動墩;鎖定南中跨合龍段,解除122號墩鎖定變為活動墩。

4.2 中跨合龍段臨時鎖定設計

中跨合龍時的受力計算簡圖見圖8。

圖8 中跨合龍計算簡圖

121號墩固定,其余墩均為活動,合龍段的受力為溫度變化時兩側梁的自由滑動摩阻力。中跨合龍段的受力計算與邊跨合龍模式相同,即:

根據中跨合龍設計,在合龍時,需張拉臨時預應力索2T14(19束)、2D0(15束)至500MPa,則:

邊跨+1/2次邊跨梁重按87773kN計,支座滑動摩阻系數按0.03計,則:

由此,得:

在邊跨合龍段設置勁性支撐架,用于承受預應力的產生的軸向力,擬選用2[32a槽鋼梁4組,其承載力為:

[N]=7508kN＞N,滿足受力要求。

5 工藝流程及要點

5.1 工藝流程

合龍段施工的工藝流程見圖9。

圖9 合龍段施工工藝流程

5.2 合龍段質量控制要求

合龍前兩懸臂端相對高差不大于合龍段長度的1/100,且不大于 15mm;本合龍段長度為2m,按 15mm控制;

梁段軸線偏差不大于15mm;梁段頂面高程差:±10mm。

5.3 掛籃布置方案

懸澆掛籃參與合龍,其施工布置的順序為:

(1)120號(北岸)、122號(南岸)墩掛籃懸澆完11號塊,121號墩掛籃懸澆完10號塊;

(2)120號、122號墩掛籃后退至10號塊以后, 121號墩掛籃懸澆完11號塊;

(3)延長澆筑直線段的貝雷桁架,掛籃吊架法分次施工兩邊跨合龍段;

(4)121號墩掛籃前行,同時施工兩中跨合龍段。

5.4 合龍段澆筑混凝土壓重方案

在待澆筑的合龍段兩側塊段上用1.8t/塊的混凝土板(2.5m×2.2m×0.2m)作為壓重,使兩側壓重量與合龍段混凝土等重,隨著混凝土的澆筑及時移除混凝土壓重塊,保證已澆混凝土量加壓重塊重量與合龍段重量相等。

5.5 合龍段施工加載

邊跨合龍段施工平衡壓重安放在懸臂塊A11段及直線段A12,壓重為邊跨合龍段澆筑混凝土重力的一半(400kN)。中跨合龍段施工平衡壓重安放在兩側懸澆段B11塊段,壓重為中跨合龍段澆筑混凝土重力的一半(770kN),保持梁平衡受力。

5.6 預應力束穿束、張拉

預應力束的穿束、張拉均分2次進行。先穿合龍段施工需要初張拉的預應力束。穿好后張拉端不能有約束。混凝土澆筑完畢后再穿剩余的預應力束,待混凝土強度達到90%后開始張拉。張拉按設計要求分2批進行,先期張拉頂、底板束,補拉到設計噸位,進行壓漿及封錨。

6 實施情況及小結

大橋在滿足對合龍段各工況的分析與計算基礎下,有效地實現了邊跨及中跨合龍,合龍時最高溫度約22℃,最低溫度為11℃,合龍段高差+4mm,-3mm,中線偏移5mm。

(1)許多類似橋形的合龍資料表明,在合龍段混凝土澆筑完成后,溫度上升時,宜采用支座約束鎖定(將支座上、下板采用鋼板固結),在梁體溫度開始下降前拆除,以給合龍段混凝土施壓。就跨橫潦涇連續梁橋而言,在梁體溫度上升時,對合龍段混凝土施加的壓力相差不大,是不進行支座約束鎖定的原因。

(2)是否在合龍段兩側施加相當于合龍段混凝土重力的壓重,在合龍段混凝土澆筑過程中逐步拆除,和合龍段混凝土的澆筑時間有關。如果合龍段混凝土能在混凝土能重塑的時間內完成澆筑,不進行壓重設計,對合龍段混凝土質量影響不大。但一般情況下,若不采取平衡配重措施,梁部線形不能按要求控制,且有可能出現合龍段混凝土與懸臂連續處出現裂縫。

(3)當合龍段第二次經歷梁體溫度上升時,此時合龍段混凝土已經具備一定的抗壓能力(約20MPa),合龍段內支頂鋼架存在很大的內力,需要再次在溫度下降時張拉部分鋼束后,截斷支頂鋼架型鋼。

(4)跨橫潦涇連續梁橋經大橋設計院施工監控,其混凝土強度、斷面抗裂性、剛度及線形均滿足設計要求。

7 結語

跨橫潦涇連續梁橋,由于其工期緊,深水基礎施工難度大,連續梁跨度大,技術要求高,是滬杭高速鐵路四大控制性工程之一,其合龍施工的控制是連續箱梁施工中非常重要的一環,目前大橋連續梁施工已經圓滿結束并通車運營,橋梁線形控制也達到了預定的效果。

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U238;U448.21+5

A

1004 -2954(2011)06 -0071 -04

2011 -01 -26;

2011 -03 -28

徐傳銀(1977—),男,助理工程師,2002年畢業于中南大學橋梁工程專業,工學學士,E-mail:xuwu_2005@126.com。