鎮(zhèn)江京杭運(yùn)河特大橋主跨(90+180+90)m連續(xù)梁拱施工技術(shù)

劉利軍

(中交三公局第一工程有限公司,北京 100102)

拱梁組合式橋梁,以梁式橋?yàn)橥獠織l件,拱的水平推力由水平預(yù)應(yīng)力束承擔(dān)[1],避免了傳統(tǒng)混凝土拱橋在拱座處水平推力過大的風(fēng)險(xiǎn)。鋼管混凝土作為鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu),能夠充分利用這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)中同時(shí)解決了拱橋材料高強(qiáng)化和拱圈施工輕型化兩大問題[4]。將高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土灌注在高強(qiáng)鋼管內(nèi),一方面借助內(nèi)填混凝土提高鋼管受壓的穩(wěn)定性,提高鋼管的抗腐蝕性和耐久性；另一方面借助管壁對(duì)混凝土的套箍作用,提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性[5]。在施工方面,鋼管混凝土可利用空鋼管作為勁性骨架甚至模板,施工吊裝質(zhì)量輕,進(jìn)度快,施工用鋼量小[5]。在我國,1990 年建成第一座鋼管混凝土拱橋—四川旺蒼東河大橋,該橋?yàn)榭鐝?10 m的下承式預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土系桿拱橋。近年來梁拱組合結(jié)構(gòu)發(fā)展很快,短短二十幾年的時(shí)間成功建造了上百座該類型的橋梁,2004年4月份建成通車的重慶巫山長江大橋主跨為460 m[6-7]。近七八年來,隨著客運(yùn)專線和高速鐵路的大量建設(shè),梁拱組合橋型也被大量采用[8],我國大跨徑鋼管混凝土拱肋的建橋技術(shù),己經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位[9]。鋼管混凝土拱橋在我國的興建方興未艾,跨徑在不斷突破,形式在不斷創(chuàng)新,技術(shù)在日益提高[10]。結(jié)合京滬高速鐵路鎮(zhèn)江京杭運(yùn)河特大橋,詳述其施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

京滬高速鐵路鎮(zhèn)江京杭運(yùn)河特大橋位于江蘇省鎮(zhèn)江市,主橋在丹徒區(qū)辛豐鎮(zhèn)北於村以(90+180+90) m的連續(xù)梁拱跨越京杭大運(yùn)河,本段運(yùn)河原為四級(jí)航道,本橋施工時(shí)也正在進(jìn)行三級(jí)航道的拓寬工程,橋位處河道彎曲,主橋與河道主流交角45°。

上部結(jié)構(gòu)為(90+180+90) m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼管拱組合結(jié)構(gòu),采用先梁后拱的成橋工藝。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室變截面箱梁,跨中梁高4.5 m,中支點(diǎn)處梁高10.0 m,梁底按圓曲線變化。箱梁頂寬14.2 m,箱梁設(shè)18道吊點(diǎn)橫梁。主梁設(shè)三向預(yù)應(yīng)力筋。縱向鋼索均采用兩端張拉,真空壓漿。

拱肋跨度180 m,拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu),啞鈴形截面,截面高度3.1 m。拱肋弦管及腹板內(nèi)填充微膨脹混凝土。兩榀拱肋間橫向中心距為11.9 m。拱肋鋼管采用工廠分節(jié)段制作,現(xiàn)場拼裝。兩榀拱肋之間共設(shè)9道橫撐。吊桿順橋向間距9 m,全橋共設(shè)18組雙吊桿。吊桿采用PES(FD)7-61型低應(yīng)力防腐拉索(平行鋼絲束),配套使用LZM7-61型冷鑄鐓頭錨。

主橋立面布置和成橋圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 主橋立面布置

圖2 主橋成橋?qū)嵕?/p>

2 施工方案

主墩位于鎮(zhèn)江京杭大運(yùn)河岸邊,施工時(shí)先筑島施工鉆孔樁,再插打鋼板樁圍堰施工承臺(tái)。基礎(chǔ)鉆孔樁采用沖擊鉆機(jī)施工,承臺(tái)采用預(yù)埋冷卻水管法澆筑大體積混凝土。上部結(jié)構(gòu)采用“先梁后拱”的施工方法,主梁0號(hào)塊利用臨時(shí)支墩搭設(shè)施工托架,一次性澆筑混凝土后安裝全液壓掛籃,利用掛籃懸臂澆筑主梁；邊跨現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆,中跨合龍段采用吊架法施工；拱肋采用工廠分節(jié)段制作,運(yùn)至現(xiàn)場利用支架進(jìn)行拼裝；拱肋混凝土采用對(duì)稱壓注；吊桿采用人工配合吊車進(jìn)行安裝,再按要求調(diào)整索力。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大直徑深孔鉆孔樁

主墩樁基直徑2.2 m,樁長67.5 m,入弱風(fēng)化巖層深度25 m。根據(jù)樁基特點(diǎn)選用了沖擊鉆機(jī)鉆孔,鉆頭呈梅花形,鉆頭直徑2.2 m,重力100 kN,泥漿法護(hù)壁,鉆進(jìn)過程中經(jīng)常檢查孔位偏差、鉆頭磨損和泥漿比重的各項(xiàng)指標(biāo),及時(shí)檢查成孔質(zhì)量和調(diào)整泥漿比重。

鋼筋籠由于自重較大,為了保證不變形，加工時(shí)每2 m設(shè)置φ32 mm“十字”筋1道。鋼筋籠主筋間采用直螺紋套筒連接,為保證上下節(jié)鋼筋籠連接時(shí)產(chǎn)生的對(duì)位偏差(即同一根主筋的左右錯(cuò)位和上下錯(cuò)位偏差)滿足要求,采用卡板刻槽成型制作的辦法來消除主筋在加強(qiáng)圈布置上的橫向偏差。鋼筋籠主筋的縱向偏差控制,采取分段連續(xù)預(yù)拼法。吊裝過程中,為防止鋼筋籠變形采用鐵扁擔(dān),當(dāng)上下兩節(jié)籠在同一鉛垂線上時(shí),對(duì)正位置擰好直螺紋套筒。

采用導(dǎo)管法灌注水下高性能混凝土,超聲波檢測法檢查成孔質(zhì)量。

3.2 承臺(tái)大體積混凝土

承臺(tái)為雙層承臺(tái),底層承臺(tái)尺寸24 m×16.5 m,開挖深度7.5 m。采用鋼板樁護(hù)壁開挖,經(jīng)過檢算鋼板樁采用12 m長拉森Ⅳ型鋼板樁,中間設(shè)置圍囹2道,開挖時(shí)采用1臺(tái)大挖掘機(jī)配合2臺(tái)0.4 m3的小型挖掘機(jī)進(jìn)行施工。混凝土澆筑采用泵送法,內(nèi)部布設(shè)冷卻水管和“雙摻”控制水化熱技術(shù)防止裂縫。

3.3 0號(hào)塊一次澆筑

0號(hào)塊長17 m,加強(qiáng)塊處寬16.5 m,與1號(hào)塊連接處寬14.2 m,支座處高10 m,端部高9.173 m。采用C55混凝土,共計(jì)1 500 m3。采用自行設(shè)計(jì)的1.6 m×1.9 m的矩形臨時(shí)支墩,2次變截面后與梁體固結(jié),不僅加大了臨時(shí)支墩截面積,提高了連續(xù)梁懸灌施工的安全系數(shù),而且施工也比較簡單,預(yù)埋件容易安裝,更重要的是采用臨時(shí)支墩的變截面設(shè)計(jì),大幅度減少了牛腿懸挑部分的荷載,增加了0號(hào)塊施工過程中托架的穩(wěn)定。在臨時(shí)支墩頂部采用組合鋼構(gòu)橫梁及支墩側(cè)面預(yù)埋鋼板焊接牛腿來支撐0號(hào)塊底模支架。0號(hào)塊托架利用墩旁的鋼筋混凝土臨時(shí)支墩預(yù)埋牛腿,搭設(shè)型鋼托架,墩頂部分考慮到空間較小,采用了磚砌體內(nèi)填充細(xì)砂,水密后頂部澆筑1層細(xì)石混凝土作為底模。0號(hào)托架結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 0號(hào)塊托架示意(單位：mm)

為避免0號(hào)塊分次澆筑產(chǎn)生接縫影響美觀和受力,采用了一次成形技術(shù)。采用2臺(tái)泵車同時(shí)澆筑,由于梁段較高,在澆筑底板、腹板混凝土?xí)r,采用泵軟管伸入箱梁腹板下部和腹板開窗的澆筑方案。

在腹板內(nèi)模處每隔2 m開一進(jìn)人孔和搗固孔,待混凝土灌注到該處后再按要求連接,將模板孔洞封嚴(yán)。每個(gè)入模點(diǎn)都設(shè)置軟管或串筒,保證混凝土入模均勻、不離析,各處平衡。

3.4 全液壓菱形掛籃懸臂澆筑

主梁共分79個(gè)梁段,梁拱結(jié)合部0號(hào)梁段長17 m,中孔K20號(hào)合龍梁段長3 m,邊孔K21′直線梁段長6.8 m,其余梁段長分3、3.5、4、4.5 m 4種。主梁除0號(hào)梁段、K21′梁段在支架上施工外,其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑。

施工掛籃采用簡易菱式,3片主桁。掛籃走行為整體液壓推動(dòng),一次性到位。底主錨為φ70 mm(40Cr)圓鋼制作,其余懸吊錨固桿均為φ32 mm精軋螺紋鋼。掛籃內(nèi)外模均為液壓缸控制脫落模。主要由主桁系、底模系、外模內(nèi)模系、前吊系、底錨系、走行系和施工平臺(tái)組成。該掛籃承載能力和剛度大,機(jī)械化程度高,操作方便快捷、安全可靠。掛籃自重1 000 kN。

掛籃懸臂澆筑施工工藝為：走行掛籃→掛籃就位→調(diào)整掛籃底模、外模高程并固定→安裝頂板以下端頭模板,固定底板,腹板錨具→綁扎底板、腹板鋼筋,安裝底板、腹板波紋管和豎向鋼筋→內(nèi)模就位,安裝頂板端模,固定頂板錨具→綁扎頂板鋼筋,安裝頂板縱橫向波紋管→對(duì)稱澆筑梁段混凝土→養(yǎng)護(hù)→穿束張拉壓漿→進(jìn)入下一梁段的施工循環(huán)。

3.5 主梁線形控制

為了保證主梁的施工質(zhì)量,施工過程對(duì)應(yīng)力和線形進(jìn)行雙控,主要采用了線形監(jiān)控測試系統(tǒng)和應(yīng)力監(jiān)控測試系統(tǒng)。線形監(jiān)控測試系統(tǒng)主要采用電子水準(zhǔn)儀和全站儀對(duì)每一節(jié)段上布設(shè)的測試點(diǎn)的三維坐標(biāo)的觀測,與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,確保成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求，主梁預(yù)拋高理論與實(shí)際設(shè)計(jì)值對(duì)比見圖4。應(yīng)力監(jiān)控測試系統(tǒng)通過在主梁根部、18跨、14跨、1/2跨等部位埋設(shè)應(yīng)變片,通過應(yīng)力監(jiān)測,再與理論計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行比較,保證結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全、穩(wěn)定,成橋受力符合設(shè)計(jì)意圖。

圖4 主梁預(yù)拋高理論與實(shí)際設(shè)計(jì)值對(duì)比

主梁施工過程中,高程控制良好。主梁理論高程與實(shí)測值均小于12 mm,滿足設(shè)計(jì)及連續(xù)梁控制要求。應(yīng)力變化最大的工序?yàn)榛炷凉嘧⒓虞d預(yù)應(yīng)力荷載施加工序,掛籃荷載移動(dòng)引起的截面應(yīng)力變化較小；截面在各施工階段中應(yīng)力變化相同；同部位測點(diǎn)應(yīng)力變化均勻,應(yīng)力測試準(zhǔn)確；截面實(shí)測值與理論值絕對(duì)差值較小,荷載施加準(zhǔn)確,混凝土灌注和預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量控制良好。

兩個(gè)中墩側(cè)的主梁高程變化基本相同,合龍條件較好,梁體各階段的理論高程與實(shí)測高程較為吻合,連續(xù)梁成形時(shí),邊跨理論高程與實(shí)測高程差值均小于10 mm,中跨略高于邊跨。主梁合龍后及橋面系施加完成后主梁理論與實(shí)測高程對(duì)比分別見圖5、圖6。主梁實(shí)測上緣應(yīng)力均略小于理論計(jì)算值,絕對(duì)差值約1.3 MPa,下緣應(yīng)力略高于理論值,差值約0.8 MPa。連續(xù)梁成橋時(shí),各測試截面的理論應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力較為吻合,連續(xù)梁成形質(zhì)量良好。

圖5 主梁合龍完成后理論與實(shí)測高程曲線

圖6 橋面系施加完成后主梁的理論與實(shí)測高程曲線

3.6 拱肋拼裝

拱肋分段在工廠制作,半跨預(yù)拼合格后運(yùn)至工地支架原位拼裝的施工方法。連續(xù)梁施工完畢后,于橋面搭設(shè)拼裝拱肋用臨時(shí)支架,用汽車吊上橋?qū)摴芄肮袄咧鸲蔚跹b到支架上進(jìn)行焊接拼裝。合龍后拆除臨時(shí)支架。

拱肋安裝支架采用鋼管作為立柱,立柱高度超過25 m時(shí)，采用縱橫向聯(lián)系桁架保證整體穩(wěn)定性。

拱肋分段按照制作方案分為19節(jié),拱肋最大吊裝重力小于190 kN,橫撐最大吊裝重力小于120 kN,每段拱肋、橫撐需焊吊耳,安裝后割掉并打磨平整,拱肋及橫撐安裝按從兩邊向跨中的順序進(jìn)行。根據(jù)起吊重力和回轉(zhuǎn)半徑選擇2臺(tái)500 kN吊機(jī)和2臺(tái)700 kN吊機(jī)配合吊裝。利用2臺(tái)吊機(jī)吊裝拱肋節(jié)段,一方面可以分散吊重,另一方面可以方便的調(diào)整拱肋位置。鋼管拱合龍節(jié)段,在加工時(shí)預(yù)留5 cm的富余量,在吊裝合龍節(jié)段時(shí),先在前一天的相同溫度條件下,測量出合龍口的精確長度,現(xiàn)場采用氧氣乙炔割槍手工切割,并按圖紙要求采用手砂輪將切割端打磨出坡口,以上工作完成后,在第2天相同溫度條件下進(jìn)行合龍節(jié)段的安裝。鋼管焊接方法采用內(nèi)壁貼鋼板襯墊二保焊打底填充蓋面(其中二保藥芯焊條打底,實(shí)心焊條蓋面),焊縫達(dá)到一級(jí)要求。對(duì)焊縫采用100%的超聲波檢測和不少于10%的X射線探傷以及外觀檢查。

3.7 拱肋混凝土填充

拱肋中填充C50微膨脹混凝土共計(jì)926 m3。

(1)混凝土泵送方案

根據(jù)設(shè)計(jì),每條拱肋上下弦管各設(shè)隔倉板1處,腹板內(nèi)設(shè)隔倉板3處,并在隔倉板附近開設(shè)出漿孔,壓漿孔直徑φ125 mm,出漿孔直徑增加至φ150 mm。至拱肋混凝土采用從低處往高處的連續(xù)頂升施工,弦管內(nèi)混凝土采用一級(jí)泵送,腹板內(nèi)混凝土采用兩級(jí)泵送。因橋下距拱頂近37 m高,泵送混凝土?xí)r采用4臺(tái)HB90的地泵,配備12臺(tái)混凝土運(yùn)輸車。

(2)混凝土泵送程序

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,泵送混凝土的速度應(yīng)協(xié)調(diào)一致,遵循對(duì)稱、均勻的原則。泵送順序?yàn)橄壬瞎堋⒑笙鹿堋⒃俑拱?當(dāng)上一環(huán)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后,才可泵送下一環(huán)混凝土。具體泵送混凝土施工程序如下：

左右側(cè)線上弦管→左右側(cè)線下弦管→左右側(cè)線腹板下段混凝土→左右側(cè)線腹板上段混凝土,混凝土采用4臺(tái)地泵對(duì)稱壓注。同時(shí)備用2臺(tái)輸送泵。

3.8 吊桿張拉及索力調(diào)整

全橋共設(shè)18組雙吊桿,吊桿材料采用PES(FD)7-61型低應(yīng)力防腐拉索,外套復(fù)合不銹鋼管,配套使用LZM7-61型冷鑄墩頭錨,吊桿間距為9 m。

(1)施工方案

吊桿采用汽車吊吊起后,拱肋預(yù)留鋼管中穿出至連續(xù)梁的橋面吊桿橫梁下進(jìn)行錨固,逐根穿好后,開始進(jìn)行吊桿張拉的準(zhǔn)備,當(dāng)全橋吊桿索張拉完畢后,根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行吊桿索索力調(diào)整。

(2)施工流程

吊桿索進(jìn)場→拱肋混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%后安裝吊桿索→吊桿索初次張拉,索力調(diào)整→解除邊孔壓重→橋面系施工→張拉中跨頂板束并壓漿→張拉吊索并調(diào)整至設(shè)計(jì)值。

3.9 施工過程仿真分析

施工過程仿真分析采用MIDAS/CIVIL2006,為了更準(zhǔn)確的模擬施工過程,計(jì)算采用多個(gè)模型完成。主梁懸臂灌注施工模擬主要采用梁單元模型(圖7)。連續(xù)梁成橋后,為了準(zhǔn)確獲得后續(xù)施工階段主梁的局部應(yīng)力狀態(tài),采用實(shí)體單元來模擬主梁,拱肋鋼管采用梁單元模擬,進(jìn)行鋼管內(nèi)混凝土灌注加載分析(圖8、圖9)。吊桿張拉控制力優(yōu)化計(jì)算采用實(shí)體元—鋼管混凝土組合梁單元-拉壓桁架單元組合模型模擬(圖10)。多個(gè)計(jì)算模型的結(jié)果進(jìn)行疊加,獲取準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形狀態(tài)。為了準(zhǔn)確計(jì)算本橋的吊桿張拉控制力,避免繁瑣的調(diào)索工序,節(jié)約寶貴的工期,必須對(duì)吊桿張拉控制力進(jìn)行計(jì)算。吊桿張拉力優(yōu)化計(jì)算模型從連續(xù)梁、鋼管混凝土拱肋成形時(shí)開始。以成橋狀態(tài)下吊桿張拉力設(shè)計(jì)值為目標(biāo)進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算,直至滿足設(shè)計(jì)要求位置。

4 結(jié)語

鎮(zhèn)江京杭運(yùn)河特大橋?yàn)榫咚勹F路重點(diǎn)控制工程之一,主橋上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)梁拱,橋外觀優(yōu)美、輕巧,橫跨在京杭運(yùn)河上與周圍景色融為一體,相互輝映。通過施工過程中對(duì)關(guān)鍵施工技術(shù)的研究和加強(qiáng)施工控制,使得成橋線形和受力狀態(tài)滿足了設(shè)計(jì)意圖,該關(guān)鍵技術(shù)能夠?yàn)橐院箢愃茦蛄旱氖┕ぬ峁┘夹g(shù)參考和借鑒,為進(jìn)一步提升我國建造大跨度無砟軌道橋梁水平奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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