80 m鋼-混凝土組合桁梁膺架法施工技術(shù)

張建科

(中鐵一局集團橋梁工程有限公司,陜西渭南 714000)

1 工程概況

西安至平?jīng)鲨F路位于陜西省中西部和甘肅省東部,全長263.119 km,設(shè)計為I級單線,設(shè)計車速120 km/h。西平鐵路在甘肅慶陽市境內(nèi)上跨銀武高速公路位置設(shè)計有1孔80 m鋼-混凝土組合桁梁。組合桁梁長82 m,支座中到中距離為80 m,主桁采用無豎桿三角形桁,上、下弦桿節(jié)間長度均為10 m,下弦桿長82 m,上弦桿長76 m,上下弦桿中到中距離為9 m,鋼腹桿全部采用650 mm×550 mm的矩形鋼箱截面。斜腹桿之間采用節(jié)點板連接,通過節(jié)點板與上下弦鋼筋混凝土聯(lián)結(jié)形成整孔橋梁。

組合桁梁混凝土采用C55聚丙烯纖維混凝土。下弦縱向為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),上弦及橫向受力為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上下弦混凝土分2次澆筑成型。上弦桿與端橫撐分別為1.1 m寬、1.2 m高和1.0 m寬、0.8 m高的矩形鋼筋混凝土截面,中橫撐為寬0.35 m,高0.59 m的工字鋼。下弦梁采用槽形截面,梁高為2.0 m,頂寬9.4 m,梁底寬7.8 m,底板為0.45 m厚縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。80 m鋼-混凝土組合桁梁總體布置見圖1。

2 施工方案選擇及施工難點分析

2.1 方案選擇

根據(jù)以往橋梁施工經(jīng)驗,并結(jié)合現(xiàn)場實際情況比較了3種施工方案[1-4]：膺架原位現(xiàn)澆法、水平轉(zhuǎn)體架設(shè)法、縱向頂進架設(shè)法。3種施工方案比較見表1。

圖1 80 m鋼-混凝土組合桁梁結(jié)構(gòu)(單位:m)

表1 施工方案比較

經(jīng)過比選,膺架法能較好地實現(xiàn)工期、成本和質(zhì)量控制等目標(biāo),優(yōu)點明顯,最終采用。

2.2 膺架原位現(xiàn)澆法施工方案

膺架地基處理→條形基礎(chǔ)澆筑→膺架搭設(shè)→加載預(yù)壓→底模精調(diào)→預(yù)埋件、節(jié)點板、腹桿加工→組拼定位→綁扎下弦梁鋼筋→安裝模板→混凝土澆筑→預(yù)應(yīng)力張拉→搭設(shè)上弦梁支架→安裝模型、綁扎鋼筋→澆筑上弦混凝土，養(yǎng)護→拆除模板、支架及跨路膺架[5-7]。施工方案見圖2。

圖2 80 m鋼-混凝土組合桁梁膺架施工方案(單位:m)

2.3 施工難點分析

80 m鋼-混凝土組合桁梁上弦為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),主要承壓受力；下弦為單向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),以受拉為主,縱向預(yù)應(yīng)力解決了混凝土受拉值偏低的不足；鋼桁腹桿主要為軸向拉壓受力,矩形鋼箱結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定；腹桿與上下弦混凝土結(jié)合的節(jié)點部位,受力較為復(fù)雜,是全橋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵,節(jié)點的精確施工及保證鋼-混凝土共同受力就顯得尤為重要[8]。

(1)節(jié)點設(shè)計及實體試驗。由于鋼-混凝土組合桁梁在國內(nèi)尚屬首次應(yīng)用,節(jié)點部位的結(jié)構(gòu)類型和受力形式在設(shè)計期間就作為重點課題進行研究,通過多次建模分析并修改完善后,進行了2次同比縮小(1/2比例)的節(jié)點實體試驗檢測,進一步驗證了受力時節(jié)點內(nèi)力參數(shù)。為解決施工期間節(jié)點的精度控制和掌握工藝要點,施工前在工地按照與實物同比大小加工節(jié)點構(gòu)件模型,模擬施工方案進行節(jié)點操作工藝試驗,由設(shè)計、監(jiān)理、施工等多方單位逐工序進行檢查指導(dǎo)和現(xiàn)場驗收討論,成型后進行會議論證和工藝總結(jié),形成作業(yè)指導(dǎo)書,為新型橋梁施工提供作業(yè)指導(dǎo)。

(2)拼裝線形和精調(diào)定位。80 m跨鋼-混凝土組合梁根據(jù)恒載及靜活載撓度計算,下弦梁跨中預(yù)設(shè)66 mm上拱度,向梁端按二次拋物線變化。各節(jié)點高程隨預(yù)拱度及膺架彈性變形值大小各不相同,由于鋼構(gòu)件拼裝精度高,節(jié)點高程不同直接導(dǎo)致節(jié)點耳板及連接鋼板的螺栓孔位有不同的變化(跨中與梁端節(jié)點板同位置的孔位最大相差5 mm),按照螺栓孔位的不同變化,經(jīng)精細加工和現(xiàn)場多次精確調(diào)整鋼構(gòu)件才能準(zhǔn)確就位,貫通后線形才能達到設(shè)計要求,只有構(gòu)件定位和成橋線形與設(shè)計相符,才能確保各節(jié)點鋼混結(jié)構(gòu)共同合理受力。

3 主要施工工藝

3.1 鋼構(gòu)件組拼定位

鋼-混凝土組合梁的鋼結(jié)構(gòu)部分主要由鋼箱腹桿、耳板、拼接板、上縱聯(lián)、下縱聯(lián)、上弦橫撐及高強螺栓組成。鋼箱腹桿為550 mm×650 mm矩形結(jié)構(gòu),材質(zhì)為Q345qE,最大鋼箱質(zhì)量8 100 kg。耳板為變截面型,由90 mm變到40 mm和32 mm、50 mm變到24 mm和16 mm,與腹桿鋼箱間采用Ⅰ級坡口焊縫對接。耳板螺栓孔徑φ33 mm,間距100 mm；剪力鍵預(yù)留孔徑φ100 mm,間距180 mm。拼接板厚度20 mm,與耳板間采用高強螺栓摩擦連接。上、下縱聯(lián)及橫撐均為型鋼。

鋼-混凝土組合桁梁鋼構(gòu)件采用膺架法原位拼裝,膺架采用φ426 mm×6 mm的鋼焊管支墩與貝雷梁搭設(shè)而成[9],在膺架尾端縱延12.5 m作為鋼構(gòu)件拼裝工作平臺,利用膺架頂部的20t龍門吊進行鋼腹桿吊裝。鋼腹桿臨時安裝在專用工裝系統(tǒng)頂部,工裝底部通過下弦梁底板泄水孔與膺架縱梁連接固定。為保證工裝和鋼桁拼裝期間的整體穩(wěn)定性,工裝采用φ159 mm×5 mm無縫管焊成三角形框架,底部以4個支撐1與膺架貝雷梁連接,頂部以支撐5將左右兩側(cè)橫向聯(lián)接形成整體,以支撐2和支撐3將工裝各部件連接加固穩(wěn)定。支撐頂部安裝鋼腹桿位置設(shè)雙向微調(diào)裝置,對鋼腹桿進行位置和高程調(diào)整,鋼腹桿底部懸空，以利節(jié)點拼裝和梁體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工。工裝支撐結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 組合桁梁鋼腹桿拼裝工裝結(jié)構(gòu)(正、側(cè)面)(單位:mm)

鋼腹桿拼裝從工作平臺另一端節(jié)點開始施工,以龍門吊提運安裝,按照跨中66 mm預(yù)拱度逐斷面調(diào)整各節(jié)點高程,初步定位后采用連接鋼板將節(jié)點耳板以高強螺栓初擰緊固,初擰以板縫密貼為準(zhǔn)(扭力扳手?jǐn)?shù)值宜為終擰值的50%)[10]。由于膺架貝雷梁隨拼裝進程的荷載變化會產(chǎn)生下?lián)献冃?已拼裝鋼桁高程會隨之發(fā)生變化,為保證最終線形準(zhǔn)確,鋼腹桿拼裝前,對膺架進行分級預(yù)壓,按梁體截面形式模擬實際荷載分布進行加載,加載時量測支架彈性變形值。根據(jù)膺架不同部位的變形值,結(jié)合預(yù)拱度確定拼裝控制高程。按照控制高程,從起始端逐個將16件鋼腹桿在工裝上初步拼裝就位。鋼腹桿拼裝施工過程見圖4。

圖4 80 m鋼-混凝土組合桁梁鋼腹桿安裝施工

鋼構(gòu)件組拼施工要點為：可靠安裝工裝系統(tǒng),支撐體系與膺架貝雷梁連接穩(wěn)固；龍門吊安全起吊、平穩(wěn)吊運和準(zhǔn)確安裝鋼腹桿；節(jié)點拼裝控制高程的準(zhǔn)確計算；工裝頂部多向微調(diào)裝置的精確調(diào)整定位和作業(yè)安全控制。

3.2 拼裝線形精調(diào)及節(jié)點剪力鍵施工

鋼腹桿全部拼裝初調(diào)就位后,利用全站儀及精密電子水準(zhǔn)儀進行全橋貫通線形復(fù)測,對不符合貫通線形要求的節(jié)點,在節(jié)點底部架設(shè)液壓油頂,松開上下弦節(jié)點兩側(cè)縱向連接槽鋼,利用工裝頂部微調(diào)裝置和節(jié)點底部液壓油頂進行線形精調(diào),調(diào)整就位后將微調(diào)裝置全部鎖閉,并將上下弦節(jié)點兩側(cè)縱向連接槽鋼螺栓擰緊。逐個檢查調(diào)整完所有節(jié)點線形均符合要求后,從跨中節(jié)點向兩側(cè)對稱進行節(jié)點板高強連接螺栓的最后終擰,終擰采用數(shù)顯扭力扳手逐個擰緊至設(shè)計扭力值。之后進行下弦梁鋼筋綁扎,利用節(jié)點板周圍綁扎成形的普通結(jié)構(gòu)鋼筋,準(zhǔn)確安裝節(jié)點板與混凝土結(jié)合部的抗剪連結(jié)粗鋼筋(φ36 mm),粗鋼筋須穩(wěn)固安裝在剪力鍵預(yù)留孔的中心位置。粗鋼筋主要起與混凝土有效連結(jié)和抗剪作用,粗鋼筋與預(yù)留孔內(nèi)混凝土共同形成組合剪力鍵,充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能,確保鋼混結(jié)構(gòu)的共同受力。見圖5。

圖5 節(jié)點板剪力筋預(yù)留孔及抗剪聯(lián)接粗鋼筋定位

3.3 節(jié)點板處混凝土施工

組合桁梁下弦節(jié)點板處鋼筋密集,有多種型號鋼筋與節(jié)點板相交,因伸入節(jié)點錨固長度不足,須在節(jié)點板上進行搭焊錨固,施工操作難度大,極易損傷終擰后的高強螺栓。錨固焊后的鋼筋對其他鋼筋安裝干擾較大,易造成窩工返工。節(jié)點處有多束預(yù)應(yīng)力孔道穿過,2塊節(jié)點板之間空間狹小,鋼筋綁扎后波紋管在此無法實現(xiàn)定位操作。受節(jié)點結(jié)構(gòu)外形所限,節(jié)點模板全部安裝后僅留頂部交角部位可供混凝土灌入,不利于混凝土澆搗,節(jié)點板間空隙及剪力孔的混凝土密實度較難保證。為解決諸如此類的技術(shù)難題,施工前在工地進行了現(xiàn)場節(jié)點實體模擬試驗,根據(jù)節(jié)點試驗確定了節(jié)點頂部的倒漏斗模板做成活動節(jié),待澆筑到此位置再安裝就位,避免節(jié)點下部混凝土澆筑和振搗不實；節(jié)點處孔道定位網(wǎng)在鋼筋綁扎前先行安裝就位,實現(xiàn)后續(xù)孔道波紋管準(zhǔn)確定位；伸入節(jié)點的錨焊鋼筋在腹板箍筋安裝后、縱向水平筋安裝前,進行焊接錨固,最大限度地減少鋼筋安裝之間的相互干擾；結(jié)合節(jié)點試驗,在錨固筋焊接時,以薄鋼板加工專用防護罩對焊點兩側(cè)高強螺栓進行防護,防護效果極好,無一例高強螺栓損壞；聚丙烯纖維混凝土坍落度和泌水性較普通混凝土有所不同,經(jīng)試驗確定節(jié)點底部與頂部為防止混凝土過流翻漿,坍落度宜控制在160 mm以內(nèi),節(jié)點中部須流動性好以充分填充結(jié)構(gòu)所有空隙,坍落度控制在180 mm以內(nèi)；混凝土振搗采用附著式與插入式振動器相結(jié)合的方式進行,附著式振動器安裝在節(jié)點正下方的底模位置,插入式振動器配備直徑30 mm和50 mm兩種振搗棒,根據(jù)鋼筋疏密情況倒換采用；針對聚丙烯纖維混凝土泌水緩慢的特點,澆搗期間采用二次振搗方式,重點監(jiān)控節(jié)點、錨頭及支座等部位,保證關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位施工質(zhì)量。通過節(jié)點試驗工藝總結(jié),精確指導(dǎo)節(jié)點混凝土施工,取得了良好效果。節(jié)點試驗見圖6。

圖6 同比例實體節(jié)點施工試驗

組合桁梁上下弦共34個節(jié)點結(jié)構(gòu),上弦節(jié)點16個,下弦節(jié)點18個。上下弦混凝土分2次澆筑,鋼構(gòu)件組拼完成后,先進行下弦節(jié)點及下弦梁的鋼筋綁扎、波紋管定位、安裝模板和澆筑混凝土。混凝土澆筑采用2臺汽車泵從跨中向兩端,分底板、腹板、翼板左右對稱,按照縱向5 m分段、每層0.2 m水平分層一次連續(xù)澆筑成形。在下弦梁混凝土養(yǎng)護等強期間,搭設(shè)上弦梁支架,搭設(shè)到位后鋪設(shè)上弦底模。與此同時,在下弦梁混凝土強度和彈性模量達到設(shè)計要求后,按照由外到內(nèi)、左右對稱順序進行下弦梁通長預(yù)應(yīng)力束張拉,預(yù)施應(yīng)力采用雙控措施,以張拉力控制為主,伸長量校核。張拉完成后24 h內(nèi)進行管道壓漿。孔道漿液強度滿足設(shè)計要求后,安裝綁扎上弦梁鋼筋、安裝側(cè)模,澆筑上弦梁混凝土,養(yǎng)護至設(shè)計強度及彈模要求后,進行下弦梁剩余短束預(yù)應(yīng)力筋的張拉、壓漿工作,最后清理錨口,綁扎鋼筋、立模,澆筑同梁體強度等級無收縮混凝土封閉錨槽。

3.4 鋼-混凝土組合桁梁結(jié)構(gòu)受力檢測

鋼-混凝土組合桁梁因首次應(yīng)用,梁體在承受荷載作用后,各結(jié)構(gòu)部位的截面內(nèi)力及空間位置情況需進一步監(jiān)控量測,施工過程中,按照監(jiān)測要求在不同截面埋設(shè)不同數(shù)量的振弦式應(yīng)變計(圖7),并結(jié)合溫度變化因素,在主梁混凝土內(nèi)埋設(shè)高靈敏度EBJ系列溫度傳感器,在完工后進行相關(guān)載荷試驗,以準(zhǔn)確采集試驗數(shù)據(jù)[11]。

圖7 鋼-混凝土組合桁梁混凝土結(jié)構(gòu)及鋼構(gòu)件受力檢測原件埋設(shè)

3.5 貝雷梁卸落方案及膺架拆除。

鋼-混凝土組合桁梁完工后,膺架貝雷梁按照從跨中對稱逐級卸落方式進行,利用支墩頂沙筒放砂落架法卸落貝雷梁,分3次卸落到位。

膺架拆除為跨路施工,采取半幅封閉,設(shè)置交通疏導(dǎo)及警示標(biāo)志,汽車吊于封閉路面分跨拆除該半幅膺架及基礎(chǔ),拆除工作安排在白天進行。半幅拆除完畢封閉另外半幅,完成全部膺架拆除施工。拆除后全橋見圖8。

圖8 80 m鋼-混凝土組合桁梁完工后全景

4 結(jié)語

鋼-混凝土組合桁梁采用工廠精確加工鋼腹桿、原橋位搭設(shè)膺架,利用龍門吊拼裝定位,泵車現(xiàn)場澆筑混凝土的施工方案,有效解決了構(gòu)件吊裝等施工作業(yè)對高速公路行車的影響,封閉后的膺架對跨路安全防護作用明顯,降低了安全風(fēng)險。與其他方案相比,膺架方案大大減少了鋼材、機具和設(shè)備的投入,節(jié)約了成本,同時也加快了施工進度,較好地實現(xiàn)了安全、質(zhì)量和經(jīng)濟目標(biāo),成橋線形和結(jié)構(gòu)外觀與設(shè)計相符,對同類橋梁施工有較好的借鑒作用。此方案中工裝頂部微調(diào)系統(tǒng)荷重后操作不便,高空作業(yè)工作量和持續(xù)時間增加,需進一步優(yōu)化改進。

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