空間扭曲混凝土箱梁短線匹配法預制拼裝施工關鍵技術

王敏 ，劉景紅 ， 張永濤

（1.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；2.中交第二航務工程局第二工程有限公司，重慶 404100；3.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

節(jié)段預制拼裝和體外預應力技術的綜合運用，是現(xiàn)代混凝土橋梁工業(yè)化的發(fā)展方向之一。在橋梁的發(fā)展歷程中，隨著制造技術的進步，環(huán)保意識的提高，對耐久性的重視以及工程經(jīng)驗教訓的積累，工程師們對“原位現(xiàn)澆”與“節(jié)段預制拼裝”、“體內預應力”與“體外預應力”反復進行著實踐和探索。“節(jié)段預制拼裝”和“體外預應力”技術也在經(jīng)歷“肯定—否定—重新肯定”的螺旋式發(fā)展過程。近30 a來，歐美、日本等國對“節(jié)段預制拼裝”和“體外預應力技術”的研究十分重視，新建的混凝土梁橋多以這些技術為核心[1]。

近幾年，短線預制施工工法在我國應用逐漸增多，蘇通長江公路大橋、廈門集美大橋、上海祟啟大橋、南京四橋、嘉紹大橋等工程項目都采用該項技術。但這些項目中，除南京四橋外，其余橋梁結構線形變化相對簡單，平曲線半徑較大，不存在緩和曲線段，箱梁斷面未有扭轉現(xiàn)象。而南京四橋系采用逐孔懸掛拼裝，其預制、安裝難度均小于廈漳大橋。相對廈漳跨海大橋70 m跨徑空間扭曲箱梁技術研究，在國內尚未見相關研究成果，因此，廈漳跨海大橋緩和曲線超高段節(jié)段預制安裝施工關鍵技術是值得深入研究的課題。

1 工程概況

廈漳跨海大橋工程起于在建的廈門至成都國家高速公路（廈門海滄至漳州天寶段）青礁樞紐互通，跨廈門灣經(jīng)海門島，止于漳州龍海后宅。廈漳跨海大橋北汊南引橋K3+795～K6+007.4段，為雙幅70 m和66.7 m連續(xù)箱梁橋，采用短線匹配預制、拼裝設計與施工，且位于R=1 690 m的平曲線上。箱梁截面為單箱單室結構，梁高3.8 m，頂寬15.9 m，底寬6.7 m，共有節(jié)段數(shù)量1 332榀，見圖1。

圖1 橋梁結構布置圖

2 廈漳跨海大橋節(jié)段預制拼裝橋梁施工關鍵技術

與國內類似工藝建設的橋梁相比，廈漳跨海大橋節(jié)段預制拼裝的難點在于：

1） 自里程樁號 K3+799.708～K3+940.333和K4+838.868～K4+979.493段，設有緩和曲線超高段，其橫坡值從-2%到3%，最大變幅為5%。超高段采用箱梁結構扭曲調整，而非橋面輔裝調整方式，因而導致該段內的箱梁結構產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象，使得梁段橫斷面尺寸產(chǎn)生變化，這與以前的短線匹配法流水作業(yè)的作業(yè)原理即在相同的模板系統(tǒng)內完成多榀或全部梁段的預制相違背；同時，梁段的扭曲帶來了控制數(shù)據(jù)的微變，即平面控制點和標高控制點位置偏移。實現(xiàn)該緩和曲線超高段的梁段預制、拼裝，同時保證施工線形精度，進而拓展該項工法的應用范圍是非常有意義的。

2） 廈漳跨海大橋K3+940.333～K4+838.868段為半徑1 690 m的圓曲線。1 690 m的平曲線半徑對于一般的橋梁結構而言，其曲線半徑足夠大；但對于跨徑為70 m的節(jié)段拼裝式橋梁，則其屬于小曲線半徑。用于廈璋跨海大橋70 m跨的節(jié)段的拼裝架橋機，其長度至少須大于140 m（二跨橋長），此時的曲線中矢距達1.45 m，如何保證架梁時的橫向梁段就位以及克服邊跨懸掛時的架橋機偏載、架橋機過跨的擺位問題是非常值得研究的課題。

2.1 空間扭曲箱梁節(jié)段預制半剛性模板系統(tǒng)

空間扭曲箱梁節(jié)段預制的難點在于通過對節(jié)段幾何尺寸的控制獲得期望的結構幾何構型。匹配節(jié)段精確設置，需要嚴格的幾何控制、澆注現(xiàn)場精確調位和熟練的測量人員，而其硬件則直接通過模板系統(tǒng)來體現(xiàn)。主梁橫坡最大變幅為5%（橫坡值從-2%變化到3%），設計標高處梁寬15 m，超高里程內梁段超高值為750 mm，按最大預制節(jié)段長度4 m考慮，單節(jié)梁段兩端高差值為22 mm，如圖2（a） 所示。扭轉后箱梁各部位位移參數(shù)如表1。因此在預制過程中，多功能半剛性模板系統(tǒng)底模應具有一定柔度，其剛度在滿足常規(guī)梁段預制的前提下，又能適應表1變形的要求（底板可調整成空間曲面，其中1點低于或高于其他3點形成的平面16 mm）。箱梁在緩和曲線超高段呈一個扭面，其中1個點與其余3點所形成的平面有一定高差，最大差值22 mm。即要求通過底模臺車調整底模時，匹配梁端的底模其中1點必須能滿足低于或高于其余3點所形成的平臺最大值22 mm要求。研發(fā)出的自動化模板系統(tǒng)通過ANSYS建模計算分析，計算圖示如圖2（b）所示。數(shù)據(jù)分析結果表明，在頂升點頂升或降低22 mm時模板4個支點受力方向一致，說明當匹配梁段調整超高值到位后，利用底模在自重作用下的彈性變形，即可實現(xiàn)通過臺車豎向千斤頂調整底模，與匹配梁段底面貼合。

圖2 空間扭曲箱梁節(jié)段預制半剛性模板

表1 扭轉后箱梁各部位位移變形值 mm

2.2 小曲率半徑節(jié)段安裝架橋機設備

普通直線或者大半徑圓曲線箱梁采用架橋機懸臂安裝時，橋軸線與架橋機軸線基本重合或者軸線偏位較小，在架橋機起重天車的橫向移位的可調整范圍0.5 m內，安裝過程中不需要橫向移位，安裝較簡單；而對于廈漳跨海大橋1 690 m的小半徑圓曲線箱梁安裝，橋軸線與架橋機軸線存在較大的軸線偏位，遠遠超出了架橋機自身的橫向移動范圍（在架橋機長度內、曲線中矢距達到了1.44 m，如圖3），為了使架橋機在自身的橫向移動幅度內能夠完成曲線段箱梁節(jié)段安裝，在安裝過程中需要不停的根據(jù)橋軸線橫向移動或平面旋轉架橋機軸線方向，減少各工況下起重天車的橫向移動幅度，使其能夠在自身橫向移位范圍內完成曲線段箱梁安裝。

本項目研發(fā)出的集機、電、液一體的自動化預制節(jié)段拼裝架橋機設備解決了在圓曲線半徑1 690 m上安裝70 m跨箱梁的3個關鍵技術難題：

圖3 平曲線半徑為1 690 m的橋機中矢距示意圖

1） 架橋機在T構懸拼、0號塊安裝、前懸掛、后懸掛、架橋機過跨等各種工況下，既確保了架橋機能在自身范圍內完成曲線段箱梁安裝，又能保證架橋各工序的銜接連貫性；

2）對稱懸拼和0號塊安裝時，架橋機由3個支點（前支腿、中支腿、后支腿）支撐，要同時橫向移動后支腿和前支腿才能達到架橋機軸線橫向預偏位，本架橋機實現(xiàn)了三點支撐的超靜定架橋機體系橫向移位；

3）解決了在小半徑曲線段箱梁邊跨懸掛安裝時，因箱梁與架橋機軸線的不重合，從而使得梁段對架橋機主桁架產(chǎn)生不均衡受力的偏載現(xiàn)象，同時架橋機前、中、后支腿橫向移動時可能存在的不同步性，對架橋機產(chǎn)生較大扭矩等不利于安全的問題。

2.3 空間扭曲箱梁短線法節(jié)段預制安裝控制技術

本工程與其他短線法工程預制階段施工控制的不同之處在于，第一聯(lián)及第三聯(lián)的緩和曲線段內均存在橫坡逐步變化的超高曲線段。以圖4中線段交點處橫線的坡度來擬合超高節(jié)段的橋面橫坡，新澆節(jié)段的頂面應為雙曲面。超高段節(jié)段預制時，新澆節(jié)段端模位置不動并使其與節(jié)段軸線垂直，在匹配節(jié)段匹配面頂?shù)闹悬c標高、平面位置調整到位后，以匹配節(jié)段匹配面頂?shù)闹悬c為基點，將匹配節(jié)段的匹配面橫向轉動傾角γ，見圖4（a）。為了使模板系統(tǒng)適應節(jié)段外形變化，必須按要求消除限制其扭轉的多余約束[2]。

高程控制點偏離其理論位置，將形成高程誤差和接縫面橫坡誤差△αi，如圖4（b）。值得注意的是，假定理論節(jié)段頂面為一個平面，若高程控制點誤差發(fā)展方向與圖中類似，則此時箱梁頂面成為一個翹曲的雙曲面，4個高程控制點很難恰巧處于同一個平面內。一旦節(jié)段預制后，由于節(jié)段幾何尺寸不可調，這種誤差可能使匹配節(jié)段控制點于調整后仍無法同時處于其理論位置上，對調整方案起到很大的約束作用。所有糾偏方法應考慮這種誤差帶來的不利影響。在實際施工過程中，節(jié)段預制后同時產(chǎn)生水平控制點誤差和高程控制點誤差。因此，節(jié)段空間位置的偏離將是以上兩種情況的耦合。

圖4 空間扭曲箱梁節(jié)段超高預制

考慮到廈漳跨海大橋空間扭曲箱梁的特殊性，對預制節(jié)段控制點誤差修正采用一種優(yōu)化調整方案，不在下一節(jié)段澆筑中一次修正，而是在之后若干個節(jié)段澆筑過程中，逐步加以修正。這種調整方案的目的是使誤差得到優(yōu)化（如圖5所示），使控制點位置在后續(xù)若干個節(jié)段澆筑后達到理論位置，并保證節(jié)段銜接光滑性[3]。

圖5 預制逐步修正法示意圖

在空間扭曲箱梁預制節(jié)段的安裝控制過程中，施工控制考慮了吊裝不平衡性的影響，做到精確匹配就位，同時，研究了采取措施控制克服偏重，確保成橋線形與設計線形吻合。最終使“T”構懸臂端標高方向誤差控制在10 mm內，安裝精度符合要求。選取實際N16號墩“T”構安裝誤差如圖6所示。

圖6 N16號墩“T”構安裝誤差圖

3 結語

節(jié)段預制拼裝是混凝土橋梁的工業(yè)化發(fā)展方向，與量大面廣的現(xiàn)澆混凝土梁橋相比，節(jié)段預制拼裝和體外預應力技術在我國應用還不普遍。其規(guī)模化、標準化的作業(yè)方式，要求精心管理、精心設計和精心施工。在廈漳大橋引橋的建設過程中，通過管理、設計、施工科研等各方的通力協(xié)作，因地制宜地對預制、運輸、拼裝過程及工藝進行了優(yōu)化，研究成果對于推動我國節(jié)段預制拼裝技術的進步起到了積極的作用。

[1] 葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 李惠生，張羅溪.曲線梁橋結構分析[M].北京：中國鐵道出版社，1992.

[3] 李建斌，楊慶中，石現(xiàn)峰.預應力混凝土曲線連續(xù)梁橋分階段施工的工程控制[J].石家莊鐵道學院學報，2001（1）：37-40.