高墩超小半徑剛構(gòu)橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

駱宏勛,龍曙東,潘世強(qiáng)

(1.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410003；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

目前我國高速公路建設(shè)已經(jīng)由平原微丘地區(qū)向西部山嶺地區(qū)延伸，曲線梁橋無疑在山區(qū)高速公路建設(shè)中占據(jù)著重要地位。山區(qū)地形包括眾多深溝峽谷，地形特點(diǎn)為山高、溝深、坡陡，由于空間所限，小半徑彎梁橋比大半徑彎梁橋更能滿足嚴(yán)格的道路線形、美學(xué)、經(jīng)濟(jì)性等要求。因此，所修建互通立交匝道橋梁常常集高墩、小半徑曲線于一體，使得施工面臨較大的困難，所以對山區(qū)曲線梁橋施工方法的研究成為一個值得研究而且未來應(yīng)用廣泛的課題。本文背景工程某地互通匝道橋?yàn)橐蛔叨粘“霃竭B續(xù)剛構(gòu)橋，橋墩高達(dá)60 m以上，并位于半徑僅60 m的曲線上。較高的墩身高度、超小半徑上部結(jié)構(gòu)、較大的橋面縱橫坡、較大的梁體自重等特點(diǎn)使得本工程成為一個技術(shù)難度極高的重難點(diǎn)工程。涉及的很多工程問題都無法通過國內(nèi)外已有的研究成果找到答案，因此有必要對本次施工過程進(jìn)行嚴(yán)格的安全計(jì)算與加載實(shí)驗(yàn)，為科學(xué)施工提供可靠且安全的技術(shù)支持。

1 工程簡介

某中西部地區(qū)高速公路互通A匝道橋共兩聯(lián)，其右幅為一座四跨26.9+2×27+26.3 m的連續(xù)剛構(gòu)橋，路線中心處箱梁梁高2.0 m，橋?qū)?.5 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土等截面單箱雙室連續(xù)箱梁，橋墩采用薄壁墩，墩高60 m，橋面設(shè)置7%的橫坡。其具體布置圖與典型橫斷面見圖1與圖2。

圖1 背景匝道橋平面布置圖

圖2 典型箱梁橫斷面

2 研究思路

2.1 重難點(diǎn)分析

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，該橋采用現(xiàn)澆施工具有以下難點(diǎn)：

a.背景匝道橋墩較高，周圍地形復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)高。普通的滿堂支架或者立柱式支架已經(jīng)不能滿足工程要求。必須設(shè)計(jì)出一種新式的托架結(jié)構(gòu)與其相配套的施工流程，提高施工質(zhì)量、效率與安全性。

b.托架作為整個支架受力的關(guān)鍵部位，其設(shè)計(jì)承載能力要求較高，托架必須保證有足夠的安全系數(shù)。

c.支架系統(tǒng)若不進(jìn)行預(yù)先處理，支架在施工過程中可能發(fā)生形變，從而影響施工質(zhì)量與安全。因此結(jié)合支架設(shè)計(jì)選型的前提下，快速高效地對托架進(jìn)行承載能力評估，了解支架系統(tǒng)的剛度特征是該研究的關(guān)鍵。

2.2 解決思路

a.預(yù)先將錨板固定于橋墩上，其上安裝三角形牛腿，牛腿主要承受施工時的豎向荷載。牛腿頂部通過分配梁使各貝雷梁受力均勻，解決承載能力不足的問題。同時采用易于拼裝的標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁承受施工荷載，標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁拼裝簡單，承載能力較強(qiáng)，能用塔吊很方便地進(jìn)行吊裝與固定，同時拆卸方便，能大大縮短安裝支架所使用的時間。

b.采用與施工相匹配的托架設(shè)計(jì)，計(jì)算分析托架各個階段最不利工況，應(yīng)用Midas有限元軟件對該設(shè)計(jì)的安全性與合理性進(jìn)行校核，解決設(shè)計(jì)上的安全和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)問題。同時利用反力架結(jié)構(gòu)對托架進(jìn)行預(yù)壓，保證托架結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度。

c.建立支架系統(tǒng)受力監(jiān)控機(jī)制，通過施工前優(yōu)化設(shè)計(jì)，做好預(yù)防措施。支架系統(tǒng)在施工之前進(jìn)行預(yù)壓，利用傳感器嚴(yán)格監(jiān)控支架系統(tǒng)變形情況，保證施工階段的安全性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝

梁式懸空支架法的主要施工工序?yàn)椋侯A(yù)埋錨板施工→托架施工→砂筒及橫梁施工→貝雷架吊裝施工→模板系統(tǒng)施工→預(yù)壓施工→模板設(shè)計(jì)標(biāo)高的設(shè)定→鋼筋施工→穿預(yù)應(yīng)力束→混凝土澆筑→預(yù)應(yīng)力張拉施工→管道壓漿→封錨施工→托架及貝雷架拆除。

3.2 預(yù)埋錨板施工

根據(jù)托架設(shè)計(jì)圖精確計(jì)算出每塊預(yù)埋錨板的位置。現(xiàn)場由測量人員準(zhǔn)確測出位置點(diǎn)的標(biāo)高，由現(xiàn)場標(biāo)高交底定出錨板預(yù)埋的位置并采用紅油漆筆標(biāo)記出錨板預(yù)埋位置。

托架錨板預(yù)埋時必須確保大小里程側(cè)的錨板處在同一軸線上，同側(cè)的錨板中軸線必須重合，上下層的錨板中對中間距必須保持一致。所有錨板預(yù)埋時必須與墩身模板緊貼，錨板的錨筋必須與墩身內(nèi)的主筋固定，并在錨筋位置處增加3層鋼筋網(wǎng)片。上層錨板孔眼在大小里程側(cè)必須對齊，并穿通長φ60PVC管，PVC管每隔50 cm采用“井”字鋼筋卡固定，同時在澆筑混凝土?xí)rPVC管內(nèi)再套1根Φ42普通鋼管內(nèi)襯，在拆除模板后再取出鋼管,見圖3。

圖3 預(yù)埋錨板大樣圖

在預(yù)埋錨板與墩身主筋相沖突時，可適當(dāng)調(diào)整墩身主筋的位置，確保錨板預(yù)埋位置無誤。錨板橫向最大偏差為±2 cm，縱向最大偏差為±1 cm。

3.3 托架施工技術(shù)

牛腿采用如圖4所示的三角形結(jié)構(gòu)，主要用來承受上部荷載傳遞下來的荷載P，單片三角牛腿所受的最大豎向力P=1 286.9 kN。牛腿采用焊接施工成型，并采用錨固螺栓錨固在橋墩上，并應(yīng)滿足如下要求：

a.牛腿水平向H型鋼腹板與縱梁外連接鋼板全部焊接；

b.單根10.9級高強(qiáng)鋼對拉桿預(yù)拉力不大于100 kN；

c.三角板采用焊縫連接時，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶砑訖M向橫隔板，保證整體的穩(wěn)定性，不至于引起局部失穩(wěn)，另外在三角板兩個角尖處，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)其構(gòu)造措施，避免過大的應(yīng)力集中，引起三角板局部破環(huán)。

圖4 托架示意圖

3.4 反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證托架在施工荷載下的可靠性，特設(shè)計(jì)了如圖5所示的反力架結(jié)構(gòu)。反力架結(jié)構(gòu)主要由槽鋼C40c組成。實(shí)際加載時，反力架的前端位于托架縱梁前端，通過液壓千斤頂施加反力達(dá)到對托架預(yù)壓目的。其反力架承受的反力主要為千斤頂反力，反力大小為1 668 kN；反力架后端通過4排Φ40精軋螺紋鋼筋錨固于墩身內(nèi)，每排兩根合計(jì)8根精軋螺紋鋼筋。

圖5 反力架加載示意圖

3.5 支架預(yù)壓技術(shù)

為了消除支架與支架間、支架與方木間、托架與支架間的非彈性變形，以及測量出支架的彈性變形值，保證箱梁的線形及標(biāo)高，需要對支架進(jìn)行預(yù)壓。在本次施工過程中，支架預(yù)壓主要分以下兩個部分進(jìn)行。

a.三角托架預(yù)壓。

對墩頂托架加載預(yù)壓主要檢驗(yàn)托架的安全承載力。三角托架采用反力架支承預(yù)壓，通過液壓千斤頂對同墩兩側(cè)的墩頂托架施加反力來實(shí)現(xiàn)加載，其反力值取所有三角托架的最大設(shè)計(jì)反力。按支點(diǎn)受力施加反力，每個墩身的多榀三角托架從內(nèi)側(cè)往外，前后對稱逐組進(jìn)行，共分四級加載，各級加載重量及間隔時間如表1所示。

表1 跨現(xiàn)澆箱梁施工三角托架分級加載和卸載重量表Table 1 Weight table for graded loading and unloading of triangular brackets for cast-in-situ box girder construction分級加載值/t持荷載時間/min加載前(0)0—第一級(50%)62.83第二級(80%)100.53 第三級(100%)125.65 第四級(120%)150.75卸載 0—

b.貝雷桁架預(yù)壓。

貝雷桁架先進(jìn)行地面模擬預(yù)壓；貝雷桁架跨徑分內(nèi)外側(cè)，內(nèi)側(cè)跨徑為18.2 m，外側(cè)跨徑21.3 m，桁架寬度9.9 m。加載荷載重為該跨箱梁設(shè)計(jì)荷載的1.2倍。加載時在鋪裝好的竹膠板面上劃分腹板、底板及橫隔板區(qū)域，加載材料采用成捆鋼筋，加載分四級進(jìn)行，每級加載完后均需持荷作用，各級加載重量及持荷時間如表2所示。

表2 現(xiàn)澆箱梁施工貝雷桁架分級加載和卸載重量表Table 2 Weight table for graded loading and unloading of bailey truss in cast-in-situ box girder construc-tion分級加載值/t持荷載時間/h加載前(0)0—第一級(50%)321.5012第二級(80%)514.4012 第三級(100%)643.0124 第四級(120%)771.6148卸載 0—

3.6 施工監(jiān)控技術(shù)

3.6.1監(jiān)測測點(diǎn)布置

為保證施工的安全進(jìn)行，布置牛腿三角架應(yīng)力、貝雷梁應(yīng)力監(jiān)測以及混凝土的應(yīng)變測點(diǎn)。另外現(xiàn)場布置無線綜合智能采集系統(tǒng)。根據(jù)施工進(jìn)度開展橋梁的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測工作。各項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容與測點(diǎn)布置如下：

a.混凝土應(yīng)變監(jiān)測，主要監(jiān)測混凝土的應(yīng)變變化情況。為及時準(zhǔn)確獲取混凝土的應(yīng)變變化情況，特在箱梁1/4跨底板處布置混凝土應(yīng)變計(jì)，通過儀器記錄每天混凝土應(yīng)變的變化情況。

b.牛腿三角架應(yīng)力監(jiān)測，主要在牛腿上布置測點(diǎn)，在一聯(lián)一側(cè)所有牛腿均布置表面應(yīng)變計(jì)。具體示意圖見圖6。

c.貝雷梁應(yīng)力監(jiān)測，主要監(jiān)測施工過程中貝雷梁的應(yīng)力變化情況。貝雷梁應(yīng)變計(jì)布置情況如圖7。

圖6 牛腿應(yīng)變計(jì)布置圖

d.貝雷梁撓度監(jiān)測，主要在1/2跨，1/4跨，墩頂處設(shè)置位移測點(diǎn)。

3.6.2監(jiān)測結(jié)果

a.施工節(jié)點(diǎn)。本橋共分兩次澆筑成型，于2015年12月16日第一次澆筑，2016年1月4日第二次澆筑，2016年1月13日進(jìn)行鋼絞線張拉工作，2016年1月15日開始進(jìn)行支架拆除工作。

b.混凝土應(yīng)變監(jiān)測。測點(diǎn)在第一次澆筑后表現(xiàn)為受拉，第二次澆筑后應(yīng)力明顯增大，拉應(yīng)變值增至130με，對應(yīng)的拉應(yīng)力為4.49 MPa，超過規(guī)范限值。該測點(diǎn)拉應(yīng)力明顯偏大，建議施工單位檢查該位置是否出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象。后經(jīng)現(xiàn)場核查，未見混凝土開裂問題,見圖8。

圖7 貝雷梁應(yīng)變計(jì)布置圖

圖8 混凝土應(yīng)變隨時間變化曲線

c.三腳架應(yīng)力監(jiān)測。鋼結(jié)構(gòu)三角架受力變化范圍為-9.7～13.9 MPa，均小于16 Mn鋼容許應(yīng)力273 MPa，在合理的范圍，三角架結(jié)構(gòu)安全可靠。其中第一次澆筑時應(yīng)力變化幅度較大，第二次澆筑時應(yīng)力變化幅度較小,見圖9。

圖9 鋼結(jié)構(gòu)三角架應(yīng)力隨時間變化曲線

d.貝雷梁應(yīng)力監(jiān)測。貝雷梁在整個施工過程中應(yīng)力最大值為76 MPa，小于16 Mn鋼容許應(yīng)力273 MPa，均在合理的范圍之內(nèi)，貝雷梁托架結(jié)構(gòu)安全。由圖10我們可以發(fā)現(xiàn)，第一次澆筑應(yīng)力變化幅度較大，之后應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，第二次澆筑應(yīng)力幅度變化較小，這說明貝雷梁主要承受第一次澆筑的荷載作用。在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉之后，貝雷梁應(yīng)力均出現(xiàn)了小幅下降,見圖10。

(a) 1/4跨底部應(yīng)力變化曲線

e.貝雷梁撓度。貝雷梁撓度最大為14.2 mm(去除奇異點(diǎn))，規(guī)范容許值53.3 mm，滿足規(guī)范要求，貝雷梁托架結(jié)構(gòu)安全。貝雷梁撓度主要是由第一次澆筑引起，第二次澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力、拆除支架對位移影響較小，見圖11。

圖11 測點(diǎn)撓度隨時間變化曲線

4 結(jié)語

a.背景匝道橋?qū)儆诟叨粘“霃綐蛄海┕わL(fēng)險(xiǎn)高，本工法采用在橋墩上預(yù)埋鋼板并安置托架的方法，克服了傳統(tǒng)滿堂支架施工不能應(yīng)用于高墩的情況，大大減小了支架的數(shù)量，節(jié)約了施工設(shè)備與人工費(fèi)用。

b.混凝土的澆筑對貝雷梁及三角架鋼結(jié)構(gòu)具有明顯的沖擊作用，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)施工管理。

c.第一次混凝土澆筑后3 d即產(chǎn)生混凝土的收縮，為了減少混凝土因收縮產(chǎn)生裂縫，建議下階段應(yīng)及早實(shí)施混凝土的養(yǎng)護(hù)工作，確保混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量；第二次混凝土澆筑貝雷梁托架及三角支架應(yīng)力水平均有提升，但提升幅度不大；同時第二次混凝土澆筑時的貝雷梁托架及三角支架應(yīng)力水平峰值基本都小于第一次澆筑的峰值。

d.鋼絞線的張拉結(jié)束后，牛腿三角架以及貝雷梁托架受力明顯降低；砂箱放空，底模拆除后牛腿三角架及貝雷梁托架受力卸載明顯；混凝土拉壓狀態(tài)分異明顯。

e.為了消除支架與支架間、支架與方木間，以及測量出支架的彈性變形值。在本工程中，對整個支架系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)壓實(shí)驗(yàn)與施工監(jiān)測。結(jié)果表明：支架變形均在規(guī)范容許范圍內(nèi)，能滿足箱梁澆筑的安全要求。