空間索面斜拉橋?qū)挿炷林髁菏┕りP(guān)鍵技術(shù)

魏 星,黃劍飛

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.中交二航局第二工程有限公司,重慶 401121)

1 工程概況

水東灣大橋?yàn)殡p塔雙索面混凝土梁斜拉橋,三跨連續(xù)半漂浮體系,總長628m,橋跨布置為150m+328m+150m;主梁采用PK斷面,全寬35.8m,雙向6車道;主梁采用雙向預(yù)應(yīng)力體系,海工混凝土強(qiáng)度等級為C55;主梁中心線處梁高3.2m,邊箱底板寬8.9m,中間橋面板寬18m,橫橋向主梁底板水平,橋面設(shè)2%雙向橫坡;除27m的邊跨現(xiàn)澆段及合龍段外,其余節(jié)段均采用前支點(diǎn)掛籃懸澆,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長7m,橋型布置、橫斷面、三維構(gòu)造分別如圖1～3所示。

圖1 水東灣大橋橋型布置(單位:m)

圖2 主梁橫斷面(單位:cm)

圖3 主梁三維構(gòu)造

2 總體施工流程

主梁總體施工流程如圖4所示。

圖4 主梁總體施工流程

3 0號塊施工

3.1 0號塊支架

0號塊長18m,混凝土總方量為675m3,采用落地支架現(xiàn)澆施工,0號塊支架基礎(chǔ)位于承臺及塔座上,支架結(jié)構(gòu)主要由貝雷梁、分配梁、水平梁、立柱、附著、支撐牛腿等組成,0號塊支架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 0號塊現(xiàn)澆支架

3.2 0號塊施工

在0號塊支架上擱置裝配化底模支撐墊架,底模采用木模系統(tǒng),0號塊混凝土采用泵車一次澆筑成型,0號塊須預(yù)留前支點(diǎn)掛籃錨固孔。

3.3 塔梁固結(jié)

塔梁固結(jié)與0號塊同步施工,塔梁臨時固結(jié)的方式為在主梁內(nèi)側(cè)腹板位置下方的主墩下橫梁上分別澆筑4個C50臨時墊塊,臨時墊塊截面尺寸為150cm×160cm×150cm,每個臨時墊塊順橋向兩側(cè)各布置2排HRB400型φ32鋼筋,單排鋼筋共16根,單根長462cm,間距10cm,加工成“L”形,鋼筋上端錨入主梁,下端錨入下橫梁,臨時墊塊中間設(shè)置3cm厚夾電阻絲硫磺砂漿層,待全橋合龍后解除固結(jié)約束,用電流熔化硫黃砂漿層,將錨固筋割斷并鑿除移除臨時墊塊,使主梁落在永久支座上,塔梁固結(jié)如圖6所示。

圖6 塔梁固結(jié)

4 復(fù)合式前支點(diǎn)設(shè)計(jì)、安裝及預(yù)壓

4.1 復(fù)合式前支點(diǎn)掛籃構(gòu)造

前支點(diǎn)掛籃由主桁、承載平臺、牽索系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、操作平臺及預(yù)埋件系統(tǒng)等組成,總裝質(zhì)量330t,全橋共需4套掛籃;承載平臺是掛籃支承懸澆荷載及模板體系的主體結(jié)構(gòu);張拉機(jī)構(gòu)的功能是在掛籃懸澆施工時將斜拉索與掛籃連接起來形成前支點(diǎn),在懸澆完成后,將斜拉索與掛籃分離,實(shí)現(xiàn)索力轉(zhuǎn)換;行走系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掛籃空載前移功能;定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掛籃澆筑前的初定位及微調(diào)定位功能;掛籃錨固系統(tǒng)設(shè)置于已澆梁段上,與斜拉索協(xié)同受力共同承受懸澆梁段施工荷載;模板系統(tǒng)由底模及外模、內(nèi)腔模板及拱架、支撐等組成;工作平臺主要供施工人員往返,保證掛籃施工人員安全;前支點(diǎn)掛籃構(gòu)造如圖7所示。

圖7 前支點(diǎn)掛籃構(gòu)造

4.2 掛籃安裝

在塔區(qū)鋼平臺上組合拼裝掛籃,整體拼裝成型后,邊、中跨2套掛籃采用8臺TS200-250型連續(xù)千斤頂同步整體提升,監(jiān)控觀測控制提升相對高差在5cm以內(nèi)。提升到位后,轉(zhuǎn)換至掛籃自有提升系統(tǒng),拆除連續(xù)千斤頂,利用掛籃自有提升系統(tǒng)將掛籃提升至預(yù)定位置,調(diào)整模板,安裝中、后支點(diǎn),安裝止推機(jī)構(gòu),按設(shè)計(jì)要求預(yù)緊精軋螺紋鋼。

4.3 掛籃預(yù)壓

掛籃采用砂袋預(yù)壓,預(yù)壓荷載為1號節(jié)段施工組合荷載的1.2倍,分30%,70%,100%,120%共4級加載,消除掛籃的非彈性變形,并測量變形值大小,獲取掛籃彈性變形值與荷載間的線性關(guān)系,為主梁預(yù)拱度的設(shè)置提供立模依據(jù),確保主梁成橋后的整體線形及標(biāo)高符合設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證掛籃的實(shí)際承載能力及結(jié)構(gòu)安全性,掛籃預(yù)壓如圖8所示。

圖8 掛籃預(yù)壓

5 掛籃懸澆施工

5.1 掛籃行走

5.1.1三角桁架前移

1)施工節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉完成,將掛籃上索力轉(zhuǎn)換到已澆主梁上,進(jìn)行斜拉索“三張”,實(shí)現(xiàn)索力轉(zhuǎn)換,拆除張拉千斤頂。安裝三角桁架反壓梁,安裝牽引千斤頂系統(tǒng),拆除三角桁架后錨,三角桁架在牽引力作用下前移,前移到位后進(jìn)行錨固,三角桁架前移如圖9所示。

圖9 三角桁架前移

2)安全注意事項(xiàng)。檢查確認(rèn)三角桁架前移方向無阻擋;反壓滾輪注油保養(yǎng),能自由轉(zhuǎn)動;反壓滾輪安裝到位,防傾覆精軋螺紋鋼撐桿與混凝土面距離≤50mm;在三角桁架兩側(cè)對稱牽引前移,及時調(diào)整反壓滾輪位置防傾覆;三角桁架到位后,錨固鎖緊φ40精軋螺紋后錨,單根預(yù)緊力200kN;4臺穿心千斤頂同步下放拱架,累計(jì)同步性誤差≤50mm,單行程20cm,下放總高度340cm,共17個行程。

5.1.2掛籃下放

1)依次拆除掛籃主縱梁后錨、中橫梁錨固、后支點(diǎn)、止推機(jī)構(gòu);采用掛籃前錨桿組與前吊點(diǎn)下放掛籃;掛籃下放1.5m,下放過程中保證各吊點(diǎn)受力均勻,掛籃整體下放如圖10所示。

圖10 掛籃整體下放

2)安全注意事項(xiàng)。三角桁架前吊點(diǎn)行走滑靴就位,精軋螺紋鋼并鎖緊錨固受力均勻;對稱同步卸載并拆除中橫梁錨固,將精軋螺紋鋼吊放至橋面;全面檢查確認(rèn)掛籃下放空間范圍內(nèi)無干涉、無阻擋;主縱梁前錨桿組及三角桁架前吊點(diǎn)共4個吊點(diǎn)整體下放掛籃,所有吊點(diǎn)2臺千斤頂均由1臺油泵集中控制;空載試運(yùn)轉(zhuǎn)下放系統(tǒng)管路及電路工作正常;各吊點(diǎn)下放同步性累積誤差控制在50mm以內(nèi),在精軋螺紋鋼上標(biāo)識刻度尺量控制,尺量檢查4個吊點(diǎn)累計(jì)下放高度的同步性;掛籃下放到位后調(diào)整對位安裝前、后行走系統(tǒng)鋼吊帶,將精軋螺紋鋼卸載轉(zhuǎn)換為鋼吊帶受力;后行走系統(tǒng)精軋螺紋鋼錨固預(yù)緊,單根預(yù)緊力200kN,安裝錨固支座及拉桿。

5.1.3掛籃行走

1)安裝前行走滑靴鋼吊帶,安裝后行走小車并預(yù)緊;拆除掛籃前錨桿組;安裝千斤頂牽引系統(tǒng);各牽引點(diǎn)同步啟動進(jìn)行掛籃前移,掛籃行走如圖11所示。

圖11 掛籃行走

2)安全注意事項(xiàng)。拆除主縱梁前、后錨桿組,將精軋螺紋鋼上提放置在橋面;拆除后支點(diǎn)錨固支座放置在掛籃主縱梁上固定,回縮后支點(diǎn)螺桿;檢查滑靴與三角桁架主梁接觸面整潔無渣物且表面均勻涂抹黃油潤滑良好;后行走滾輪注油保養(yǎng),轉(zhuǎn)動自由;全面檢查確認(rèn)所有行走干涉全部解除,掛籃前移方向無阻擋;掛籃由三角桁架2臺50t千斤頂、后行走系統(tǒng)2臺20t千斤頂同步工作牽引前移,各點(diǎn)累積誤差≤50mm,單個行程前移25cm;后行走系統(tǒng)軌道尾部須安裝限位擋板,防止行走車架與軌道脫空。

5.1.4掛籃提升

1)掛籃行走到位后,安裝三角桁架前吊點(diǎn)錨桿組,拆除前吊點(diǎn)鋼吊帶,安裝主縱梁前錨桿組,拆除后行走小車,采用主縱梁前錨桿組和三角桁架前吊點(diǎn)提升掛籃,4個提升點(diǎn)同步進(jìn)行,受力均勻,掛籃提升如圖12所示。

圖12 掛籃提升

2)安全注意事項(xiàng)。全面檢查掛籃錨桿組預(yù)留孔洞的平面位置及垂直度,平面偏差≤10mm,不垂直度誤差≤5mm;橋面精軋螺紋鋼錨固墊板范圍內(nèi)采用鋼板或M50砂漿找平消除承壓面縱橫坡度及不平整度,平整度誤差<1mm,調(diào)平層厚度<3cm;掛籃行走到位并經(jīng)測量復(fù)核后,安裝主縱梁前錨桿組及主桁前吊點(diǎn)錨桿組作為掛籃整體提升吊點(diǎn);全面檢查確認(rèn)掛籃提升空間范圍內(nèi)無干涉、無阻擋;掛籃提升單個行程15cm,提升直至邊箱室斜底模后端貼合已澆混凝土,千斤頂油表壓力保持穩(wěn)定在提升狀態(tài),提升同步性累積誤差控制在50mm以內(nèi);安裝中橫梁錨桿組并鎖緊螺母,頂升千斤頂直至邊箱室水平底模后端貼合已澆混凝土,千斤頂油表壓力保持穩(wěn)定在提升狀態(tài)。

5.1.5掛籃錨固

1)掛籃提升到位,復(fù)測并調(diào)整掛籃軸線,安裝后支點(diǎn),與前吊點(diǎn)共同調(diào)整掛籃標(biāo)高。標(biāo)高調(diào)整到位,依次安裝并預(yù)緊主縱梁后錨桿組、止推機(jī)構(gòu)、中橫梁錨桿組、主縱梁前錨桿組,掛籃后支點(diǎn)及止推機(jī)構(gòu)如圖13所示。

圖13 掛籃后支點(diǎn)及止推機(jī)構(gòu)

2)安全注意事項(xiàng)。根據(jù)監(jiān)控指令用三角桁架吊點(diǎn)調(diào)整掛籃模板標(biāo)高,測量全程跟蹤控制,調(diào)整過程中嚴(yán)密監(jiān)測前吊點(diǎn)千斤頂油表讀數(shù),出現(xiàn)異常立即停止作業(yè);安裝后支點(diǎn)錨固支座,預(yù)緊φ40精軋螺紋鋼(單根鋼預(yù)緊力300kN),后支點(diǎn)千斤頂頂升直至后支點(diǎn)球鉸支座頂面頂緊錨固支座底面,鎖緊螺母;提升并預(yù)緊主縱梁前錨桿組(單根預(yù)緊力300kN)、中橫梁錨桿組(單根預(yù)緊力500kN);安裝并預(yù)緊主縱梁后錨桿組(單根預(yù)緊力300kN);安裝止推機(jī)構(gòu),安裝止推座及其φ40精軋螺紋鋼,將止推座提升至梁底預(yù)留5mm間隙,頂升止推機(jī)構(gòu)5t千斤頂,確保止推座抗剪柱貼緊預(yù)埋件后端,迫使止推螺桿頂緊主縱梁反力座,旋緊止推螺母密貼止推座,預(yù)緊止推座精軋螺紋鋼(單根預(yù)緊力300kN);整體提升拱架3.4m,拱架模板后端密貼已澆梁段,前端標(biāo)高根據(jù)監(jiān)控指令測量調(diào)整。

5.1.6張拉機(jī)構(gòu)定位

張拉機(jī)構(gòu)由前支點(diǎn)調(diào)節(jié)支座、張拉分配梁、滑塊、張拉桿和精軋螺紋鋼筋組成,張拉機(jī)構(gòu)如圖14所示。前支點(diǎn)調(diào)節(jié)支座與分配梁間采用銷軸連接,能調(diào)整張拉桿縱橋向角度,張拉分配梁上設(shè)置了滑塊,用于調(diào)整張拉桿橫橋向角度,張拉千斤頂通過撐腳固定在滑塊上。因而該牽索系統(tǒng)可調(diào)整以適應(yīng)各節(jié)段斜拉索空間角度的變化。精軋螺紋鋼筋用于固定前支點(diǎn)調(diào)節(jié)支座,張拉產(chǎn)生的沿主縱梁頭部斜面方向的分力由其來承受。掛籃錨固后,張拉機(jī)構(gòu)采用液壓千斤頂定位,先豎向定位,再橫向定位,定位后鎖死精軋螺紋鋼螺母,防止移位。

圖14 掛籃張拉機(jī)構(gòu)

5.2 掛索

索上橋面后進(jìn)行展索,先塔端入錨,采用塔式起重機(jī)或塔頂門架卷揚(yáng)機(jī)提升斜拉索錨頭,塔內(nèi)卷揚(yáng)機(jī)配合牽引將斜拉索錨頭穿入索導(dǎo)管并錨固于塔內(nèi)鋼錨梁上,塔端牽引入錨如圖15所示;梁端壓錨時,在掛籃前端設(shè)置卷揚(yáng)機(jī)滑車組,汽車式起重機(jī)配合牽引入錨,梁端牽引壓錨如圖16所示。

圖15 塔端牽引入錨

圖16 梁端牽引壓錨

5.3 斜拉索張拉

斜拉索張拉包括初張、二張、三張及全橋索力調(diào)整;掛籃行走到位錨固后,掛索后進(jìn)行第1次張拉,一張主要為掛籃前端立模調(diào)整標(biāo)高、以標(biāo)高控制為主,第1次張拉30%;第2次張拉在梁段混凝土對稱懸澆至50%時進(jìn)行,二張以標(biāo)高控制為主、索力控制為輔,第二次張拉70%,二張完畢后繼續(xù)澆筑梁段剩余混凝土,混凝土必須控制在整個梁段全部澆筑完畢后才允許初凝,因此混凝土初凝時間不得小于澆筑時間和二張時間之和;梁段混凝土澆筑完成且混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%、彈性模量達(dá)到80%且養(yǎng)護(hù)7d,且預(yù)應(yīng)力張拉完畢后進(jìn)行斜拉索索力轉(zhuǎn)換,索力轉(zhuǎn)換完成后在塔端進(jìn)行第3次張拉,三張以索力控制為主、標(biāo)高控制為輔,斜拉索塔端張拉如圖17所示。

圖17 斜拉索塔端張拉

5.4 主梁鋼筋混凝土施工

斜拉索初張完成后,進(jìn)行主梁鋼筋、模板混凝土施工,為提高施工效率,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段橫梁鋼筋、內(nèi)模裝配化施工,橫梁鋼筋、內(nèi)模在已澆節(jié)段上進(jìn)行組拼,成型后整體吊裝。

澆筑順序?yàn)楦拱?或橫隔板)→底板→腹板→頂板。先澆筑腹板,底板混凝土由內(nèi)模頂部窗口入模,面板混凝土由兩側(cè)翼緣板邊緣向中間相向靠攏澆筑,梁段混凝土由前端向后澆筑,最后在梁段根部與已澆筑梁段接合,混凝土澆筑順序如圖18所示。

圖18 混凝土澆筑順序

6 邊跨現(xiàn)澆段施工

6.1 施工概述

邊跨B18a現(xiàn)澆段長27m,梁段斜拉索索距為4.4m,共設(shè)計(jì)有6對斜拉索,C55海工混凝土方量為2 700m3,邊跨現(xiàn)澆段三維模型如圖19所示。

圖19 邊跨現(xiàn)澆段三維模型

6.2 現(xiàn)澆支架及預(yù)壓

邊跨現(xiàn)澆段采用水中支架施工,支架預(yù)壓荷載取施工荷載的1.05倍,采用水袋預(yù)壓,現(xiàn)澆支架如圖20所示。

圖20 現(xiàn)澆支架及預(yù)壓

6.3 梁體錨固區(qū)定位

邊跨現(xiàn)澆段施工須精確定位預(yù)埋斜拉索梁端索導(dǎo)管,通過三維建模干涉分析,墊架三維模型如圖21所示,分組加工制作錨固區(qū)異形墊架,現(xiàn)場裝配化安裝,基于墊架可準(zhǔn)確安裝錨固區(qū)模板,并精確定位索導(dǎo)管,錨固區(qū)及索導(dǎo)管定位如圖22所示。

圖21 墊架三維模型

圖22 錨固區(qū)及索導(dǎo)管定位

6.4 現(xiàn)澆施工

邊跨現(xiàn)澆段分2層進(jìn)行施工,第1層施工完成后,待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后對混凝土表面進(jìn)行鑿毛,鑿毛完成后將表面的雜物清除干凈,綁扎第2層鋼筋、橫向預(yù)應(yīng)力、安裝縱向預(yù)應(yīng)力管道,澆筑混凝土,混凝土采用2臺泵車澆筑。

7 合龍段施工

1)邊跨和中跨合龍段長度均為2m,先邊跨合龍?jiān)僦锌绾淆?邊跨合龍利用掛籃和邊跨現(xiàn)澆支架作為支撐結(jié)構(gòu),中跨合龍利用掛籃作為支撐結(jié)構(gòu)。

2)配重設(shè)置。合龍時采用水箱配重;邊跨合龍段設(shè)計(jì)梁段長2m,混凝土方量為80.5m3,梁段重209t,邊跨合龍段配重設(shè)置在懸臂側(cè),配重為209÷2=104.5t; 中跨合龍段混凝土方量為47m3,梁段重122t。中跨合龍段配重設(shè)置在懸臂端兩側(cè),每側(cè)配重為122÷2=61t,邊跨合龍配重如圖23所示;合龍過程中根據(jù)監(jiān)控單位提供的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場施工情況,適當(dāng)調(diào)整配重。

圖23 邊跨合龍配重示意

3)勁性骨架安裝鎖定。合龍段施工時,為了使兩邊梁體盡可能協(xié)調(diào)變形,保證混凝土接合順暢以及為保證兩邊梁段穩(wěn)定,在合龍段兩邊梁端的頂板、腹板、底板設(shè)置了12組2m長I30a,通過與預(yù)埋在兩邊梁端的預(yù)埋件焊接在一起,起到剛性連接作用,勁性骨架如圖24所示。邊跨合龍段勁性骨架鎖定前解除過渡墩支座臨時限位;中跨合龍段勁性骨架鎖定后,解除主塔與主梁間的臨時固結(jié)裝置,割除臨時固結(jié)墩周圍的鋼筋及頂面的型鋼,完成體系轉(zhuǎn)換。

圖24 勁性骨架

4)合龍段現(xiàn)澆施工。合龍段鋼筋、預(yù)應(yīng)力安裝完成驗(yàn)收合格后,澆筑合龍段微膨脹混凝土,澆筑過程中,按新澆筑混凝土質(zhì)量分級卸去平衡重。合龍段混凝土選擇在1天中氣溫最低時進(jìn)行澆筑,可保證合龍段新澆筑混凝土處于氣溫上升的環(huán)境中,在受壓狀態(tài)下達(dá)到終凝,以防混凝土開裂。

8 二期恒載鋪設(shè)及索力調(diào)整

主梁合龍后,拆除邊跨現(xiàn)澆段支架、邊跨掛籃、中跨掛籃,進(jìn)行二期恒載鋪設(shè),二期恒載包括護(hù)欄、瀝青混凝土面層、照明、監(jiān)控等設(shè)施自重。

二期恒載鋪設(shè)完成后,監(jiān)控單位對斜拉索索力及橋面標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測,借助大型通用有限元計(jì)算程序MIDAS建立的有限元計(jì)算模型,通過模型設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對斜拉索索力進(jìn)行調(diào)整,使實(shí)際索力趨于設(shè)計(jì)期望值,使橋梁整體線形接近最終的設(shè)計(jì)恒載線形。通過分析,鋪裝后全橋?qū)崪y索力與理論索力擬合較好,實(shí)測索力滿足JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》及《省道280線水東灣大橋主橋施工監(jiān)控實(shí)施方案》等的要求,無須進(jìn)行索力調(diào)整。主橋線形及索力分析如圖25～27所示。

圖25 二期恒載鋪裝后主橋總體線形示意

圖26 二期恒載鋪裝后西塔實(shí)測與理論索力對比

圖27 二期恒載鋪裝后東塔實(shí)測與理論索力對比

9 結(jié)語

空間索面斜拉橋?qū)挿炷亮菏┕すに噺?fù)雜,安全風(fēng)險高,通過技術(shù)創(chuàng)新,研發(fā)了復(fù)合式前支點(diǎn)掛籃進(jìn)行主梁懸澆支撐體系,采用連續(xù)千斤頂整體提升方法安裝掛籃,大大縮短混凝土梁施工周期,降低安全風(fēng)險;研發(fā)了具有極強(qiáng)適應(yīng)性的前支點(diǎn)掛籃張拉機(jī)構(gòu),解決了梁端錨固點(diǎn)定位難題;通過工藝優(yōu)化,邊跨現(xiàn)澆段采用裝配式支撐墊架,確保了梁段錨固區(qū)及索導(dǎo)管的精確定位。通過上述技術(shù)攻關(guān),最終保質(zhì)保量按期完成水東灣大橋建設(shè),對類似工程項(xiàng)目具有較高的推廣價值。