自錨式懸索橋鋼箱梁頂升施工質(zhì)量控制探討

朱耀博

(山西路橋第八工程有限公司,山西 運(yùn)城 044000)

0 引 言

自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)體系主要將主纜錨固于自身加勁梁之上,主纜水平壓力由加勁梁承擔(dān),可免去設(shè)置巨大錨錠的施工環(huán)節(jié),簡(jiǎn)化懸索橋受力結(jié)構(gòu),近年來(lái),該橋型在國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。就施工方法而言,自錨式懸索橋主纜錨固在加勁梁之上,故必須先施工主梁,再施工主纜及吊索等結(jié)構(gòu),對(duì)施工工序有較高要求。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已建大型自錨式懸索橋主梁施工幾乎都是采用頂升技術(shù),該技術(shù)最早應(yīng)用于混凝土連續(xù)梁橋施工,因具有施工快速、過(guò)程簡(jiǎn)便、受力明確等優(yōu)勢(shì),逐漸在連續(xù)梁以外的懸索橋、斜拉橋、鋼橋、拱橋中得到推廣應(yīng)用。隨著施工機(jī)械的發(fā)展及施工水平的提升,鋼材料在橋梁結(jié)構(gòu)中日益廣泛的應(yīng)用,頂升施工技術(shù)必將在各類加勁梁橋中迎來(lái)廣闊的應(yīng)用空間。

1 工程概況

一高速公路跨河大橋長(zhǎng)1 577 m,西岸邊跨為8 m×65 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱型連續(xù)梁,主橋?yàn)?0+132+328+132+70 m自錨式鋼箱梁懸索橋,東岸邊跨為5 m×65 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱型連續(xù)梁。該雙塔自錨式全鋼箱梁懸索橋跨度較大,主孔、邊孔、次邊孔跨徑分別為328 m、132 m和70 m;成橋后中跨、邊跨矢跨比為1/5和1/10.6。加勁梁按照單箱五室扁平閉口鋼箱梁設(shè)計(jì),橋面板采用正交異性板;中心處梁高3.5 m,寬35 m,寬高比為9.722/1;鋼箱梁上主纜和吊索中心距為25 m。吊索采用上下銷接方式連接主纜,鋼箱梁上吊索通過(guò)錨拉板和銷接形式錨固;錨拉板焊接于橫隔板處,并增設(shè)橫縱向加勁板,避免錨拉板被拉斷。鑒于該鋼箱梁所采取的連接方式,在橋梁架設(shè)時(shí)必須采用鋼箱梁整體頂升技術(shù)完成吊桿安裝[1]。

在橋梁施工期間,為保證正常通航,必須在考慮標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁重量的基礎(chǔ)上,采用多點(diǎn)連續(xù)頂升技術(shù)使鋼箱加勁梁就位。為保證鋼箱梁頂升施工的安全性,全橋共設(shè)置6個(gè)臨時(shí)墩,依次編號(hào)為L(zhǎng)SD1～LSD6。結(jié)合滑道設(shè)置情況,還沿橫橋向以22.8 m的中心距布設(shè)了2個(gè)臨時(shí)墩,每個(gè)臨時(shí)墩設(shè)置4根φ1.5 m鉆孔樁基礎(chǔ),并通過(guò)4根φ1 200×12 mm鋼管接長(zhǎng)至設(shè)計(jì)標(biāo)高,借助節(jié)點(diǎn)板和型鋼連接4根鋼管樁以形成共同受力的整體結(jié)構(gòu)。

2 體系轉(zhuǎn)換

橋梁結(jié)構(gòu)分段施工必然面臨結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換,在體系轉(zhuǎn)換前后橋梁結(jié)構(gòu)必將表現(xiàn)出不同的受力特點(diǎn)及變形特征,并最終轉(zhuǎn)化成成橋穩(wěn)定狀態(tài)。自錨式懸索橋因結(jié)構(gòu)特殊,上部結(jié)構(gòu)的施工必須按照頂升、支架現(xiàn)澆或分段預(yù)制吊裝等技術(shù)施工加勁梁,等完成主塔施工后架設(shè)主纜、鋪設(shè)貓道、安裝吊桿,確保全橋體系轉(zhuǎn)換順利完成。結(jié)合國(guó)內(nèi)外成功案例,該自錨式懸索橋從空纜向成橋狀態(tài)的體系轉(zhuǎn)換,應(yīng)采用頂升鋼箱梁,安裝無(wú)應(yīng)力吊桿,落梁及吊桿受力形成體系的施工方案。

待其鋼箱梁全部按照成橋線型標(biāo)高頂升就位后,起頂328 m主跨臨時(shí)墩上所預(yù)先設(shè)置的頂升滑道,使中跨鋼箱梁全部豎向起頂1.5 m,同時(shí)安裝吊桿。依次在各梁段落梁至設(shè)計(jì)標(biāo)高,確保原來(lái)由臨時(shí)墩所承受的鋼箱梁荷載轉(zhuǎn)而由主纜和吊桿共同承擔(dān),并最終完成體系轉(zhuǎn)換。

3 施工過(guò)程仿真模擬

在確定出施工方法的基礎(chǔ)上,必須應(yīng)用ANSYS通用有限元軟件構(gòu)建平面非線性仿真模型,對(duì)施工過(guò)程中各頂升點(diǎn)頂升量、安全穩(wěn)定性及頂升分級(jí)數(shù)等展開(kāi)模擬[2]。

3.1 起頂量的確定

各起頂點(diǎn)起頂量的確定是鋼箱梁起頂施工控制的關(guān)鍵,該自錨式懸索橋主纜懸掛狀態(tài)和成橋狀態(tài)索夾節(jié)點(diǎn)間豎向位移差較大,而吊索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為既定,故所確定的起頂量必須在滿足豎向位移差要求的基礎(chǔ)上,兼顧頂升施工后線形實(shí)際值和理論值誤差、溫度影響修正、主纜安裝誤差、橋面施工荷載等方面[3]。應(yīng)用仿真模型,通過(guò)模擬鋼箱梁無(wú)應(yīng)力頂升線形,對(duì)起頂過(guò)程及起頂量展開(kāi)仿真分析,所得出的臨時(shí)墩LSD2～LSD5的起頂量施工方案具體見(jiàn)圖1。三個(gè)方案在臨時(shí)墩位置為0 m及325 m時(shí)起頂量完全一致,而在臨時(shí)墩位于0～325 m之間時(shí),方案3起頂量最大,方案1起頂量較小,方案2起頂量居中。

圖1 頂升點(diǎn)起頂量曲線

以上三個(gè)方案中各臨時(shí)墩支反力仿真結(jié)果具體如表1所示,由表中結(jié)果可以看出,方案3下臨時(shí)墩LSD1和LSD6的支反力大大超出1 740 t的臨時(shí)墩承載力設(shè)計(jì)值,故不得采用。根據(jù)圖1,方案2中的臨時(shí)墩起頂量和吊索節(jié)點(diǎn)空纜與成橋狀態(tài)標(biāo)高差符合,并滿足設(shè)計(jì)要求,故以該方案為推薦方案,對(duì)應(yīng)的LSD2～LSD5臨時(shí)墩起頂量依次為0.85 m、1.52 m、1.41 m、0.66 m。

表1 各臨時(shí)墩支反力仿真結(jié)果

3.2 鋼箱梁起頂安全性分析

待確定出臨時(shí)墩起頂量后,頂升施工過(guò)程中必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臨時(shí)墩和永久墩反力變化以及鋼箱梁應(yīng)力變化是否超出許可范圍,以降低其對(duì)起頂量的不利影響。因無(wú)法做到一次頂升就位,故必須通過(guò)對(duì)施工階段的仿真模擬確定頂升分級(jí)數(shù)和各級(jí)起頂量。經(jīng)過(guò)多次模擬仿真和試算,最終確定出該自錨式懸索橋鋼箱梁頂升施工分15級(jí)展開(kāi),臨時(shí)墩起頂量均勻劃分成15級(jí)后各級(jí)頂升量具體如表2所示。由表可知,在這種分級(jí)頂升施工過(guò)程中,雖然個(gè)別臨時(shí)墩頂升量不同步,但對(duì)應(yīng)的支墩反力并未超出承載力設(shè)計(jì)值,臨時(shí)墩施工基本處于安全狀態(tài)。

表2 臨時(shí)墩各級(jí)頂升量

起頂前鋼箱梁正彎矩最大值為58 723 kN·m,正應(yīng)力最大值為33.21 MPa;負(fù)彎矩及拉應(yīng)力最大值分別為-84 920 kN·m和41.21 MPa。對(duì)于方案2而言,正彎矩及正應(yīng)力最大值為17 632 kN·m和89.83 MPa;負(fù)彎矩及拉應(yīng)力最大值為-238 733 kN·m和115.42 MPa。由于臨時(shí)墩LSD2～LSD5間的鋼箱梁承受一定的負(fù)彎矩,故形成的底板壓應(yīng)力區(qū)段范圍較大。通過(guò)比較頂升前后鋼箱梁應(yīng)力水平可以看出,頂升后鋼箱梁應(yīng)力倍增,但取值仍位于允許范圍內(nèi)。這種鋼箱梁應(yīng)力增大的情況會(huì)增加施工安全風(fēng)險(xiǎn),故應(yīng)對(duì)起頂施工期間鋼箱梁應(yīng)力變動(dòng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)控制。

臨時(shí)墩LSD2～LSD5頂升造成鋼箱梁豎曲線較大變化,進(jìn)而改變鋼箱梁水平投影長(zhǎng)度及梁段水平變化。在方案2下鋼箱梁順橋向11#索塔處、LSD2處、LSD5處、12#索塔處位移依次為4.6 mm、1.5 mm、-2.1 mm和-5.1 mm,說(shuō)明中跨梁段起頂后水平投影長(zhǎng)度減小值約為10 mm。各處位移均不大,故鋼箱梁縱向變位不會(huì)對(duì)其受力情況產(chǎn)生不利影響。然而,頂升施工會(huì)對(duì)橫橋向造成擾動(dòng),可在頂升前對(duì)11#和12#索塔加裝橫向限位裝置及縱向阻力器,并加強(qiáng)橫橋向穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及控制。

4 頂升施工質(zhì)量控制

4.1 頂升施工步驟

按照方案2進(jìn)行的引橋頂升施工由千斤頂按指令位移頂升,完成頂升行程后將工具式墊塊放置于臨時(shí)支撐下方,千斤頂回落;將千斤頂收缸后下放工具式墊塊,千斤頂再次伸缸。按照以上過(guò)程循環(huán)往復(fù),直至完成頂升施工。

主橋頂升時(shí)應(yīng)將指令位移設(shè)定為100 mm,再按照所設(shè)定的指令位移和4 mm/min的速度頂升千斤頂,跟隨頂則自動(dòng)跟進(jìn),待千斤頂頂升至設(shè)計(jì)位置后停頂;隨后螺旋千斤頂停止跟進(jìn)并鎖定,各組跟隨頂在平衡油缸的作用下達(dá)到受力平衡狀態(tài)。頂升千斤頂按照1 mm/min的速度勻速收缸,并將壓力轉(zhuǎn)移至跟隨螺旋千斤頂和平衡油缸;將預(yù)制鋼箱混凝土墊塊施加于頂升千斤頂下方,并通過(guò)千斤頂頂升缸將墊塊頂緊,同時(shí)旋緊自鎖螺紋裝置,使壓力從跟隨頂和平衡油缸轉(zhuǎn)移至頂升千斤頂,跟隨頂隨即旋轉(zhuǎn)至原位,平衡油缸壓力也隨之歸零,將鋼箱混凝土墊塊放置于跟隨頂下部,使其將上部結(jié)構(gòu)頂緊。按照以上步驟重復(fù)操作,直至達(dá)到設(shè)計(jì)頂升高度。

在跟隨螺旋千斤頂下方布設(shè)平衡油缸是確保頂升施工質(zhì)量的關(guān)鍵,按照以上步驟施工,平衡油缸可同時(shí)為各組跟隨頂提供平衡受力。主墩按照每墩4組、每組10臺(tái)設(shè)置千斤頂,同時(shí)按照每墩2組、每組8臺(tái)設(shè)置跟隨頂;邊墩則按照每墩2組、每組8臺(tái)設(shè)置千斤頂,并按每墩2組、每組2臺(tái)布設(shè)跟隨頂。該自錨式懸索橋鋼箱梁頂升施工共布置112臺(tái)200 t千斤頂和40臺(tái)400 t跟隨頂。

4.2 試頂升及正式頂升

在正式頂升前必須進(jìn)行試頂升,以考察頂升施工系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)。試頂升前安裝并檢查油缸、油管、監(jiān)測(cè)儀、泵站操作臺(tái),無(wú)誤后按照設(shè)計(jì)頂升荷載的70%～80%加壓并持續(xù)保壓試驗(yàn)5 h,期間檢查油管、千斤頂、密封件性能以及液壓油的清潔度。液壓系統(tǒng)除應(yīng)按照要求工藝安裝外,還應(yīng)嚴(yán)格沖洗連接軟管,現(xiàn)場(chǎng)安裝后必須空載運(yùn)行一定時(shí)間,以便將系統(tǒng)中混入的雜物徹底排除。

試頂升后,開(kāi)始正式頂升。按照設(shè)計(jì)方案,檢查標(biāo)準(zhǔn)頂升行程和最大頂升速度是否處于受控范圍內(nèi),并觀察預(yù)設(shè)荷載加載情況,將實(shí)測(cè)結(jié)果和理論值進(jìn)行比較,并將差異控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。主橋和引橋分別按照10 mm/min和4 mm/min的速度頂升,頂升壓力應(yīng)不超出設(shè)計(jì)值的5%[4]。每輪頂升中必須跟蹤觀察油缸位移、千斤頂壓力等參數(shù)。該自錨式懸索橋鋼箱梁頂升是由位移控制解決頂力控制問(wèn)題,并能將位移誤差控制在±1 mm以內(nèi),故壓力差異滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 鋼箱混凝土墊塊性能檢測(cè)

該自錨式懸索橋主橋頂升后通過(guò)鋼箱混凝土墊塊抬高,為保證支墊的穩(wěn)定性,對(duì)墊塊制作有較高要求。在外觀檢測(cè)中發(fā)現(xiàn),部分墊塊表面存在細(xì)小裂紋,為表面收縮或運(yùn)輸途中產(chǎn)生,并不影響正常使用。按照設(shè)計(jì),每個(gè)鋼墊塊平整度和總高度分別應(yīng)控制在2 mm和8 mm以內(nèi),并通過(guò)超聲波檢測(cè)墊塊密實(shí)度。此外,還應(yīng)按照10%的比例抽取鋼墊塊后進(jìn)行試壓,檢測(cè)墊塊強(qiáng)度和設(shè)計(jì)承壓能力。試壓試塊長(zhǎng)1.85 m、寬1.85 m、高0.2 m,并將厚度為40 mm、長(zhǎng)和寬均為420 mm的鋼墊板放置于墊塊之上,三塊鋼墊塊試件依次施加260 t、390 t、450 t三級(jí)壓力至最大設(shè)計(jì)壓力值,并按試驗(yàn)規(guī)程要求時(shí)間保壓,試驗(yàn)結(jié)束后檢查鋼墊塊損壞情況并復(fù)查表面裂紋,除試驗(yàn)壓痕外,既有裂紋無(wú)擴(kuò)展,結(jié)構(gòu)也無(wú)破碎。

5 結(jié) 論

應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)自錨式懸索橋頂升施工過(guò)程展開(kāi)模擬,并結(jié)合具體施工過(guò)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)加勁梁受力情況展開(kāi)對(duì)比分析,結(jié)果表明,頂升施工過(guò)程中,鋼箱梁頂板受力明確,實(shí)測(cè)值與有限元模擬結(jié)果基本吻合,縱向受力情況可較好體現(xiàn)頂升施工期間正負(fù)應(yīng)力交替出現(xiàn)的趨勢(shì)規(guī)律。臨時(shí)墩豎向受力也較為理想,穩(wěn)定性、承載力及強(qiáng)度等均滿足設(shè)計(jì),并能提供足夠支反力。底板與內(nèi)腹板連接處存在局部應(yīng)力集中,實(shí)際施工期間因摩阻力、牽引力、支反力等的綜合作用,應(yīng)力集中情況進(jìn)一步加大,必須在加勁梁頂升期間加大監(jiān)測(cè)和控制力度。該自錨式懸索橋鋼箱梁頂升施工可為同類型橋梁頂升提供借鑒參考。