高墩大跨徑連續剛構橋梁中跨合龍施工技術研究
——以蘆溝河特大橋為例

周成龍, 張文東, 馬明虎, 孫皓桐, 崔成男

(中建鐵路投資建設集團有限公司, 北京 100088)

高墩大跨徑連續剛構橋梁作為一種重要的基礎設施,在現代交通建設中發揮著至關重要的作用。這種橋梁結構具有跨越能力大、結構穩定性好、承載能力強等特點,被廣泛應用于高速公路、鐵路和城市橋梁等場景。然而,高墩大跨徑連續剛構橋梁在施工過程中,仍存在一定的技術和安全風險[1]。其中,中跨合龍施工是整個橋梁建設的核心環節之一,其施工質量直接影響到橋梁的結構安全和穩定性。吳月紅和陳搏[2]以龍翔大橋為例提出了針對大節段鋼梁作為跨中結合段吊針對大節段鋼梁作為跨中結合段吊裝施工過程的新型提升系統,以龍翔大橋為例,實現了懸臂梁施工、鋼混結合段吊裝、大節段跨中鋼梁吊裝3個施工階段的快捷轉換。牛愛國[3]對主梁線形、主梁結構應變測量、合龍監控等要點進行詳細分析,為其測量提供參考。

本文所研制的中跨合龍技術中,采用區別于吊物配重的新型配重水袋裝置,使水袋拆裝和轉移快速簡便,配重加載和澆筑合龍段混凝土時卸載勻速高效。因此,對高墩大跨徑連續剛構橋梁中跨合龍施工技術進行深入研究具有重要的現實意義。

1 工程概況

蘆溝河特大橋(圖1)位于重慶市巴南區東泉鎮朝陽村,距離東泉鎮約7.2 km,橫跨蘆溝河。主橋為96 m+5×180 m+96 m連續剛構橋,上部結構采用預應力混凝土連續剛構、單箱單室結構,下部結構采用空心薄壁墩、雙柱實心墩、承臺樁基礎。左右線橋面縱坡分別為1.95%、2.85%。

圖1 蘆溝河特大橋建成后模型

每個T構縱橋向劃分為21個對稱梁段,從根部至跨中分別為6×3 m、7×4 m、8×4.5 m,累計懸臂總長為82.0 m,邊跨現澆段長4.51 m,邊跨合龍段及中跨合龍段長度均為2 m。

(1)將中跨小里程的掛籃前移至合龍段,并在中跨大里程掛籃配重。為確保合龍段混凝土質量,在中跨合龍段的兩側梁段分別放置一個水袋進行混凝土配重。

(2)為調整墩梁內力,在中跨合龍段的兩側懸臂端施加頂推力。施加頂力時,將以懸臂端的縱向位移量為控制指標,確保施加的頂力對稱且分級進行。

(3)安裝中跨合龍剛接構造,并按設計要求張拉臨時鋼束,以確保合龍段的穩定性。

2 工藝流程

(1)將中跨小里程的掛籃前移至合龍段,并在中跨大里程掛籃配重。為確保合龍段混凝土質量,在中跨合龍段的兩側梁段分別放置一個水袋進行混凝土配重。

(2)為調整墩梁內力,在中跨合龍段的兩側懸臂端施加頂推力。施加頂力時,將以懸臂端的縱向位移量為控制指標,確保施加的頂力對稱且分級進行。

(3)安裝中跨合龍剛接構造,并按設計要求張拉臨時鋼束,以確保合龍段的穩定性。

(4)在掛籃上澆注中跨合龍段混凝土。在澆注混凝土的過程中,邊澆注混凝土邊放水,以保持重量恒定。養生期間,密切關注混凝土的強度,待混凝土強度達到設計要求時,拆除剛接構造,完成中跨箱梁的合龍。

(5)依次張拉設計要求的中跨預應力鋼束。

(6)拆除中跨臨時鋼束。

連續剛構橋中跨合龍施工工藝流程如圖2所示。

圖2 連續剛構橋合龍施工工藝流程

3 合龍準備工作

3.1 合龍段線性復測

在中跨合龍之前,需要對橋面上的施工荷載進行清理,并卸載所有可卸載的重量。對于無法卸載的荷載,需要進行詳細的重量調查和位置描述,以便進行受力分析,并采取相應的控制措施[2]。在清理完施工荷載后,測量人員需對梁體的高程和坐標進行全面測量,同時,測量應選擇夜間溫度較為穩定的時候進行,以獲得更準確的測量結果,將測量數據與理論值進行比較,以確定合龍標高和配重要求。此過程有助于確保合龍后橋梁的實際標高符合設計要求,并為后續的配重工作提供依據?？偠灾?在中跨合龍前的準備階段,清理并卸載可卸載的施工荷載,并進行詳細的重量調查和位置描述。然后進行全面測量,將實測數據與理論值進行比較,確定合龍標高和配重要求,有助于確保合龍后橋梁的質量和穩定性[4]。

3.2 合龍溫度的選擇

在合龍前3天,每隔2 h觀測一次晝夜溫度場的變化是為了找出溫度變化與懸臂梁變化、應力變化等方面的規律。通過這些觀測數據,可以確定一個合適的合龍溫度,一般要低于設計合龍溫度,以確保新澆筑混凝土在溫度緩慢上升時仍處于受壓狀態下終凝。

溫度是合龍時最重要的影響因素之一[5]。當橋梁的不同部位受到不同溫度影響時,可能會導致懸臂梁的變形和應力的變化。因此,在選擇合適的合龍溫度之前,需要詳細觀測晝夜溫度場的變化,以了解溫度對懸臂梁及其應力的影響規律。

觀測期間,每隔2 h進行一次觀測,包括白天和夜晚的溫度變化。通過長時間的觀測,可以得到溫度隨時間的變化曲線。同時,還需記錄懸臂梁的變化情況,如撓度、位移等,并觀察應力的變化情況。通過分析這些數據,可以找出溫度變化與懸臂梁變化、應力變化等方面的規律。

根據觀測數據的分析結果,可以選擇一個合適的合龍溫度。一般來說,合龍溫度應稍低于設計合龍溫度,以確保新澆筑混凝土在溫度緩慢上升時仍然處于受壓狀態下終凝。這樣可以避免混凝土在自由膨脹過程中產生裂縫或變形。

3.3 合龍段模板系統安裝

合龍段模板由菱形掛籃改裝而成,具體做法是拆除影響掛籃前移的部分前吊帶,保留兩側前吊帶及手拉葫蘆,錨固掛籃前后的下橫梁,調整掛籃底模組成合龍段底模。錨固掛籃外側導梁,提升掛籃外側模,形成中跨合龍段側模。因掛籃內導梁長達10 m,合龍后拆除困難,應在合龍前拆除導梁,采用2組3 m長的40號工字鋼代替,并與豎向精軋螺紋鋼錨固,如圖3所示。

圖3 合龍段掛籃底模安裝示意圖

4 施工關鍵技術

4.1 合龍配重

常用的配重方式有沙袋配重和水袋配重,其中水袋配重的加載和卸載便捷,容易進行分級同步控制,因此施工中選擇使用水袋配重的方式進行懸臂配重[6]。 連續剛構橋合龍段掛籃預埋示意圖如圖4所示,連續剛構橋合龍水袋配重實景圖如圖5所示。

圖4 連續剛構橋合龍段掛籃預埋示意圖

圖5 連續剛構橋合龍水袋配重實景圖

本項目工程中,為保證合龍段混凝土澆筑過程中懸臂端始終處于穩定狀態,需在梁端設置配重,在混凝土澆筑過程中,按等量換重的方式撤除配重。配重重量和配重位置可根據梁體實際線型、標高等因素適當調節。

為了保持箱梁平衡不發生傾斜和扭轉,配重應沿橫橋向均勻對稱布置。配重采用水袋式配重,其配重重量按下述計算:中跨合龍段混凝土方量為47.3 m3,C60鋼筋混凝土容重按2.6 t/m3,合龍配重分兩部分計算。

(1)基本配重t1。1/2中跨合龍段混凝土重心距離橋墩中心的距離為90 m,配重設置在21#節段中心位置,配重距離橋墩中心的距離為81.5 m。配重重量為:t1=(47.3×2.6/2)×90/81.5=67.9 t。

(2)附加配重t2?？紤]懸臂梁段掛籃不平衡荷載產生的配重,計算公式為:合龍掛籃重量×掛籃重心至橋墩中心距離=另一側掛籃重量×掛籃重心至橋墩中心距離+配重t2×配重重心至橋墩中心距離。

掛籃自重為117 t,合龍掛籃距橋墩中心距離為86 m,另一側掛籃距橋墩中心距離為80 m,配重距離橋墩中心的距離為81.5 m,則t2=(117×86-117×80)/81.5=8.6 t?？傆嬇渲丶s76.5 t。

4.2 合龍頂推

4.2.1 合龍觀測

合龍前應進行48 h連續觀測,記錄懸臂段標高隨時間的變化曲線。

4.2.2 勁性骨架預埋安裝

邊跨現澆段、21#梁段施工時,預埋合龍段勁性骨架2#組合槽鋼。槽鋼伸入箱梁長度不少于1 m,外伸約29.5 cm。2#組合槽鋼安裝前,利用全站儀精確定位,確保位置準確。若槽鋼與鋼筋發生干擾時,可適當移動鋼筋的位置。

4.2.3 合龍頂推

頂推工藝主要用于橋梁施工,其核心目的是優化橋墩的受力狀態,以滿足橋梁在運營階段因降溫、收縮徐變等荷載作用下的墩頂應力需求[7]。為確保有效的受力調整,關鍵在于合理設定合龍時的頂推力[8]。

在確定頂推力的大小之前,必須先確定頂推量的規模。橋梁在運營階段會受到長期荷載的作用,主要包括混凝土的收縮徐變和溫度荷載。收縮徐變計入年限,10年收縮徐變按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)計算。設計合龍溫度為17±3 ℃,因實際合龍暫時未知,計算按照17 ℃取用。

根據蘆溝河特大橋左幅橋 MIDAS/CIVIL 2022 模型計算得出蘆溝河特大橋左幅全橋墩頂從施工完成到經歷10年收縮徐變之后的累計位移,即為頂推力需要消除的墩頂位移,詳情見表1。

表1 頂推位移

結合蘆溝河特大橋左幅 MIDAS/CIVIL 2022 模型并按照理論計算方法計算得出蘆溝河特大橋左幅在進行過頂推過后的10年后全橋墩頂位移值和蘆溝河特大橋左幅合龍頂推時各合龍口應施加的頂推力及各合龍口的頂推位移值,詳情見表2～表4。

表2 10年后左幅墩頂位移

表3 左幅合龍頂推力

表4 左幅合龍口頂推位移

為了減輕橋梁的重量,使用有限元模型進行模擬計算。在模型中,在各個頂推位置施加了100 kN的頂推力,并提取了各控制節點的水平位移。

蘆溝河特大橋墩高聯長,采用頂推輔助合龍。連續剛構橋中跨合龍頂推實景圖如圖6所示。合龍頂推力、頂推量根據梁段合龍時合龍溫度、墩頂水平位移等確定,具體數值由監控單位提供。項目部測量隊加強施工過程中的測量及監測,加強與監控單位的溝通,嚴格按照監控指令進行施工。頂推分4級(0→30%→50%→80%→100%)進行,按照對稱、同步、分級加載原則進行,每級加載完畢持荷15 min,待位移穩定后方可進行下一級加載。

圖6 連續剛構橋中跨合龍頂推實景圖

頂推過程中,測量主墩0#塊中心點、合龍段兩懸臂端高程和位移,并做好記錄。

4.3 合龍口臨時鎖定

頂推完成后,向監控部門反饋同意后,停止頂推,千斤頂油泵不回油保持穩壓,對兩懸臂端進行鎖定。

合龍鎖定時,梁端相對高差不得超過2 cm,相對軸線偏差不得超過1 cm。

合龍鎖定在溫度穩定的夜間進行,合龍溫度應選擇17±3 ℃。

臨時鎖定時,安排人員同時安裝組合槽鋼1,并將其與組合槽鋼2通過連接板4、5焊接鎖定(圖7),確保焊縫質量滿足要求。

圖7 勁性骨架設計圖

由于勁性骨架不但要承受混凝土溫度變化產生的溫度應力,還要承受頂推后產生的反力。因此對勁性骨架的焊接質量需要加強檢查,確保焊縫飽滿,焊接長度滿足要求。

勁性骨架鎖定后,張拉臨時合龍束至50 t并臨時錨固(不進行孔道壓漿),使骨架受壓,之后再安裝合龍段模板,綁扎鋼筋。然后現澆合龍段混凝土。

5 混凝土澆筑

在中跨合龍段進行混凝土澆筑時,應遵循“平衡、對稱、連續澆筑”的原則[9]。具體而言,可以采取以下措施。

(1)平衡原則。在施工過程中,需要保持橋梁兩側的配重水袋中的水重量與正在澆筑的混凝土重量保持平衡?？赏ㄟ^邊澆筑的同時,逐漸放出水袋中的水來實現平衡。這樣做有助于維持合龍段的力學平衡狀態,防止產生過大的不均勻荷載。

(2)對稱原則。為了確保合龍段結構的穩定性和對稱性,需要在兩側同時進行混凝土澆筑,以保持橋梁截面形狀的均勻性。通過對稱澆筑,可以減小橋梁結構受到的不對稱力和應力,提高結構的整體性能。

(3)連續澆筑原則。在合龍段進行混凝土澆筑時,應盡量避免中斷,保持連續性。連續澆筑可以保證混凝土的均勻性和一致性,避免出現冷縫和接縫等問題。

通過遵循以上原則,可以有效控制中跨合龍段混凝土澆筑過程中產生的不均勻荷載和應力,保證合龍段結構的穩定性和安全性。

蘆溝河特大橋左幅合龍完畢實景圖如圖8所示。

圖8 蘆溝河特大橋左幅合龍完畢實景圖

6 結論

在大跨徑連續梁橋的懸臂施工中,合龍是關鍵環節,需要考慮環境因素和結構狀態變化,制定嚴格的合龍方案,以確保合龍質量和橋梁成橋性能。在實際合龍施工中,需要結合具體工程情況,制定合理的合龍方案和細節施工技術。在一些大跨徑連續梁橋工程中,采用了多次合龍的方法,通過逐步加長合龍距離和控制澆筑速度等方式,最終完成了整個合龍過程。