郑州黄河公铁两用桥引桥跨郑焦高速公路连续梁施工控制技术

高建学

(河南省交通规划勘察设计院有限责任公司,郑州 450052)

1 项目概况

郑州黄河公铁两用桥为京广铁路客运专线与新107国道跨越黄河的共用桥梁,北岸分建段铁路引桥在N172号～N175号墩处采用1联(50+80+50)m预应力混凝土连续箱梁,上跨正在运营中的郑焦高速公路。其立面布置如图1所示。梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁,梁体全长180m,中支点处梁高6.8 m,跨中及边跨梁端处梁高4.0m。梁体下缘除中跨合龙段2m梁段和边跨端部11.0m梁段为等高梁段外,其余梁段梁底下缘按半径152.5m圆曲线变化,底板顶面按照半径172.975m圆曲线变化。梁顶板宽13.4m,箱宽6.7m,全桥顶板厚40cm,边跨端块处顶板厚由40cm渐变至80cm,底板厚50～80cm,腹板厚60～90cm。箱梁截面如图2所示。

图1 连续梁立面及分段布置(单位:cm)

图2 中支点及跨中截面(单位:cm)

悬臂连续梁梁体采用C50混凝土、预应力混凝土结构。为了尽量减少对焦晋高速公路通行的干扰,梁体施工采用悬臂浇筑法,其中0号、1号节段、边跨现浇11号节段、边跨合龙12号节段采用满堂支架现浇,2号～10号节段及中跨13号合龙段采用挂篮施工。全梁布置5道横隔板,共分47个节段,中支点0号梁段长10.0m,1号～8号梁段长3.5m,9号、10号梁段长3.0m,边跨12号合龙段和中跨13号合龙段长均为2m,边跨现浇11号梁段长8.9m,全梁采用三向预应力体系。

2 连续梁梁实体质量的施工控制

本桥施工过程的梁实体质量控制方法与常规的混凝土桥施工控制没有大的区别,可以归纳为以下几个方面。

原材料的质量控制:砂石料、水泥、掺合料、外加剂、钢筋、钢绞线等。所有使用的原材料严格按照铁道部现行技术标准的要求进行检验,合格后方可使用。

模板除了应有足够的刚度满足混凝土在浇筑过程中不变形外,还必须确保结合部位设计合理,不漏浆,拆模方便。

预应力波纹管道要有足够的强度,线形严格符合设计文件的要求,固定牢固,确保在混凝土浇筑过程中不变形、不移位。

混凝土的检验包括:含气量、坍落度、入模温度,并按要求留置足够数量的混凝土试件,包括同养试件、标养试件。浇筑过程中,要采取措施,使混凝土自由下落高度小于2m。对0号块大体积混凝土的浇筑,要控制好芯部与表层、表层与环境之间的温差,本桥通过埋设测温元件进行监控,没有出现温差超标现象。浇筑完成的混凝土按要求及时养生。

预应力的张拉要严格按照设计文件的要求,混凝土强度、弹性模量、龄期3个指标要同时满足要求方可以张拉。张拉过程按照张拉力和伸长量双控指标进行控制。对张拉过程中出现的异常情况要及时分析,异常原因未查明的不允许进行下步工序施工。

0号、1号、11号、12号块件支承在支架上,地基处理通过计算,有足够的安全系数。处理后的地基周围设置排水沟,防止积水引起的地基沉陷。

支架和挂篮需要通过预压才能投入使用。预压要分级加载,本桥最终预压荷载按1.20倍的构件质量(包括施工临时荷载),预压的目的是为了测量支架和挂篮的弹性变形,消除非弹性变形,同时也可以验证支架及挂篮的可靠性。在预压过程中,监控所设置的控制点的高程变化,收集相关的技术数据供分析。

在冬季、夏季、雨季施工,要有针对性的施工措施。

通过上述措施,本桥连续梁混凝土强度全部符合要求,接缝错台均在5mm以内,混凝土光洁密实。

3 施工线形控制

本桥是铁路客运专线,设计时速达到350km,为目前国内设计标准最高的桥梁之一。线形控制的效果对于后续施工具有重要的影响,特别是高程控制,如果出现过大的偏差,必然需要通过调整后序块件的高程来纠偏;如果合龙高程偏差太大,还需要通过施加外力来纠正,这些都将对结构产生附加力,与设计的计算模式不符,为今后长期运营留下隐患。现在高速铁路桥梁施工过程中的线形控制已经成为施工控制的重点,受到各方的高度重视。本桥是通过对埋设在梁体监测控制点实测数据分析,评估目前的施工状态,提出后续施工的具体要求,取得了较好的效果。

3.1 线形控制的必要性

对超静定桥跨结构的桥梁,其成桥的梁部线形和内力与施工方法有着密切的关系,也就是说不同的施工方法和工序会导致不同的结构线形和内力。采用悬臂挂篮施工,施工过程中存在结构体系转换。另一方面,由于各种因素(如材料的弹性模量、混凝土收缩徐变系数、结构自重、施工荷载、温度等)的影响,以及测量等方面产生的误差,结构的理论设计值难以做到与实际测量值完全一致,两者之间会存在偏差,尤其值得注意的是,某些偏差(如主梁的高程误差、轴线误差等)具有累积的特性。若对这些偏差不加以及时有效的调整,随着施工的进行,梁悬臂长度的增加,主梁高程、几何位置会显著偏离设计值,最终可能导致合龙困难,成桥线形与内力状态偏离设计要求,给桥梁施工安全、外形、可靠性、行车条件及经济性等方面带来不同程度的影响。

3.2 线形控制的目的

通过对已完成的块件状态和施工过程的监测,收集控制参数,分析施工中产生的误差,通过理论计算和实测结果的比较分析、误差调整,预测后续施工过程的结构形状,提出后续施工过程应采取的技术措施,调整必要的施工工艺和技术方案,使成桥后结构的内力和线形处于有效的控制之中,并最大限度地符合设计的理想状态,确保结构的施工质量,保证施工过程与运行状态的安全性。

3.3 影响悬臂施工连续梁线形的因素

根据以往同类桥梁施工及控制的经验,对本桥在悬臂浇筑施工过程中,影响桥梁结构内力和线形的主要因素有[1]:

桥梁施工的临时荷载,包括挂篮、机具、人员重力等;

挂篮几何变形和弹性变形的影响;

日照影响;

混凝土浇筑方量的控制;

混凝土容重;

混凝土弹性模量;

混凝土收缩及徐变;

混凝土浇筑阶段温度;

箱梁温度场分布;

箱梁合龙段温度;

混凝土参与受力的龄期;

预应力损失;

其他因素。

为了对上述各种因素的影响能有准确的把握,及时识别引起控制目标偏离的真正原因,采取恰当的纠偏措施,避免误差累积,在本桥连续梁施工中采用多种方法进行监测和控制。

3.4 线形控制的方法

由于在施工控制初期理论计算时,所采用的材料等参数均为理论值,与现场情况肯定有出入。为了消除因这些出入所带来的偏差,则应在施工过程中通过观测对这些参数进行识别和正确估计。对于重要的设计参数有较大的偏差时,应提请设计方进行理论设计值的修改,对于常规的参数误差,通过优化进行调整。

通过在典型施工状态下对状态变量实测值与理论值的比较,以及设计参数权重影响分析,识别出设计参数误差量。根据已施工梁段设计参数误差量,采用合适的预测方法,预测未来梁段的设计参数可能误差量。

连续梁桥施工控制主要控制主梁线形,优化调整则以此建立控制目标函数和约束条件。通过分析设计参数误差对桥梁变形和内力的影响,应用优化方法,调整主梁施工阶段立模高程,选取合理的温度模式,使成桥状态最大限度地接近理想设计成桥状态,并且保证施工过程中受力安全。

3.5 线形控制的手段

通过收集埋设在梁体内部各个截面上的应力应变、温度传感器的数据,采用有限元程序进行分析计算,应用桥梁结构分析程序对施工过程进行计算,分别计算了以下控制数据的理论值:

各施工梁段的立模高程;

各施工梁段的状态变量值:包括移动挂篮、浇筑混凝土、张拉预应力束各工况对应的梁段挠度、控制截面应力、应变;

典型状态如合龙前后状态、二期恒载前后状态下全桥高程及控制截面的应力、应变值。

根据对实际施工情况的观测,反馈调整桥梁设计参数。通过挂篮的试压结果,获得挂篮的变形值,进一步调整挂篮的纵梁刚度;对挠度变形、应力应变的实测值和理论值间存在的差别,通过参数识别法拟合出新的设计参数,使理论值和实测值的差别达到最小:如主梁容重、弹性模量、梁的刚度、混凝土收缩徐变系数等。依次调整计算下一梁段的控制数据。

3.6 测点布置、测试方法及数据处理

0号梁段施工完毕后,在其中部顶横向两侧设临时水准点,作为箱梁施工高程控制点,并与加密水准点进行联测。在每个悬浇梁段上布置6个对称的高程观测点(底面、顶面各3个),见图3,可以同时观测箱梁的竖向挠度及扭转变形情况。观测点为预留露出混凝土(约5cm)的钢筋头。测量工况包括立模、浇筑混凝土后、张拉预应力筋前后、移挂篮后。

图3 高程测点及应力测点布置

为了了解连续梁悬臂施工过程中截面内力的真实情况,在全桥共设置13个应力测试断面,进行主梁应力测试、温度场测试、临时固结反力测试及预应力损失测试。

测量工况包括:移挂篮、混凝土灌注后、施加预应力后、合龙后。

(1)中线控制

在0号梁段施工完毕后的梁顶中部设中线控制点,并常与两端中线控制点联测。中线测量包括3个阶段:挂篮定位控制、混凝土灌注前控制和混凝土灌注后复测。

(2)扭曲控制

在每节浇筑混凝土前和浇筑混凝土后,对挂篮和混凝土结构控制点的高程和平面线形进行综合分析,以便控制扭曲变形。

(3)合龙段连接控制

为了保证合龙段的合龙精度,必须控制每施工段结构的竖向和横向偏移精度,每浇筑一段调整一段不产生累计误差,控制合龙的偏差在规范要求范围以内。

(4)截面应力控制

控制截面混凝土应变观测采用温度误差小、性能稳定、耐久性好、适合长期观测、便于收据采集的温度传感器和振弦式应变计。在典型控制截面处埋设了应变计,对每一施工梁段的每一工况:移挂篮、浇筑混凝土、预应力张拉,都进行了应变观测。比较观测值与理论值,以掌握主梁的内部应力情况,确保施工期主梁的安全。

上面所述的振弦式应变计可同时测应变和温度,在桥梁主要构件的标准截面内预埋。在每次应变测量时均进行温度测试,以了解梁体的实际温度分布状况,及时修正温度引起的应变/应力误差。另外,在施工期间选择有代表性的天气进行全天连续观测,例如:每个季节选择一个晴天、多云天和阴雨天。

通过分析实际采集的数据,对控制点及典型截面在各个工况下的理论值和实测值进行计算分析比较,评估目前施工状态,确定下一施工阶段的控制参数,指导施工,确保结构始终处于安全状态,并且线形良好,达到监控的目的。

3.7 实测数据分析

3.7.1 实测挠度分析

分析本桥施工阶段的实测挠度资料,可以发现其挠度变化具有很强的规律性,这些规律可以概括为以下几点:

(1)浇筑混凝土之后,悬臂梁呈下挠变形;张拉预应力后,悬臂梁呈上挠变形;挂篮前移后,悬臂梁呈下挠变形;上述各工况中挠度变形均随着悬臂长度的增加而增大;

(2)对称性各种工况下,N173、N174号墩两侧的悬臂端的挠度变化基本对称;

(3)各工况下,同一梁段上的6个挠度监测点实测挠度变化几乎相等,说明在各工况下,箱梁没有出现横向扭转现象;

实测挠度与设计计算挠度比较,1号～10号梁段,三阶段挠度值观测值与理论值吻合较好,两者相差大部分小于10mm;个别点差值介于10～15mm。

N173号墩北京侧各测点不同工况下高程变化见图4。

图4 N173号墩北京侧各测点不同工况下高程变化

3.7.2 实测应变分析

分析本桥施工阶段的实测应力资料,可以发现截面应力变化具有以下特点:

(1)从混凝土浇筑到混凝土初凝这个过程中,由于温度、收缩徐变等因素的影响,混凝土内测点的应变均无规律可言;

(2)在施工过程中,由于剪力滞效应的影响,腹板与顶底板相交处测点的应变变化较大,顶板中心线处测点应变次之,翼缘处测点应变变化最小;

(3)浇筑混凝土使已有梁段顶面受拉,底面受压,边跨合龙前张拉预应力使已有梁段顶面受压,底面受拉,浇筑和张拉预应力筋共同作用下箱梁全截面受压。

从各截面的应力变化来看,顶面应力大于底面应力;应力的变化趋势和理论值吻合较好;从各截面的应力大小来看,各截面均受到压应力作用,最大压应力不超过18MPa;整个施工过程中结构处于安全状态。

N173号墩临时固结北京侧截面不同工况下应力值变化见表1。

表1 N173号墩T构各断面不同工况下应力 MPa

4 施工过程中的安全控制

桥面离地面16m高,跨越运营中的郑焦高速公路,安全控制除了上面提出的通过对施工过程的监控确保主体结构安全以外,还包括以下几个方面。

桥上作业人员的安全、防止高空坠物、安全用电、尽可能地减小对桥下高速公路行车的影响等。这里重点介绍如何减少对桥下高速公路车辆通行的影响。

为了防止施工过程中,作业人员的失误或其他不可避免的原因造成物体坠落,影响桥下车辆的通行,在挂篮周围外1m范围内,设置相对封闭的空间,四周挂设密格金属网,挂篮下部0.5m处悬挂满铺薄钢板的平台,该平台的作用是便于作业人员工作,同时可以确保上面的物体不会坠落到桥下(包括作业区内的焊花)。由于设置这些安全围栏及平台,使挂篮质量增加8t左右,因此在悬臂的另一端,需要设置相应的配重来抵消。通过这些措施,该项目直到挂篮拆除,安全方面一直没发生任何问题。

5 结语

跨郑焦高速铁路连续梁于2009年10月建成,施工过程中没有发生任何质量安全问题。混凝土各项指标全部符合要求,表面光洁密实;线形控制方面,立模高程误差大部分控制在±5mm内,各工况下其变化值控制在±15mm,梁底线形平顺,符合设计要求;主梁结构受力状况良好,符合设计规范要求,主梁结构安全可靠,较好地实现了监控目的。

[1] 任伟新,黄天立,徐霞飞,等.郑州黄河公铁两用桥铁路引桥(50+80+50)m连续梁桥施工监控报告[R].长沙:中南大学土木工程检测中心,2009.

[2] 龚 寅.武广客运专线南环线特大桥连续箱梁悬臂浇筑施工技术[J].铁道标准设计,2008(5):69-73.

[3] 赵秀典,刘胜路.武广客运专线悬灌法施工连续梁线形控制技术[J].铁道标准设计,2008(8):54-56.

[4] 刘超群,李小年,杨孟刚.连续梁悬臂法施工控制[J].铁道标准设计,2009(1):57-60.