石武客运专线驻马店特大桥(40+64+40)m连续梁施工技术

张 坚

(中铁十八局集团第一工程有限公司,河北涿州 072750)

1 工程概述

石武客运专线郑州至武汉段驻马店特大桥456号～459号墩为(40+64+40)m双线预应力混凝土连续梁,跨驿阳高速公路。梁端起始点里程 DK928+899.160～DK929+044.860。主梁平面位于直线,纵断面位于纵坡-2.0‰的直线上。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽12.0 m,箱梁底宽6.7 m,顶板厚度除梁端附近外均为40 cm,底板厚度48～80 cm,按直线线性变化。中跨跨中以及支点处共设5个横梁板。采用悬臂施工,悬臂现浇梁体分段:墩顶梁段(0号块)为9.0 m长,悬臂部分分为7个块段,其中1号(1′号)为3.0 m,2号(2′号)为 3.25 m,3号(3′号)为3.5 m,4号(4′号)～ 6号(6′号)为4.25 m,7 号(7′号)为 4.0 m,边跨合龙段(8号块)为2.0 m,边跨现浇段为7.75 m,中跨合龙段为2.0 m。悬臂浇筑分段见图1。总体施工顺序为:施工准备→主墩0号块施工→边跨施工→其余块段挂篮施工→边跨合龙→中跨合龙→拆除挂篮→体系转换→桥面系及附属工程施工。

图1 悬臂浇筑分段示意

2 施工关键点

2.1 0号块施工方案

利用临时支墩和墩身设置支架进行现浇施工,施工严格按《铁路桥涵施工规范》进行。支架整体具有足够强度、刚度及稳定性。在现浇箱梁混凝土施工前,对支架采用堆载分级预压,预压的作用一是检验结构的安全性,二是消除非弹性变形,得到弹性变形值,以便合理设置模板立模高程。预压重为箱梁自重的120%,并待支架的非弹性变形消除后,才能进行箱梁混凝土的浇筑。在该桥梁预压中,临时支撑没有出现任何异常,验证了临时钢结构支撑的强度与稳定性能满足施工要求。非弹性变形为6 mm,弹性变形为10 mm,因此在浇筑混凝土之前,模板高程相对于设计高程整体抬高10 mm。以保证在浇筑后,梁体线形能恢复到设计线形。0号块临时支撑见图2。

图2 0号块临时支撑布置

2.2 连续梁线形监控

大桥的建成要经历一个漫长而复杂的施工过程,结构体系也将随施工阶段不同而不断变化。施工过程中,因设计参数误差(如材料特性、截面特性、徐变系数等)、施工误差(如制造误差、安装误差等)、测量误差及结构分析模型误差等原因,它还受温度、湿度、时间等因素的影响,将导致施工过程中桥梁的线形与理想目标存在一定的偏差。这种偏差累积到一定程度如不及时加以识别和调整,成桥后的结构安全状态将难以保证。而且,已施工梁段上一旦出现线形误差时,误差将永久存在,并导致成桥状态偏离设计理想状态。线形施工控制就是在悬臂施工过程中,通过监测主梁结构在各个施工阶段的变形情况,来达到及时了解结构实际行为的目的。根据监测所获得的数据,首先确保结构的安全和稳定,其次通过计算分析,调整确定下一梁段的立模高程,保证结构的受力合理和线形平顺,为大桥安全顺利地建成提供技术保障。

大跨度连续梁桥的施工控制是一个施工—测量—识别—修正—预测—施工的循环工程。施工控制中最基本的原则是确保施工过程中大桥结构的安全,在大桥施工过程安全性满足要求的前提下,再对大桥施工过程中结构的线形进行控制,确保大桥最终线形满足预期目标。

根据施工顺序建立有限元计算模型可得出各梁段的计算预拱度数据,由于采用悬臂对称浇筑法施工,结合挂篮的变形值便可求得实际所需设置的预拱度和立模高程。预拱度的设置考虑到的荷载包含了结构恒载(包含梁体自重及二期恒载、预应力、混凝土的收缩徐变等)、1/2静活载效应、挂篮变形等因素。预拱度一般按照绝对预拱度方法进行设置,以最后一个施工阶段,即长期徐变阶段对应的结构变形为依据,将节点对应的变形反向推算,即得到计算预拱度。考虑了计算预拱度之后,结合1/2静活载效应以及挂篮变形,确定最终的预拱度。

2.3 边跨现浇段施工

边跨现浇梁段长度为7.75 m,全桥共2个。

连续梁边跨梁段采用钢管支架进行施工,按“搭设钢管支架→安装底模、侧模→绑扎底板及腹板钢筋→安装内模板→绑扎顶板钢筋及安装预应力孔道→各部位检查测量→直线段混凝土浇筑→养护”的施工顺序组织施工。同时边跨现浇段支架安装后,要以不小于施工重力的1.2倍预压重力对支架进行预压,以消除非弹性变形,确定弹性变形。支架布置见图3、图4。

图3 边跨直线段支架平面布置(单位:mm)

图4 边跨直线段支架立面布置

顺桥向两端纵梁采用I32a型钢,中间纵梁采用I40a型钢,横梁采用2根对焊的I32a型钢,横梁下面采用 φ525 mm、壁厚8 mm 以及 φ425 mm 、壁厚 8 mm两种型号的钢管支撑。采用这种钢结构支撑,相对于搭设脚手架支撑施工周期更快。因为纵向钢筋跨度偏大,钢管柱高17 m,必须考虑结构空间稳定性问题。采用空间有限元软件Midas/Civil进行分析计算。模拟实际结构建立有限元模型,有限元模型见图5。根据《钢结构设计规范》(GB50017—2003)有关规定进行验算,验算内容包括强度验算和稳定性验算。

图5 支架空间有限元模型

经过验算,全结构均能满足强度要求,同时进行全结构屈服模态计算,计算表明,只有在施加超过1.92倍原荷载的情况下,结构才会发生屈服,证明此空间结构的空间稳定性也能满足要求。

2.4 三角挂篮施工

平衡悬灌法施工的成败及质量控制的优劣在于挂篮的工艺设计,挂篮设计的好坏直接影响到施工进度,它是特大桥梁施工中的一项关键技术。

驻马店特大桥(40+64+40)m连续梁采用了三角形挂篮,三角形挂篮和其他形式的挂篮相比有结构简单,拆装方便,重量较轻的优点。本挂篮所应用的(40+64+40)m跨无砟轨道预应力混凝土连续梁(双线)悬浇块有5种长度:3 m、3.25 m、3.5 m、4 m、4.25 m,根据各块的重量和长度进行分析,1号、2号、3号块重量接近,最重的3号块比1号块仅重1.33%,但长度增加16.7%,3号块荷载向前下横梁偏移量较大;而4.25 m长的4号块重1 437.75 kN,为最重及最长梁块,前下横梁所受到荷载最大。

根据以上分析及荷载分配初步计算结果,在施工工况验算中,分别取1号块和4号块进行验算,其中1号块仅验算底模平台部分及后下横梁吊点,4号块为整体结构验算。计算荷载取结构原荷载的1.5倍。

驻马店特大桥(40+64+40)m连续梁选择三角形挂篮这种合理的挂篮形式(图6、图7),设计中充分了解了挂篮在施工过程和走行过程中各构件的传力机理,对挂篮在各种工况下建立了适用、合理的三维空间有限元模型,以至于能够比较完整地了解各杆件的受力和变形情况,计算结果满足各施工过程受力和变形的要求。

图6 三角挂篮立面布置(单位:mm)

图7 三角挂篮横向布置(单位:mm)

每一座悬灌施工的大桥都有其自身的特点,这需要综合考虑大桥本身因素以及围绕大桥伴生的各种因素对挂篮选择的影响。技术层面上,对选定的挂篮还需进一步优化结构形式和杆件的设计。轻型、重载的挂篮结构形式对增强施工现场的可操作性、创造经济效益有着重要意义。

2.5 边中跨合龙

合龙施工是连续梁体系转换的重要环节,它对保证成桥质量至关重要。刚构合龙原则是低温灌注。合龙前使两悬臂端临时连接,保持相对固定,以防止合龙混凝土在早期因为梁体混凝土的热胀冷缩开裂。同时选择在一天中的低温(不超过20℃)、变化较小时进行混凝土施工,保证混凝土处于温升、在受压的情况下达到终凝,避免受拉开裂。按照设计的合龙顺序为先两个边跨对称合龙再中跨合龙,而后完成体系转换,形成连续刚构。

边跨合龙长度2.0 m。边跨合龙段施工时,保留合龙用的挂篮外侧模后拆挂篮的其余部分。安装但不固定合龙段底板和外侧模板,将其对称支在悬臂端和边跨现浇段上。然后将现浇段和T构梁面上的杂物清理干净,T构施工必须的施工机具放置在指定位置(0号段上)。接着将T构及现浇段上的所有观测点高程精确测量1遍,比较边跨合龙段两侧两个梁段的顶面高程。如果其高差Δ＜15 mm,则继续下步施工,若高差 Δ＞15 mm,则根据计算软件计算确定使 Δ＜15 mm的办法,按照计算使用配重,将水箱或砂袋放置在梁上的指定位置,再进行合龙施工。

中跨合龙段2 m采用T构两端的挂篮作为吊架现浇施工。合龙段施工时,不要引起该段施工的附加应力。施工步骤为:制作吊架后,设置平衡重和刚性骨架,支模,绑扎钢筋,安放预应力管道,然后选择时间浇筑混凝土,同时分级卸掉平衡重,最后张拉预应力束、压浆封锚。

石武客运专线郑州至武汉段驻马店特大桥456号～459号墩连续梁中跨合龙段合龙误差0～4 mm,456号墩边跨合龙段合龙误差-2～1 mm,459号墩边跨合龙段合龙误差-2～1 mm,均小于规范规定的±15 mm。

3 结语

驻马店特大桥(40+64+40)m连续梁施工,从浇筑457号墩0号块到最后完成中跨合龙,总共历时114 d,全桥边中跨顺利合龙。成桥后,全桥联测梁顶实际高程与理论高程最大误差-5～+14 mm,小于规范规定的±20 mm。

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