缓和曲线空间扭曲箱梁预制拼装施工关键技术研究

王 敏 刘景红 张永涛

（1.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，武汉 430040；2.中交第二航务工程局 第二工程有限公司，重庆 404100；3.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，武汉 430040）

多跨混凝土梁桥是一种常用的结构形式，从20世纪90年代以来，被广泛应用于我国越江跨海通道非通航孔桥和城市桥梁建设中，长距离跨海桥梁在外海深水恶劣环境下，由于受台风、雷暴、大雾、风浪、严寒气候及潮汐等恶劣气候条件的影响，施工的有效作业时间很短，给施工带来意想不到的困难，故在制订施工方案措施时尽可能减少水上作业时间，变水上施工为陆上施工，长大跨装配式结构在跨海桥梁施工中有着很大的施工优势，采用预制构件建设大桥具有施工速度快，质量控制好，占地少，混凝土收缩、徐变小，竣工后梁体线形变化不大等优点.另外，针对城市高架道路及城市高架轨道交通施工，因其处于交通繁忙的市区或交通量较大的主干线，需最大可能减少对地面交通、周边环境的影响，道路和土地的占用随着城市文明程度的提高也越来越不可能随心所欲，预制节段箱梁拼装施工法因其施工架设简单、机械化程度高、对周围环境影响小、外形美观等优点，在美、欧、日本、新加坡等国家的城市高架及跨江大桥中大量采用，并取得了很大的成效［1］.

近几年，短线预制施工工法在我国应用逐渐增多，苏通长江公路大桥、厦门集美大桥、上海祟启大桥、南京四桥、嘉绍大桥等工程项目都采用该项技术.但这些项目中，除南京四桥外，其余桥梁结构线形变化相对简单，平曲线半径较大，不存在缓和曲线段，箱梁断面未有扭转现象.而南京四桥系采用逐孔悬挂拼装，其预制、安装难度均小于厦漳大桥.相对厦漳跨海大桥70m跨径空间扭曲箱梁空间技技术研究，在国内尚未见相关研究成果，因此，厦漳跨海大桥缓和曲线超高段节段预制安装施工关键技术是值得深入研究的课题.

1 工程概况

厦漳跨海大桥工程起于在建的厦门至成都国家高速公路（厦门海沧至漳州天宝段）青礁枢纽互通，跨厦门湾经海门岛，止于漳州龙海后宅.厦漳跨海大桥北汊南引桥K3＋795～K6＋007.4段，为双幅70m和66.7m连续箱梁桥，采用短线匹配预制、拼装设计与施工，且位于R＝1 690m的平曲线上.箱梁截面为单箱单室结构，梁高3.8m，顶宽15.9m，底宽6.7m，共有节段数量1 332榀.

图1 桥梁结构布置图

2 厦漳跨海大桥节段预制拼装桥梁施工关键技术

与国内类似工艺建设的桥梁相比，厦漳跨海大桥节段预制拼装的难点在于：（1）自里程桩号K3＋799.708～K3＋940.333和 K4＋838.868～K4＋979.493段，设有缓和曲线超高段，其横坡值从－2%到3%，最大变幅为5%.超高段采用箱梁结构扭曲调整，而非桥面辅装调整方式，因而导致该段内的箱梁结构产生扭曲现象，使得梁段横断面尺寸产生变化，这与以前的短线匹配法流水作业的作业原理即在相同的模板系统内完成多榀或全部梁段的预制相违背；同时，梁段的扭曲带来了控制数据的微变，即平面控制点和标高控制点位置偏移.实现该缓和曲线超高段的梁段预制、拼装，同时保证施工线形精度，进而拓展该项工法的应用范围是非常有意义的；（2）厦漳大桥K3＋940.333K～K4＋838.868段为半径为1 690m的圆曲线.1 690m的平曲线半径对于一般的桥梁结构而言，其曲线半径足够大；但对于跨径为70m的节段拼装式桥梁，则其属于小曲线半径.用于70m跨的节段的拼装架桥机，其长度须大于140m（二跨桥长），此时的曲线中矢距达1.45m，如何保证架梁时的横向梁段就位、以及克服边跨悬挂时的架桥机偏载、架桥机过跨的摆位问题是非常值得研究的.

2.1 空间扭曲箱梁节段预制半刚性模板系统的研发

空间扭曲箱梁节段预制的难点在于通过对节段几何尺寸的控制获得期望的结构几何构型.匹配节段精确设置，需要严格的几何控制、浇注现场精确调位和熟练的测量人员，而其硬件则直接通过模板系统来体现.主梁横坡最大变幅为5%（横坡值从－2%变化到3%），设计标高处梁宽15m，超高里程内梁段超高值为750mm，按最大预制节段长度4m考虑，单节梁段两端高差值为22mm，如图2（a）所示.扭转后箱梁各部位位移参数见表1.

图2 空间扭曲箱梁节段预制半刚性模板

表1 扭转后箱梁各部位变形参数表

因此在预制过程中，多功能半刚性模板系统底模应具有一定柔度，其刚度在满足常规梁段预制的前提下，又能适应表1变形的要求（底板可调整成空间曲面，其中一点低于或高于其他三点形成的平面16 mm）.箱梁在缓和曲线超高段呈一个扭面，其中一个点与其余三点所形成的平面有一定高差，最大差值22mm.即要求通过底模台车调整底模时，匹配梁端的底模其中一点必须能满足低于或高于其余三点所形成的平台最大值22mm要求.研发出的自动化模板系统通过ANSYS建模计算分析，计算图如图2（b）所示.数据分析结果表明，在顶升点顶升或降低22 mm时模板4个支点受力方向一致，说明当匹配梁段调整超高值到位后，利用底模在自重作用下的弹性变形，即可实现通过台车竖向千斤顶调整底模，与匹配梁段底面的贴合.

多功能半刚性模板系统设计考虑模板使用的通用性以及模板周转的方便.该模板系统分为固定端模及支架、活动端模（0号梁预制）、外侧模及支架、内模及移动支架、底模及底模台车、液压系统等几部分组成.其模板系统图如图3所示.

图3 模板系统图

2.2 小曲率半径节段安装架桥机设备

普通直线或者大半径圆曲线箱梁采用架桥机悬臂安装时，桥轴线与架桥机轴线基本重合或者轴线偏位较小，在架桥机起重天车的横向移位的可调整范围0.5m内，安装过程中不需要横向移位，安装较简单；而对于厦漳跨海大桥1 690m的小半径圆曲线箱梁安装，桥轴线与架桥机轴线存在较大的轴线偏位，远远超出了架桥机自身的横向移动范围，在架桥机长度内、曲线中矢距达到了1.44m，如图4所示.

图4 平曲线半径为1 690m的桥机中矢距示意图

为了使架桥机在自身的横向移动幅度内能够完成曲线段箱梁节段安装，在安装过程中需要不停地根据桥轴线横向移动或平面旋转架桥机轴线方向，减少各工况下起重天车的横向移动幅度，使其能够在自身横向移位范围内完成曲线段箱梁安装.

本项目研发出的集机、电、液一体的自动化预制节段拼装架桥机设备解决了在圆曲线半径1 690m上安装70m跨箱梁的3个关键技术难题：

1）架桥机在T构悬拼、0号块安装、前悬挂、后悬挂、架桥机过跨等各种工况下，既确保了架桥机能在自身范围内完成曲线段箱梁安装，又能保证架桥各工序的衔接连贯性.

2）对称悬拼和0号块安装时，架桥机由3个支点（前支腿、中支腿、后支腿）支撑，要同时横向移动后支腿和前支腿才能达到桥机轴线横向预偏位，本架桥机实现了三点支撑的超静定架桥机体系横向移位.

3）解决了在小半径曲线段箱梁边跨悬挂安装时，因箱梁与架桥机轴线的不重合，从而使得梁段对架桥机主桁架产生不均衡受力的偏载现象，同时架桥机前、中、后支腿横向移动时可能存在的不同步性，对架桥机产生较大扭矩等不利于安全的问题.

厦漳跨海大桥70m跨箱梁采用TP75上行式双导梁架桥机进行拼装，其结构如图5所示，本架桥机主要由主桁结构、前支腿、前后中支腿、后支腿、临时中支腿、起重天车、10t行车、吊具总成（含辅助吊具）、液压系统、电控系统、横移过幅机构、张拉作业车及其他辅助构件组成.

图5 TP75架桥机结构图

2.3 空间扭曲箱梁短线法节段预制安装控制技术

本工程与其他短线法工程预制阶段施工控制的不同之处在于，第一联及第三联的缓和曲线段内均存在横坡逐步变化的超高曲线段.缓和曲线空间扭曲箱梁预制与普通箱梁预制不同之处在于，处于匹配位置的梁段需要旋转一定角度以形成桥面安装时需要的横坡，预制成型的梁段顶面为双曲面，如图6（a）所示，γ值为图6（a）中相邻梁段的坡度值之差［2］.

在箱梁预制过程中将形成高程误差和接缝面横坡误差Δαi，如图6（b）.而梁顶平面为理论上的双曲面，4个高程控制点不处于同一个平面内，即使高程控制点误差发展方向与图中类似，一旦节段预制成型后，这种误差也存在失控的可能性.而在实际施工过程中，节段预制后往往同时还产生平面及高程的耦合误差.

考虑到厦漳跨海大桥空间扭曲箱梁的特殊性，对预制节段控制点误差修正采用一种优化调整方案，不在下一节段浇筑中一次修正，而是在之后若干个节段浇筑过程中，逐步加以修正.这种调整方案的目的是使误差得到优化（如图7所示），使控制点位置在后续若干个节段浇筑后达到理论位置，并保证节段衔接光滑性［3］.

图7 预制逐步修正法示意图

在空间扭曲箱梁预制节段的安装控制过程中，施工控制考虑了吊装不平衡性的影响，做到精确匹配就位，同时，研究了采取措施控制克服偏重，确保成桥线形与设计线形吻合.最终使“T”构悬臂端标高方向误差控制在10mm内，安装精度符合要求.选取实际N16号墩“T”构安装误差如图8所示.

图8 N16号墩“T”构安装误差图

3 结 语

本项目研发的关键创新成果具有广阔的市场需求，极大地推动了我国公路桥梁建设行业的技术进步，突破了国外技术壁垒，有力地推动我国桥梁建设由传统的劳动密集型、作业松散型向机械化、工厂化作业转化，提升了我国桥梁产业化水平，将传统的建造业升级为先进的制造业，实现了产业的转型升级，具有显著的社会、经济效益［4］.

［1］ 李国平.节段式体外预应力混凝土桥梁的构造［C］.中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文，2006.

［2］ 李甲丁.南京长江四桥节段预制拼装刚构体系与抗剪性能研究［D］.南京：东南大学，2010.

［3］ 李国平.干接缝节段式预应力混凝土桥梁的优势与缺陷［J］.中国市政工程，2008.

［4］ John J.Sun，Gernot Komer.长大桥梁工程的先进节段预制技术及其运用［J］.公路，2009（5）：73－80.