多跨连续刚构桥同步合龙顶推优化施工技术①

章海阳

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

0 引 言

在我国城市化和交通运输业的蓬勃进步带动下，桥梁领域发展迅速。连续刚构桥适用于大跨度、高墩桥梁,吸收了T形刚架和连续梁桥的综合优点，主梁与桥墩刚性连接，具有施工简单、简洁美观、结构经济适用抗震性能良好等优点[1]。连续刚构桥适应性强，在山区、平原、河流等不同地形地貌中均可采用。在地处黄土高原沟壑纵横的陕北地区，这种特殊的地形条件更适合建设高墩大跨连续刚构桥[2]。

铜黄高速公路沮河大跨度连续刚构桥采用多跨同步顶推一次整体合龙技术，通过桥梁博士(Doctor Bradge)软件进行计算，该施工技术使内力变化更加均匀，随着超静定次数的增加和结构形式的不断变化，复合内力的计算比逐孔合龙产生的二次内力的计算要方便快捷。另外采用多跨连续体系一次合龙与设计线形基本一致，受力更为平均，施工效率高，2013年7月28日，该桥成功合龙。

1 工程概况

铜黄高速公路沮河大跨度连续刚构桥主桥长为978m，深基础、高墩、大跨度相结合。桥面到沟壑底部最低处的高差为181m。主桥采用薄壁轻型桥墩，墩高140m，总跨度650m，是当时中国西部最高最宽的桥梁，实景图见图1。该桥位于陕西省铜川市境内，上部结构两侧分别为5联和3联跨度为40m的装配式预应力混凝土箱形连续梁，中间为(85+3×160+85)m预应力混凝土连续刚构。

图1 沮河大桥实景图

沮河大桥穿越黄土高原沟壑地区，地形地质条件极其复杂，大桥两侧地形较陡。桥桩基总数210根，全长7572m，混凝土砌体体积19669m3。5,6,7,8号墩为全桥主墩，高度分别为75.6m,125.6m,140.5m和74.3m，如图2所示。

图2 沮河大桥立面布置(单位:m)

2 设计特点

2.1 满足最大承载力结构设计

单箱单室主梁不仅截面宽(16.65m)，而且中、侧墩高差较大，另外混凝土自重大。依据结构分析，温度、徐变等对结构起主导作用。对纵向和竖向预应力进行合理配置，上部结构箱梁可承受结构承载力；下部结构增加2根间距12cm,Φ28mm钢筋，桥墩底部和顶部增加至3根，确保承受最大承载力。

2.2 腹板防裂缝措施

(1)为了确保足够的梁高，改善主梁的受力状态，通过将主梁的刚度增加，设计选取跨中高跨比1/45.71，根部高跨比1/16.327。

(2)将梁底面线性原设计的抛物线从2次优化成1.8次，减小四分之一跨附近截面的主拉应力。

(3)在计算中竖向预应力效应降低60%，确保主拉应力不受施工工艺影响造成较大的计算偏差，导致箱梁腹板开裂。

(4)为了改善纵向预应力筋的布置，将纵向预应力筋弯折至箱梁截面中心以下位置，以提供更大的预剪力，而不是直筋。另外，把竖向预应力的影响系数×0.6，防止主拉应力因施工等因素导致实际值与设计值存在较大偏差而出现开裂，主拉应力得到较大提高[3]。

(5)将间距为5cm的高强度弹簧钢丝放置在网底板外侧和主梁腹板，阻止裂缝进一步发展。

2.3 提升主墩承受力措施

2.3.1 把梁高增加提高主梁承受力及刚度

根部梁高最好为主跨的1/16～1/18。跨中梁高度应为主跨的1/40～1/50，小跨度取较大值。沮河大桥根部梁高和跨中梁高分别为9.8m和3.5m，符合设计要求，分别为主跨的1/16.3和1/45.7[4]。

2.3.2 适当降低边跨与中跨的比值

连续刚构桥边跨与主跨的比值主要在0.52～0.58范围内。降低边跨和中跨的比值，从而减小边跨现浇截面的剪力和该段主拉应力。最终桥边跨比值为0.53。

2.3.3 提高横向稳定性

在合龙的次边跨施加150t顶推力。针对桥梁总跨度为650m，为抵消后桥梁收缩徐变的影响，同时改善侧墩的受力。计算表明，双薄壁型边墩，刚度较小；单薄壁型中桥墩，刚度较大。最高墩高达140.5m，横向风荷载效应明显。通过计算，中桥墩采用变截面设计，在节约施工材料的同时，提高了横向稳定性。

2.4 对合龙顺序进行优化

边跨和中跨合龙是影响桥梁整体应力状态和线形的重要步骤。为确保结构在施工过程中不受到不平衡荷载，必须确保连续刚构桥处在变形稳定状态，再进行边跨现浇和边、中跨合龙。桥梁合龙原设计采用先边、再中、最后次边跨顺序。优化后，采用5个合龙段同时一次性合龙。5号墩,8号墩边跨合龙段，借助20号浇筑块挂篮向前移动2m，将底、侧模进行拼装，将内、外滑梁拉出当做合龙段模板支撑系统；5号墩和6号墩(8和7)号墩间次边跨合龙段借助5(8)号墩完成浇筑的20号墩挂篮向前移动2m后，拼装底模和侧模。这个时候，6(7)号墩二次边跨合龙段浇筑的20号墩挂篮后退2m；中跨合龙段6号墩挂篮后退2m以后，借助 7 号墩上面的挂篮助力合龙。桥梁博士软件分别计算分析了先边跨后中跨合龙的原设计方案和优化后的一次性合龙方案对主梁线形的影响、对墩顶进行水平位移、对主梁应力分析等三个方面[5]。

桥梁博士计算模型整个桥梁共分为255个小单元，其中墩身71单元，桥面系184个。结构的离散计算模型如图3所示。

图3 桥梁博士计算模型

验算结果表明：(1)两种不同的合龙顺序对主梁线形影响在桥梁完工阶段差异稍大，桥梁竣工阶段最大差为4.7cm，三年后的影响差异不大；(2)墩顶水平位移在两种合龙顺序中基本相同，一次合龙比分步合龙位移略小；(3)在竣工阶段，不同合龙顺序主梁应力差异不大，三年运营后主梁应力基本相同；综上所述，可以实施一次性同步合龙方案。

2.5 跨中预拱度设置

挠度会受收缩徐变一定影响，而且精准计算难度大，因此在设计中酌情增加跨中预拱值，确保桥梁建成后主桥线形。跨中预应力强度、主体结构和桥面施工出现超方、收缩徐变的影响、施工质量等是进行预拱度倾角设置时必须注意的问题。所以跨中进行预拱度倾角设置应偏大一些。

该桥边跨悬臂端和跨中结合规范和施工经验值分别按照40mm和160mm进行计算，对于其余的节点依据余弦曲线进行计算。

2.6 施加顶推力

悬臂施工中，连续刚构桥受梁重、温度升降、挂篮模板收缩膨胀变形、预应力钢束张拉、混凝土徐变综合等外因的作用，可能导致一些形变。对其结构力学性能作用最大的是混凝土在后期的收缩膨胀变形。因为混凝土徐变收缩导致主梁也收缩，主墩逐渐偏向跨中倾斜，不仅大大降低桥梁的外观和行车舒适程度，也使结构受力不平均。为改变此形态，在施作过程中经常增加水平顶推力，使各墩顶向桥梁中部反方向纵向位移，从而抵消收缩形变。尽管混凝土收缩徐变影响较大，但5年以后，几乎不再存在徐变影响，可忽略[6]。

由于多跨同时合龙时，顶推力大小不易确定。不同施工条件(合龙温度)下，借助影响矩阵法，通过数值模拟计算墩顶水平位移和相应顶推力，拟合出顶推力与合龙温度的关系式。通过实时监测温度，可获得最佳顶推力，助力合龙。

为使顶推力对截面产生的附加弯矩最小，顶推应对称分布，四点顶力应按截面形心不产生弯矩的原则分布。在顶推作业过程中，主墩顶位移是主控，顶推力辅之。为消除前述困难，通过计算，在该桥次中跨合龙时，将200t水平顶力向两个边墩对称施加。

3 合龙段施工步骤

3.1 挂篮施工流程

合龙段浇筑应用挂篮技术，详细的合龙方式示意图如图4所示。

图4 合龙方式示意图

完成第20节浇筑后，将7号墩T型结构两侧挂篮底、内、侧模卸下，后移挂篮主桁架到第17节，6号墩临近5号墩的侧挂篮进行底模拆除后向后移动2m。7-8号次边跨、8-9号边跨合龙段借助8号墩两侧挂篮，6-7中跨合龙段借助6号墩临近7号墩方向的侧挂篮，5-6次边跨合龙段及4-5边跨合龙段借助5号墩两侧挂篮。

3.2 合龙段施工技术

3.2.1 合龙段施工流程

第一步：对20标段进行施工；第二步：卸除桥面荷载；第三步：将挂篮向前移动到位；第四步：进行配重设置；第五步：阶梯式顶推；第六步：进行锁定；第七步：浇筑合龙段混凝土；第八步：张拉预应力筋。

3.2.2 合龙前的准备

查询天气预报，查看有无极端天气。另外对合龙段进行复测，并解除悬臂端临时荷载。结束20节悬臂端施工后，拆除箱梁顶面及内箱材料设备。施工机具等必要的材料和设备可在0节附近堆放或吊运到墩下面，以尽量降低对箱梁悬臂端高程的干扰。

4 一次合龙关键施工步骤

4.1 模板及钢筋安装

将7号T构两侧挂篮后退到17段，5号墩、8号墩T型结构两端挂篮，6号墩向7号墩一端的侧挂篮向前移动到最佳位置进行合龙段浇筑。6墩另外一侧挂篮底模拆除向后移动2m。

(1)次中跨及中跨现浇段：把挂篮向前移动到对面20号段的端补位置以后，将外滑梁滑出后，锚定在另一端节20上，将挂篮底模进行下放，钢丝绳临时悬挂在外模上，对挂篮前吊索进行拆除，底模及外模和通过倒链拉出，把前下横梁滑移到20号段另一端之后，通过精轧带肋钢筋在底板上进行锚固，见图5。

图5 合龙段挂篮示意图

(2)边跨合龙段：降低挂篮底模，将挂篮底模向前移动到最佳地方，合龙段底模采用10cm×10cm方木作为顺桥向背带，横向承重梁采用3根双槽钢。挂篮侧模作为外模，外滑梁滑出锚后，固在现浇段上，当外模从滑梁滑出以后，即完成就位。

把底模、侧模进行就位以后，对底板、腹板钢筋进行绑扎，并将预应力管进行安装。绑扎底板和腹板钢筋以后，再对内模进行安装。用挂篮内模作为内模，借助内滑梁将其滑到位。

合龙段通过绑扎形式对20段、现浇段与所有纵向钢筋搭接好，顶推进前，两端只绑扎一端。顶进完成后再绑扎好纵向钢筋，防止顶推时，纵向钢筋对位移有影响。合龙段腹板模板拉杆在顶推前不拉紧，等完成顶推后，将螺栓拧紧。

合龙段钢绞线在钢筋及预应力管道安装完毕后进行穿束，穿完以后，不能够使用锚具夹片施工。

安装钢筋要点：(1)当预应力钢管(筋)及预埋件和钢筋不匹配时，把普通钢筋妥善处理，不允许被切断(减少)；(2)混凝土保护层垫块数量必须依据4个/进行布置，垫块绑扎必须牢固，混凝土保护层厚度必须满足要求；(3)安装钢筋前，在模板上放样到位，确保钢筋间距符合规范。

4.2 配重设置

配重设置在T型结构两侧的悬臂端。配重通过砖砌水池形式，水池用2cm厚的砂浆抹面，以免出现渗水。池底设排水阀，同时设水泵。水池的净尺寸为1.5m× 4.5m×6.5m，最大蓄水量44m3，水池采用240砖墙，砌体重量达166kN。用油漆在水池中标出刻度。两个刻度线之间水的重量约等于2m3混凝土的重量。

4.3 进行顶推

在各合龙段(不含边跨)顶板与腹板之间的倒角处通过2台500t千斤顶进行顶推。在进行第20节施作时，首先将钢板预埋，合龙段采用36a工字钢制作劲性骨架，通过32a双工字钢，把顶推反力劲性骨架焊接牢固。2根为一组锁定位置，每个合龙段共布设4组劲性骨架。顶推及锁定劲性骨架布置示意图如图6所示。

图6 锁定劲性骨架布置和顶推示意图

当天的温度最低且稳定时进行顶进。顶推前，把预埋钢板与劲性骨架一端焊接，另一端等顶推就位后进行焊接。另外，根据油顶标定数据表预先把各级应力对应的油表读数计算出来，并设置两台全站仪，对两主墩顶偏移情况进行观测。顶推力缓慢平稳增加到设计要求，然后将位移控制数据与设计要求进行比较，并做好记录。

顶推后，如果劲性骨架与预埋钢板存在间隙，应将提前准备好的3mm-10mm厚的钢板进行充分填塞，再把钢板焊接牢固。当合龙段达到所需顶力，位移满足设计要求时，再进行骨架焊接。

4.4 混凝土浇筑及养护

选择当天温度最低且稳定时进行合龙。现场拌合站拌合好混凝土后，通过混凝土泵车运输到浇筑现场，依次对底板、腹板和顶板分层对称浇筑厚度为30cm混凝土。底板和顶板混凝土初凝以后，进行土工布覆盖，并进行不少于14d的洒水养护。

5 结 语

采用大跨度连续刚构桥多跨同步顶进一次合龙技术，合龙精度误差控制在6mm以内，远小于设计要求。一次合龙技术缩短了工期，加快了施工进度，使主梁受力情况更加均匀，受力合理，悬臂施工更容易控制挠度，系统转换次数也减少，降低了成本，达到了纠偏的目的，成桥速度快。但为确保合龙方案的桥梁能顺利合龙，有关施工技术人员务必采取有效措施，对合龙模板的选择、临时合龙束的设计、劲性骨架的设计、锁定时间的选择、顶进位置、顶进力控制等进行科学组织，这样才能确保合龙质量。大跨度连续刚构桥多跨同步顶进一次合龙技术的采用，不仅大大缩短了桥梁的施工周期，而且为我国桥梁施工技术的创新和发展积累了成功经验。沮河大桥被国家交通运输部列为国家标准化和信息化建设重点示范工程，大桥所在的项目部也被评为陕西省公路标准化建设示范单位。