高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工关键技术研究

戴湘波

（广东冠粤路桥有限公司，广东 广州 511400）

0 引言

预应力混凝土连续刚构桥采用悬臂浇筑施工技术时，需要对不同梁段的关键结构参数进行必要的监控。桥梁施工阶段，梁段的立模标高需要依据之前的监测结果进行必要的预测和调整，确保悬臂端合龙时的相对标高误差小于设计允许值，且不会对梁段结构造成损伤，这有助于刚构桥成桥整体线形平顺、受力稳定。关于高墩大跨度连续刚构桥的线形、应力随施工变化发展的研究是桥梁设计与施工的关键工作，对于桥梁安全稳定运行具有重要的社会经济效益。

1 工程概况

甘肃省S10 凤县（陕西）至合作（甘肃）高速公路卓尼至合作段一期工程路基、桥梁、隧道工程ZH04 标段位于甘肃省甘南州临潭县，桥梁工程第二联主桥跨越西沟河东岸的公园及西沟河，为了降低建桥对公园景观的影响、减少公园内的桥墩数量，桥跨布置为（55+3×100+55）m，采用预应力混凝土变截面连续刚构形式。桥梁上部结构箱梁采用单箱单室截面，纵、横、竖三向预应力体系。桥宽为12.55m，箱梁根部梁高为6.0m，跨中梁高为2.5m，箱梁高度按1.8 次抛物线变化。箱梁顶板宽为12.55m，底板宽为6.5m，翼缘板悬臂长为3.025m。箱梁顶板设横坡，底板横桥向水平。箱梁0#、1#块总长度为11m，顶、底板厚度分别为0.5m 和1.0m，腹板厚度为0.7m；距墩中心4.0m 处至跨中，箱梁顶板为0.32m 等厚度；距墩中心3.0m 处至跨中，底板厚度从0.7～0.3m 按1.8 次抛物线变化；腹板厚度从0～7#块为0.7m，9#块以后为0.5m，8～9#块由0.7m 按直线变化至0.5m；主桥下部结构采用双薄壁墩、双柱式桥墩、薄壁空心墩，桥墩高度70～90m，柱式桥台，墩台均采用桩基础，根据该桥地质情况，墩台基础按照摩擦桩和端承桩设计。项目组拟对该刚构桥开展悬臂施工技术分析，以确保其施工质量。

2 高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工关键技术

2.1 墩顶施工

主墩0#块施工阶段，桥墩墩高较高，0#、1#块均采用支架现浇进行箱梁施工。0#块施工结束之后，在两侧对称1#块处进行1m 钢筋混凝土柱施工，确保支撑体系的稳定性，之后采用钢桁梁进行底侧模支撑，采用C55 混凝土浇筑施工，主墩梁段施工中需要尽可能避免产生较大应力；墩顶梁段混凝土施工采用临时支座进行锚固，对连续梁段开展悬臂分段浇筑；施工力矩则要确保平衡，施工应力则要进行及时分析，避免支座难以承担应力变化。0～3#块梁段混凝土施工中，项目采用35 段螺纹钢开展保护工作[1]。

2.2 挂篮制作

高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工需要进行挂篮安装，移动挂篮进行其余梁段混凝土浇筑。施工挂篮的设计及计算需要参照相应规范开展。3#块梁段施工阶段，项目采用菱形挂篮，主要包括横梁、悬吊、主桁架等结构，挂篮结构制作需要选取合理材料，并保证其精确性，避免结构力学体系变化影响其承载性能；挂篮制作结束之后，则要进行无损焊缝检测，减少后续质量缺陷。挂篮需运送至主梁交叉段顶面，利用钢轨枕定位；之后吊装主桁架，进行连接体系安装。挂篮在悬臂浇筑过程中需要对其相应变形进行分析，确保施工预拱度。吊装作业相关设备及材料性能则要开展必要检测，确保承载力满足施工要求。

2.3 预压及混凝土浇筑

挂篮整体结构则要开展预压荷载检测，这有助于改善挂篮的整体稳定性；挂篮安全系数则要进行设计荷载检测；混凝土浇筑前需要对挂篮位置及模板标高进行及时纠正，且设备需要进行必要清洁，混凝土接触界面要保证整洁和湿润；现场采用木制模板，并要对其进行泡胀处理，避免浇筑过程中水分过多而造成结构裂缝现象；大面积混凝土施工衔接很容易出现施工缝，为此，项目采取分段施工的方式，以保证不同工序之间分层浇筑混凝土的准确性、完整性；主梁顶板、腹板位置的混凝土在浇筑后要进行二次振捣，以提升混凝土密实度；分层浇筑混凝土的振捣时间则需要保持在30s 以内，泵送混凝土施工则要控制混凝土坍落度（20cm 左右）；为避免出现混凝土温度裂缝，需要进行现场湿养护。悬臂现浇梁段最大重量为128.6t，挂篮自重按60t 考虑[2]。

2.4 悬臂施工

箱梁采用挂篮悬臂现浇法施工。各单“T”形箱梁除0#、1#块外分为12 对梁段，箱梁纵向分段长度为3×3m+3×3.5m+6×4m；0#、1#块总长为11m，在墩顶托架上现浇施工，箱梁四个“T”形同时对称悬臂浇筑。主桥边中跨合龙段长度均为2m，边跨现浇段长度为3.76m；主桥边中跨合龙段采用吊架现浇施工，边跨现浇段在墩旁托架上现浇施工。

3 高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工监测

3.1 技术要点

该刚构桥悬臂施工线形和施工技术、结构规模、跨径等密切相关，为确保施工成桥线形平顺，施工阶段线形控制技术指标需要满足如表1 所示要求。考虑到箱梁梁段施工线形误差极容易受到周围环境及技术、设备的影响，项目人员需要及时进行不同控制截面尺寸、高程的动态检测，对后续梁段进行误差调整[3]。

表1 施工线形控制技术指标

3.2 施工监测方案

该刚构桥主梁施工阶段需要确保其线形满足设计要求，主梁线形监测方案需要对不同梁段截面开展监测点位设置。截面测点布置如图1 所示。主梁线形监控设备则为精度小于5mm 的水准仪，不同梁段标高测定则主要在挂篮移动、主梁预应力张拉、混凝土悬臂浇筑等过程开展；在混凝土悬臂浇筑节段，梁段底部则要初始设置2 个原始测点，该测点需要在混凝土浇筑完成后依靠提升装置提升至梁段顶面[4]。

图1 箱梁截面线形测点布置示意图

4 有限元分析

4.1 模型构建

本文通过项目实际施工特点构建有限元MIDAS Civil 混凝土刚构桥模型进行模拟，并且开展桥梁不同施工阶段的线形变化情况分析。有限元模型上部箱梁采用C55 混凝土模拟，主墩墩身采用C50 混凝土，承台采用C35 混凝土；箱梁内部预应力结构采用钢绞线（fpk=1860MPa，=15.24mm）；刚构桥有限元模型总共包含250 个单元，共计325 个节点，采用梁单元对桥墩及箱梁开展模拟，箱梁为组合截面构造，下部桥墩则采用等截面模拟；桥墩、主梁之间的连接则依照实际情况采用刚性连接模拟；该桥梁并不需要考虑土体及桩基础之间的相互作用及变形，桩基础和土体之间则仅进行模型边界固定处理，桩基础则采用梁单元模拟，基桩设计间距控制为4.5m；刚构模型荷载主要包括桥梁施工荷载及二期荷载（考虑混凝土20 年收缩徐变），前者主要包括张拉预应力1460MPa、桥梁上下部结构自重、滑模施工荷载330kN/m、悬臂挂篮及支架荷载1480kN；后者则主要包括行车荷载、行人荷载、二期铺装层荷载[5]。

4.2 理论线形分析

该刚构桥施工阶段具备荷载种类较多、主梁预拱度影响因素较多的特点，本文主要对桥梁2#块主墩开展混凝土收缩徐变及支架挂篮作用下的理论预拱度分析。不同影响参数下理论预拱度发展变化情况如图2 所示，图2（a）表明，混凝土20 年收缩徐变下的刚构桥理论预拱度变化幅度较大，且混凝土收缩徐变造成的预拱度变化主要产生在跨中区域，中跨位置变形明显要大于边跨；施工活载理论预拱度变化如图2（b）所示，结果表明，跨中位置变形受活载影响效应不可忽视，且主墩位置处也受到活载影响，这主要归因于主墩存在沉降变形；图2（c）则考虑上述因素下的理论预拱度变化，主墩2#块存在突变变形，这主要是由于该区域附近存在明显的收缩变形。在实际施工阶段，主墩0#块位置混凝土浇筑前，技术人员需要对其变形部位进行一定加固[6]。

图2 不同影响参数下理论线形变化

4.3 线形对比

为分析主梁线形施工阶段和理论模拟的误差，本文考虑主梁2#墩4#梁端在预应力张拉和混凝土浇筑情况下的理论、实际线形对比，相关变化比较情况如图3 所示。研究结果表明，实际监测和理论线形之间的变化规律具备一定相似性，且两者变形拟合度相对较高，部分位置的数据存在一定偏差，误差整体控制在0.2cm 以内。经过后续现场分析可知，线形误差主要归因于检测设备数据采集误差及提升钢筋造成监控点位置偏差、环境温度变化等[7]。

图3 实际施工、理论模拟线形对比

5 结语

大跨度连续刚构桥在我国复杂的地质环境中应用优势极为显著。刚构桥施工需要重点关注其变形、应力发展情况，成桥线形决定了后续桥梁运营的稳定性及社会效益。刚构桥线形影响因素较多，本文结合具体工程项目，对高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工关键技术进行分析，并且设计了施工线形监测方案，对理论与实际主梁线形发展情况进行对比，获取了可靠研究成果，对于推广高墩大跨度连续刚构桥悬臂施工关键技术应用具备一定的现实意义。