臨工兩塔斜拉橋合龍方案研究

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(青島理工大學(xué)(臨沂)， 山東 臨沂 273400)

臨工兩塔斜拉橋合龍方案研究

劉傳奇，韓光森，路軍

(青島理工大學(xué)(臨沂)， 山東 臨沂 273400)

邊跨合龍影響內(nèi)力，中跨合龍影響線形，為了保證臨工兩塔斜拉橋順利合龍，提出試算合龍口剛臂單元彈性模量的方法計(jì)算勁性骨架。采用灼燒法解除臨時(shí)固結(jié)，將臨時(shí)固結(jié)解除時(shí)間控制在1 h之內(nèi)。采用鋼管混凝土代替硫磺砂漿作為塔梁臨時(shí)固結(jié)的墊層，解決了硫磺砂漿拆除困難的問(wèn)題。采用游標(biāo)卡尺量測(cè)合龍口間距的辦法，確定合龍口隨溫度變化間距最大的時(shí)間點(diǎn)。

斜拉橋； 合龍； 勁性骨架； 臨時(shí)固結(jié); 鋼管混凝土

1 工程概況

混凝土兩塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)體系安全可靠，受力合理，不但能滿足當(dāng)代混凝土橋梁大跨度的需要，而且線形優(yōu)美，整個(gè)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力，帶來(lái)極大的審美效果[1]?；炷列崩瓨蛟诟鞣N橋型中具有獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力，以及深遠(yuǎn)的市場(chǎng)發(fā)展前景。邊、中跨合龍?jiān)谛崩瓨蚪ㄔO(shè)過(guò)程中非常關(guān)鍵，起到畫龍點(diǎn)睛的作用，邊跨合龍影響內(nèi)力，中跨合龍影響線形。

臨沂市臨工大橋是山東省重點(diǎn)工程項(xiàng)目，主橋采用兩塔斜拉橋半漂浮結(jié)構(gòu)體系，主梁是全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中塔梁臨時(shí)固結(jié)，采用掛籃施工工藝，施工難度系數(shù)大。臨工大橋分2次合龍，邊跨預(yù)留2個(gè)2 m的合龍口，中跨預(yù)留1個(gè)2 m的合龍口[2]。臨工大橋主橋跨徑組成為100 m(邊跨：預(yù)應(yīng)力混凝土梁)+230 m(主跨：預(yù)應(yīng)力混凝土梁)+100 m(邊跨：預(yù)應(yīng)力混凝土梁)=430 m。橋塔采用混凝土H柱型斜塔，主塔全高109.65 m(含塔座)，橋面以上塔高80.6 m，橋面以下塔高29 m。塔身順橋向偏離鉛垂面18°，傾向岸側(cè)。全橋共設(shè)112根斜拉索，按雙索面布置,采用掛籃進(jìn)行施工[1]。

采用Midas/Civil軟件建立該斜拉橋三維有限元模型(圖1)，在模型中主梁、主塔、承臺(tái)以及樁基等均采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬。

圖1 斜拉橋三維有限元模型

2 勁性骨架的計(jì)算方法

2.1 計(jì)算荷載與荷載組合

2 m合龍口采用剛臂單元進(jìn)行模擬，運(yùn)用試算剛臂單元彈性模量的方法對(duì)勁性骨架進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)鋼臂單元的彈性模量提高到主梁混凝土彈性模量的10倍時(shí)，計(jì)算結(jié)果比較合理，并且貼近實(shí)際。

1) 結(jié)構(gòu)自重。

一期恒載：包括橋塔、主梁、橫梁及拉索自重。

2) 溫度。

本地區(qū)年均氣溫在14.1 ℃，極端最高氣溫36.5 ℃，出現(xiàn)在7月份，極端最低氣溫-11.1 ℃，出現(xiàn)在1月份。

主橋混凝土主梁按照升溫20 ℃，降溫20 ℃考慮；橋塔考慮日照溫差±5 ℃；斜拉索與混凝土結(jié)構(gòu)溫差±10 ℃；主梁局部溫差按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)取值。

3) 荷載組合。

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60 — 2004)對(duì)各種不利荷載工況進(jìn)行組合驗(yàn)算。

2.2 計(jì)算內(nèi)力組合

2.2.1 邊跨內(nèi)力組合

為減小邊跨勁性骨架在結(jié)構(gòu)體系溫差作用下的內(nèi)力，勁性骨架鎖定后，解除現(xiàn)澆段的水平約束[3]。勁性骨架計(jì)算內(nèi)力如表1。

表1 邊跨各分項(xiàng)荷載效應(yīng)表荷載分項(xiàng)軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)結(jié)構(gòu)重力000升溫溫差0-1123030降溫溫差0112-3030塔日照升溫0-4997470塔日照降溫0499-7470梁局部升溫0-7956960梁局部降溫0795-6960索梁正溫差0230-3450索梁負(fù)溫差0-2303450

最不利荷載組合下，勁性骨架所承受的最大彎矩為20 910 kN·m，對(duì)應(yīng)剪力920.5 kN。

2.2.2 中跨內(nèi)力組合

為減小中跨勁性骨架在結(jié)構(gòu)體系溫差作用下的內(nèi)力，勁性骨架鎖定后，解除塔梁臨時(shí)固結(jié)。勁性骨架計(jì)算內(nèi)力如表2。

表2 中跨各分項(xiàng)荷載效應(yīng)表荷載分項(xiàng)軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)結(jié)構(gòu)重力12700-781升溫溫差4880-1260降溫溫差-48801260塔日照升溫297-503-257塔日照降溫-297503257梁局部升溫-34204990梁局部降溫3420-4990索梁正溫差-23704150索梁負(fù)溫差2370-4150

最不利荷載組合下，勁性骨架所承受的最大彎矩為-10735.1 kN·m，對(duì)應(yīng)剪力-50.3 kN，對(duì)應(yīng)軸力2058.9 kN。

3 合龍口24 h溫度線形觀測(cè)

隨著溫度的改變，合龍口之間的間距會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)合龍口的間距會(huì)隨著溫度的升高而增大，隨著溫度的下降而減小[4]。監(jiān)控方需要確定的是合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn)，合龍口間距最大時(shí)澆筑完混凝土，隨著時(shí)間的推移，合龍口的間距變小，合龍口的混凝土在全天候24 h循環(huán)時(shí)間內(nèi)只承受壓應(yīng)力?；炷脸惺芾瓚?yīng)力非常小僅有2.43 MPa,而壓應(yīng)力能達(dá)到13.5 MPa,這是合龍是否成功的關(guān)鍵所在。

在2 m合龍口兩端焊接Φ12的鋼筋，中間留出2 cm的間距，用游標(biāo)卡尺測(cè)量間距的變化，溫度計(jì)測(cè)量溫度的變化，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2、圖3。

圖2 游標(biāo)卡尺讀數(shù)隨時(shí)間的變化

圖3 溫度隨時(shí)間的變化

根據(jù)圖2～圖3的24 h觀測(cè)數(shù)據(jù)， 可以看出早上6點(diǎn)溫度最低2.3 ℃，中午14點(diǎn)溫度最高12.5 ℃。溫度曲線隨時(shí)間的變化規(guī)律：從早上6點(diǎn)到中午14點(diǎn)溫度逐漸升高，然后到次日的早上6點(diǎn)溫度逐漸下降。 2 m合龍口間距隨時(shí)間的變化曲線與溫度的變化相反，從早上6點(diǎn)到中午14點(diǎn)間距逐漸變小，然后到次日的早上6點(diǎn)間距逐漸變大。說(shuō)明間距變化曲線符合混凝土結(jié)構(gòu)熱脹冷縮的原理，又因?yàn)閮伤崩瓨蜻吙绲膭偠纫戎锌绲膭偠却?，在同樣溫度荷載作用下中跨向邊跨側(cè)移動(dòng)，也會(huì)造成2 m合龍口隨溫度降低間距變大現(xiàn)象。

在早上6點(diǎn)(溫度最低點(diǎn))2 m合龍口游標(biāo)卡尺讀數(shù)為19.4 mm,7點(diǎn)游標(biāo)卡尺讀數(shù)為19.6 mm,8點(diǎn)為19.4 mm[5]。2 m合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn)與一天中溫度最低的時(shí)間點(diǎn)并不重合，說(shuō)明混凝土兩塔斜拉橋合龍口間距的變化比溫度荷載的變化要滯后1 h，早上7點(diǎn)為2 m合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn)。

4 合龍方案

4.1 邊跨合龍方案

施工方首先提出利用邊跨掛籃作為支架進(jìn)行邊跨合龍，通過(guò)邁達(dá)斯計(jì)算數(shù)據(jù)，200 t的掛籃加上230 t的混凝土濕重總共430 t的荷載重量，造成零號(hào)塊附近出現(xiàn)6.7 MPa的拉應(yīng)力，零號(hào)塊主梁有很大開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此放棄掛籃作為支架的合龍方案，改用吊架進(jìn)行合龍。

通過(guò)2.2.1節(jié)中邊跨勁性骨架的計(jì)算數(shù)據(jù)，單個(gè)邊跨合龍段共設(shè)置18 個(gè)臨時(shí)剛性支撐，其中頂板10個(gè)，底板8個(gè)，頂板剛性支撐通過(guò)埋設(shè)的預(yù)埋件連接兩端主梁，由于主梁底板預(yù)應(yīng)力的影響，底板剛性支撐直接埋置在主梁混凝土內(nèi)部。所有剛性支撐均采用[40a 的型鋼組成。勁性骨架的焊接需要2 h，由于焊接點(diǎn)在高溫狀態(tài)下遇水極易出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，在混凝土澆筑前焊接點(diǎn)至少需要1 h的時(shí)間進(jìn)行冷卻。

澆筑200 t位的混凝土需要2 h，混凝土初凝時(shí)間一般在48 min，根據(jù)3節(jié)中24 h溫度線性的觀測(cè)數(shù)據(jù)，早上7點(diǎn)是合龍口間距最大的時(shí)間點(diǎn)，所以混凝土澆筑時(shí)間在早上4點(diǎn)開始澆筑，勁性骨架的焊接時(shí)間在早上1點(diǎn)開始焊接。

邊跨2 m合龍口混凝土的重量為200 t，通過(guò)邁達(dá)斯模擬計(jì)算壓重，160 t的壓重即可達(dá)到澆筑混土加載的效果。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)標(biāo)高，混凝土壓塊達(dá)到150 t時(shí)，與模擬混凝土澆筑壓重位移一致，在混凝土澆筑過(guò)程中要把等比例的混凝土壓重置換出邊跨。

合龍施工順序： ①11#塊最終張拉完成；②邊跨掛籃下落；③邊跨架設(shè)臨時(shí)支架，調(diào)整標(biāo)高、架設(shè)模板；④合龍口勁性骨架施工；⑤中跨12#掛籃前移到位；⑥邊跨澆筑混凝土，邊跨合龍，張拉合龍鋼束；⑦對(duì)Z12(中跨拉索)進(jìn)行第1次張拉165 t；⑧邊跨最低正常養(yǎng)護(hù)7 d；⑨拆除邊跨支架；⑩對(duì)中跨12#梁段澆筑混凝土，回到設(shè)計(jì)正常施工程序。

施工工藝如下：

安裝預(yù)埋件：對(duì)照施工圖校對(duì)預(yù)埋件尺寸和位置，防止預(yù)埋件位置出現(xiàn)錯(cuò)誤；采用手工焊接時(shí)，貼角焊縫的高度要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；預(yù)埋件劃線使用水平儀確定其每排高度尺寸線位置偏差±1.5 mm，根據(jù)軸線和控制線確定左右位置尺寸位置偏差±1.5 mm及頂面位置尺寸位置偏差±1 mm，并用油筆清楚的標(biāo)明。在技術(shù)部門及質(zhì)量部門驗(yàn)線合格方可安裝預(yù)埋。

張拉11號(hào)索： ①混凝土養(yǎng)生到強(qiáng)度后，先完成預(yù)應(yīng)力施工，再次張拉斜拉索，旋緊梁底錨具上的螺母，使其與錨墊板密貼；②索力轉(zhuǎn)換裝置中的千斤頂活塞前行5 cm左右后，旋緊千斤頂前端拉桿上的張拉螺母，千斤頂再次進(jìn)油張拉，使弧形板上的鎖定螺母脫離弧形板，并將其外旋出7 cm左右；③千斤頂回油，則索力由弧形板上的鎖定螺母轉(zhuǎn)加到混凝土梁體上，完成索力轉(zhuǎn)換工作。

轉(zhuǎn)壓重、掛籃下落：張拉完11號(hào)索，邊跨轉(zhuǎn)90 t壓重，用吊車轉(zhuǎn)移。

放松底模平臺(tái)前段吊掛，解除底模平臺(tái)后段吊掛，解除內(nèi)模系統(tǒng)，將底模及內(nèi)模系統(tǒng)放置滑梁上。

拆除掛籃大臂，連接精軋螺紋，用千斤頂慢慢下落，注意一次下落的高度應(yīng)保證盡量相等，如不相等，及時(shí)調(diào)整。

安裝支架，張拉吊桿：邊跨安裝分配梁、貝雷梁、工字鋼以及底模；每根吊桿張拉力為25 t，使模板與合龍段兩端主梁密貼，克服錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，防止漏漿。

模板安裝：按下列順序進(jìn)行底模安裝→(梁體底腹板鋼筋安裝、縱橫向預(yù)應(yīng)力管道、豎向預(yù)應(yīng)力筋等安裝完畢)→側(cè)模安裝。梁段模板安裝的尺寸允許偏差和檢驗(yàn)方法，符合表3的規(guī)定。

鋼筋綁扎及預(yù)應(yīng)力安裝：所有進(jìn)場(chǎng)鋼筋、鋼絞線、錨具等材料均須按規(guī)定抽檢合格方準(zhǔn)使用。鋼筋綁扎按圖紙要求進(jìn)行，波紋管安裝除插芯棒外，曲線段每50 cm、直線段每1.0 m設(shè)置一道定位U型鋼筋，定位后的管道軸線偏差要求不大于0.5 cm。波紋管接頭用大一號(hào)波紋管套接。接頭波紋管長(zhǎng)度30 cm，兩頭伸入15 cm，接頭處波紋管切平，不能有卷曲翹起現(xiàn)象，防止穿鋼絞線時(shí)鉤掛。波紋管應(yīng)有良好的水密性，并在施工中注意保護(hù)，如有燒傷現(xiàn)象，及時(shí)用膠帶纏包，以免造成漏漿堵管，錨墊板與波紋管連接要穩(wěn)固，接頭要包纏封死，防止漏漿堵塞壓漿孔。

表3 邊跨梁段模板尺寸允許偏差和檢驗(yàn)方法序號(hào)項(xiàng)目允許偏差/mm檢驗(yàn)方法1梁段長(zhǎng)±10尺量2梁高+10，03平整度31m靠尺測(cè)量不少于5處4垂直度每米不大于3吊線尺量不少于5處5孔道位置1尺量6梁段縱向旁彎10拉線測(cè)量不少于5處7梁段縱向中線最大偏差10測(cè)量檢查8梁段高度變化段位置±109底模拱度偏差3測(cè)量檢查10底模同一端兩角高差211橋面預(yù)留鋼筋位置10尺量

勁性骨架焊接：合龍勁性骨架事先按設(shè)計(jì)圖紙預(yù)留調(diào)整尺寸下料，并焊接成半成品，條件許可的情況下應(yīng)提前焊接一端，以減少鎖梁時(shí)合龍勁性骨架的焊接工作量，縮短焊接工作時(shí)間，另一端安排18個(gè)焊接工人和電焊機(jī)在01:00同時(shí)加焊，確保所有支撐架應(yīng)在規(guī)定的合龍時(shí)段內(nèi)完成。合龍支撐與預(yù)埋件之間的焊縫最小高度不小于12 mm，焊縫長(zhǎng)度不小于對(duì)接件接觸的可焊范圍，并需要連續(xù)施焊。

澆筑混凝土： 混凝土澆筑應(yīng)在一天氣溫最低時(shí)(半夜4點(diǎn))進(jìn)行，采用水平分層兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱的方式澆注,由于預(yù)應(yīng)力筋及預(yù)應(yīng)力管道周圍鋼筋密集，盡量減少混凝土與鋼筋的碰撞，以免影響混凝土澆注質(zhì)量，振搗采用直徑50 cm的插入式振動(dòng)捧，水平分層宜控制在40 cm左右，保證振搗質(zhì)量。振搗時(shí)特別注意振動(dòng)捧不要抵緊波紋管振動(dòng)，防止振破波紋管漏漿，并應(yīng)遵循對(duì)稱澆注的原則，混凝土澆注時(shí)，應(yīng)注意標(biāo)高、橫坡及整體平整度的控制。在混凝土的振搗過(guò)程中，應(yīng)特別注意把預(yù)應(yīng)力鋼筋錨具下和斜拉索錨箱的混凝土振搗密實(shí)。

混凝土養(yǎng)護(hù)： 混凝土澆注完成后，箱梁面應(yīng)收漿抹面，并在初凝后終凝前進(jìn)行第2次收漿并拉毛,防止表面收縮裂紋的產(chǎn)生，根據(jù)氣候條件，最遲不超過(guò)6 h即覆蓋或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù)，混凝土每天灑水次數(shù)以能保持混凝土表面經(jīng)常處于濕潤(rùn)為準(zhǔn)。

4.2 中跨合龍方案

中跨合龍是整個(gè)斜拉橋施工過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)工程的成敗。利用掛籃作為支架對(duì)合龍段進(jìn)行合龍，但在解除臨時(shí)固結(jié)與焊接勁性骨架的先后順序上，在專家會(huì)議上引起了爭(zhēng)議。先解除臨時(shí)固結(jié)再焊接勁性骨架，臨工大橋是半漂浮體系，臨時(shí)固結(jié)解除后整個(gè)橋梁成了機(jī)動(dòng)體系，會(huì)對(duì)勁性骨架的焊接帶來(lái)困難。先焊接勁性骨架后解除臨時(shí)固結(jié)，傳統(tǒng)臨時(shí)固結(jié)解除方法施工方計(jì)算需要24 h，這樣溫度荷載的作用下主梁會(huì)產(chǎn)生很大應(yīng)力，應(yīng)力得不到釋放，會(huì)對(duì)合龍口帶來(lái)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

提出用灼燒法對(duì)臨時(shí)固結(jié)進(jìn)行解除，將臨時(shí)固結(jié)的解除時(shí)間控制在1 h之內(nèi)，這樣溫度荷載對(duì)主梁應(yīng)力的增幅就控制在合理范圍之內(nèi)。臨工大橋采用鋼管混凝土代替硫磺砂漿作為塔梁臨時(shí)固結(jié)的墊層，墊層的拆除極為方便，利用中跨合龍壓塊擺成水槽代替焊接水箱來(lái)置換混凝土澆筑重量。

合龍施工順序： ①20#墩掛籃移到0#塊；②19#墩掛籃移到合龍段，掛籃中心即為合龍段的中心；③加合龍段壓重360 t,兩邊對(duì)稱放置，每側(cè)掛索處放90 t；④混凝土壓塊擺成4個(gè)25 t水箱內(nèi)置塑料袋，對(duì)稱放置，加水調(diào)整標(biāo)高，并測(cè)量水的流速；同時(shí)注意水溫控制，防止結(jié)冰，并將流出的水導(dǎo)流至橋下，嚴(yán)禁將水直接排放在橋面上；⑤觀測(cè)主梁線形，塔的偏位，溫差；⑥焊接臨時(shí)鎖定及勁性骨架；⑦解除塔梁固結(jié)；⑧澆筑混凝土；⑨解除臨時(shí)鎖定；⑩張拉中跨合龍束；拆除中跨合龍壓重，包括掛籃。

5 結(jié)論

斜拉橋合龍施工方案應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)特性、受力特點(diǎn)以及外在施工環(huán)境等多種因素，對(duì)溫度線形進(jìn)行24 h觀測(cè)，確定了合龍的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，依次進(jìn)行展開確定合理的施工順序，保證了合龍正常進(jìn)行，將施工風(fēng)險(xiǎn)降到最低。本文提出了灼燒法解除臨時(shí)固結(jié)，采用鋼管混凝土代替硫磺砂漿作為塔梁臨時(shí)固結(jié)的墊層，用游標(biāo)卡尺測(cè)距的方法確定合龍口溫度線形隨時(shí)間的變化，用臨時(shí)壓塊擺成水箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接水箱，運(yùn)用試算剛臂單元彈性模量的方法計(jì)算勁性骨架，這些方法適用于傳統(tǒng)的混凝土斜拉橋合龍，對(duì)合龍口的順利進(jìn)行起到了關(guān)鍵作用。

[1] 項(xiàng)海帆. 21世紀(jì)世界橋梁工程的展望[ J ]. 土木工程學(xué)報(bào), 2000, 33 (3) : 126.

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1008-844X(2017)03-0125-04

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2017-01-11

劉傳奇(1985-)，男， 碩士研究生,主要從事橋梁施工研究。