高寒峽谷地區(qū)大跨度混凝土梁斜拉橋主梁施工關(guān)鍵技術(shù)

曾憲柳，陳誠

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著我國橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)大跨度混凝土梁斜拉橋越來越多，但基本集中在南方地區(qū)，由于北方地區(qū)氣候干燥寒冷，晝夜溫差大、風(fēng)力大等不利條件，大跨度混凝土梁斜拉橋建設(shè)較少，在高寒峽谷地區(qū)修建大跨度混凝土梁斜拉橋還有許多技術(shù)問題需要解決和研究，沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

1 工程概況

榮烏高速公路準(zhǔn)格爾黃河特大橋位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯境內(nèi)，主橋設(shè)計(jì)為雙塔雙索面混凝土斜拉橋，跨徑布置為（160+440+160）m，斜拉索采用空間雙索面、扇形布置，主梁結(jié)構(gòu)形式為雙邊箱形斷面、塔梁分離的半漂浮體系結(jié)構(gòu)，主橋橋型布置圖見圖1。主橋共劃分79 個(gè)梁段，其中主跨掛籃懸澆25 個(gè)節(jié)段，邊跨掛籃懸澆10 個(gè)節(jié)段，現(xiàn)澆梁段6 個(gè)，邊跨合龍段共2 個(gè)，中跨合龍段共1 個(gè)。主橋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段采用前支點(diǎn)牽索掛籃懸澆施工，懸澆節(jié)段長為8 m，索塔處0 號、1 號塊及邊跨現(xiàn)澆段主梁采用搭設(shè)鋼管支架現(xiàn)澆施工。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土分離式邊箱斷面，箱梁全寬2 840 cm，標(biāo)準(zhǔn)斷面梁中心高287.4 cm，頂板厚30 cm，箱梁底板厚30 cm，豎腹板厚40 cm，主梁混凝土設(shè)計(jì)為C55。主梁懸臂澆筑節(jié)段最大混凝土重量約580 t。

圖1 主橋橋型布置Fig.1 Layout of main bridge type

2 主梁0—1 號塊現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)

主梁0—1 號梁段總長37 m，懸挑中橫梁外15 m，設(shè)計(jì)混凝土方量1 108 m3，梁底距離地面高度約120 m，采用常規(guī)地面搭設(shè)鋼管支架施工方法工程量大，成本高，施工工期長，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。為減小支架搭設(shè)工程量，加快支架施工進(jìn)度，減小施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，綜合研究分析，采用“鋼管斜支架+抽插式牛腿”作為0—1 號塊承重支架[1]。

支架支撐在下塔柱側(cè)壁牛腿和下橫梁埋件上，立柱為φ820 mm×10 mm 鋼管，平聯(lián)為φ630 mm×8 mm 鋼管，承重梁為 2NH700×30 mm 型鋼，0—1號梁段施工承重平臺(tái)采用掛籃，利用掛籃模板作1 號塊現(xiàn)澆段模板，見圖2。索塔施工時(shí)，在下橫梁附近的塔柱側(cè)壁上預(yù)埋3 個(gè)方形鋼板盒作為牛腿埋件，方形鋼板盒開口向外，尺寸為805 mm×305 mm，埋置深度為 700 mm。安裝時(shí)，將NH800×30 mm 型鋼插入鋼板盒內(nèi)，型鋼頂面焊接1 000 mm×1 000 mm 厚 14 mm 鋼板作為支架牛腿面板，預(yù)埋鋼板盒與插入型鋼間間隙通過后壓漿填充密實(shí)，將其錨固在塔柱的側(cè)壁內(nèi)[2]，見圖3。與常規(guī)預(yù)埋鋼板牛腿結(jié)構(gòu)相比，承載力大，無需預(yù)埋大量錨筋及大面積鋼板，大大減少了牛腿與預(yù)埋件間的焊接工作量，降低了高大支架安裝施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 0—1 號梁段支架布置（mm）Fig.2 Support arrangement of No.0-1 beam section(mm)

圖3 支架牛腿布置Fig.3 Support bracket arrangement

3 掛籃自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)與安裝

3.1 掛籃自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)

掛籃為前支點(diǎn)掛籃，鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，掛籃總長19.85 m，寬30.50 m，總重量為230 t，設(shè)計(jì)承載力為580 t，澆筑標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長8 m。由于橋位地區(qū)冬季氣候寒冷，為保證掛籃抗低溫及結(jié)構(gòu)安全，掛籃設(shè)計(jì)采用Q345D 鋼板加工。

掛籃設(shè)計(jì)由承載平臺(tái)、行走系統(tǒng)、牽索系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)及埋件等部分組成。掛籃設(shè)計(jì)時(shí)針對傳統(tǒng)掛籃提升、下放，反滾輪翻轉(zhuǎn)、中箱拱架提升等千斤頂操作同步性差、操作繁瑣、微調(diào)困難的問題，設(shè)計(jì)采用多點(diǎn)液壓同步自適應(yīng)控制技術(shù)，利用一臺(tái)電腦控制系統(tǒng)控制多臺(tái)油泵，將多臺(tái)油泵并聯(lián)在一起，千斤頂提升、下放過程中，由電腦控制多臺(tái)千斤頂同步運(yùn)動(dòng)，如發(fā)現(xiàn)千斤頂受力和位移出現(xiàn)不均勻時(shí)，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以保持同步[3]。

掛籃在主縱梁、前橫梁等關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)安裝了精密的位移和應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移，并通過數(shù)據(jù)傳送到電腦，反饋給操作者。解決了傳統(tǒng)掛籃操作應(yīng)力、位移無精密測量儀器，人工測量、觀察誤差大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的問題。

針對傳統(tǒng)掛籃行走采用千斤頂間歇式作業(yè)，行走緩慢，中間轉(zhuǎn)換工序繁多，左右兩側(cè)位移同步性難以保證，掛籃極易走偏問題。準(zhǔn)格爾黃河大橋掛籃設(shè)計(jì)采用了步履式自動(dòng)行走裝置，其自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為：行走軌道、行走滑靴、液壓油缸及反力座所組成，見圖4。

圖4 掛籃自動(dòng)行走裝置Fig.4 Automatic traveling device of hanging basket

行走軌道采用預(yù)埋螺栓固定在主梁上，行走油缸前端通過銷軸與掛籃行走滑靴連接，后端與反力座連接，反力座通過銷軸固定在行走軌道上，通過液壓油缸往復(fù)式伸縮頂推掛籃步履式前進(jìn)，同時(shí)左右側(cè)油缸通過同一臺(tái)電腦控制，保證掛籃左右兩側(cè)同步前進(jìn)。采用掛籃自動(dòng)行走裝置操作同步性控制誤差達(dá)3 mm，掛籃單次行走可在1.5 h 內(nèi)完成，掛籃行走操作只需4 人。

3.2 掛籃安裝

主墩位于黃河岸邊峽谷地帶，主梁離地面高度達(dá)120 m，不具備掛籃地面拼裝整體提升安裝條件，經(jīng)綜合分析采用搭設(shè)鋼管支架平臺(tái)進(jìn)行拼裝。由于受塔吊起重量限制，主縱梁和前橫梁不能由塔吊直接吊裝到位，采用鋪設(shè)軌道利用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行橫向和縱向平移到位[4]。

掛籃總長19.85 m，中橫梁外0—2 號梁段長度為16.9 m，如果將掛籃全部拼裝到位再澆筑主梁1 號塊，會(huì)導(dǎo)致掛籃不能錨固在1 號塊已澆梁上，無法進(jìn)行2 號梁段掛籃懸澆施工，故采取二次接長掛籃的施工方式。其具體操作為：搭設(shè)支架平臺(tái)，在平臺(tái)上拼裝掛籃，掛籃主縱梁最后節(jié)段臨時(shí)放置在支架平臺(tái)上；利用支架澆筑1 號梁段混凝土，張拉1 號梁段預(yù)應(yīng)力及斜拉索；將掛籃錨固在1 號梁上，掛籃懸臂澆筑2 號梁段混凝土及張拉斜拉索；掛籃下放并前移3 m，臨時(shí)固定掛籃；接長最后一節(jié)掛籃主縱梁，二次安裝掛籃后橫梁和行走反滾輪，掛籃安裝完成進(jìn)行后續(xù)梁段施工。

4 斜拉索施工

斜拉索設(shè)計(jì)為φ7 mm 鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲成品索，全橋設(shè)6 種規(guī)格26 對108 根，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，拉索采用雙層PE 護(hù)套，兩端均采用張拉端冷鑄錨。單根最大索長240 m，重約28 t，單根索最大張拉力685 t。

4.1 安裝工藝

斜拉索安裝施工內(nèi)容包括：施工準(zhǔn)備→橋面展索→拉索塔端掛索→掛籃弧首錨固→梁端拉索牽引錨固→主邊跨一、二次張拉→索力轉(zhuǎn)換→拉索第三次張拉→調(diào)索→安裝上下減震器及錨具防護(hù)罩→防腐處理→安裝橋面拉索不銹鋼保護(hù)套。

根據(jù)索長及牽引力大小，其總體施工方法分別為：

1—10 號索，陸運(yùn)至工地，塔吊提升上橋面并置于放索機(jī)上，塔頂門架進(jìn)行塔端掛設(shè)，同時(shí)進(jìn)行橋面展索，橋面卷揚(yáng)機(jī)牽引斜拉索梁端錨頭入索導(dǎo)管錨固，在塔端進(jìn)行張拉及調(diào)索。

11—26 號索，從邊跨運(yùn)至索塔下橋面，置于立式放索機(jī)上。展索利用橋面卷揚(yáng)機(jī)拖運(yùn)放索機(jī)完成；塔端掛索采用塔頂卷揚(yáng)機(jī)完成，梁端采用軟、硬組合牽引錨固。

4.2 梁端狹小空間索力轉(zhuǎn)換

前支點(diǎn)掛籃施工時(shí)，斜拉索錨固在掛籃前端主縱梁上，待節(jié)段混凝土澆筑完成預(yù)應(yīng)力張拉后，斜拉索索力從掛籃轉(zhuǎn)換到混凝土梁錨固點(diǎn)。而主梁錨固點(diǎn)與掛籃間操作空間很小，斜拉索索力轉(zhuǎn)換面臨空間窄小、索力大、轉(zhuǎn)換難的問題，傳統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)換方法是叉頭連接法，叉頭一端連接張拉桿，另一端連接斜拉索錨頭，叉頭間通過銷軸連接，斜拉索索力轉(zhuǎn)換通過拆除叉頭間銷軸完成。索力轉(zhuǎn)換過程中需要借助吊車或卷揚(yáng)機(jī)等起重設(shè)備施加很大外力才能實(shí)現(xiàn)，而且需要占用較大的操作空間，耗費(fèi)時(shí)間長，轉(zhuǎn)換難度大。

準(zhǔn)格爾黃河特大橋采用套筒連接式斜拉索索力轉(zhuǎn)換施工法[5]，其索力轉(zhuǎn)換裝置由變徑頭、連接套筒、張拉系統(tǒng)組成，斜拉索與張拉桿通過套筒連接，套筒連接套內(nèi)張拉端、梁端各設(shè)有一個(gè)內(nèi)螺母，套筒梁端內(nèi)套連接桿，套筒張拉端連接張拉桿，套筒連接套內(nèi)張拉桿與梁端連接桿之間留有足夠間距，見圖5。索力轉(zhuǎn)換時(shí)，將φ20 mm 鋼筋插入連接桿銷孔內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，連接桿從變徑頭內(nèi)退出旋進(jìn)套筒內(nèi)，張拉系統(tǒng)與斜拉索連接斷開，即可完成索力轉(zhuǎn)換。施工過程中不需借助起重設(shè)備施加外力，占用空間小，施工簡單，操作方便，能加快索力轉(zhuǎn)換速度，保證主梁掛籃懸臂施工進(jìn)度。

圖5 索力轉(zhuǎn)換裝置圖Fig.5 Cable force conversion device

4.3 張拉過程中防退扭措施

平行鋼絲斜拉索由于整根制造、運(yùn)輸、安裝的特點(diǎn)，在斜拉索張拉的過程中，索體會(huì)產(chǎn)生一定的退扭力，退扭力隨斜拉索的長度和施加索力的增大而增大。張拉時(shí)，斜拉索退扭力過大，斜拉索會(huì)帶動(dòng)張拉桿、錨杯、千斤頂一起轉(zhuǎn)動(dòng)。斜拉索發(fā)生退扭會(huì)導(dǎo)致平行鋼絲的受力不均勻，影響鋼絲應(yīng)力目標(biāo)值的控制，同時(shí)還會(huì)影響到斜拉索的耐久性。

為了防止斜拉索發(fā)生旋轉(zhuǎn)，施工中采取了防退扭措施。在張拉千斤頂與張拉桿螺母間設(shè)置帶有限位擋板的墊板（限位擋板間隔垂直焊接于墊板上），千斤頂抱箍上的耳板落在限位擋板擋間，墊板由于受到千斤頂與張拉螺母的壓力，墊板與張拉螺母、張拉桿、千斤頂內(nèi)缸之間不會(huì)發(fā)生相對位移，而會(huì)隨著張拉桿一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)千斤頂抱箍上的耳板會(huì)抵住裝置的限位擋板，阻止墊板的旋轉(zhuǎn)，有效控制了張拉過程中索體退扭的現(xiàn)象。

5 主梁冬季施工控制

5.1 主要控制指標(biāo)

根據(jù)準(zhǔn)格爾黃河特大橋主梁冬季施工專家審查意見和現(xiàn)場實(shí)際情況，為確保主梁施工質(zhì)量，制定了主梁冬季施工主要控制指標(biāo)：

1）骨料含水量控制在無雨雪天氣時(shí)的范圍內(nèi)，不得有任何結(jié)冰。

2）混凝土拌和物出機(jī)溫度不低于12 ℃，混凝土入模溫度不低于7 ℃。

3）混凝土初凝前不得受凍，其表面溫度不得低于5 ℃；混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度且至少養(yǎng)生7 d以上才可進(jìn)行張拉[6]。

4）混凝土攪拌用水溫度不得超過70 ℃。

5）主梁混凝土中不摻防凍劑，以防對混凝土特性的影響[7]。

5.2 原材料加熱措施

料倉砂石料保溫加熱采取熱水管路，墻內(nèi)壁熱水管采用φ50 mm 鋼管，按50 cm 間距滿鋪，棚內(nèi)料倉每隔倉設(shè)6 根φ50 mm 鋼管做散熱管。見圖6。棚內(nèi)設(shè)置溫度監(jiān)控系統(tǒng)，跟蹤監(jiān)測砂石料溫度，確保砂石料溫度在10 ℃以上。

圖6 料倉加熱管路Fig.6 Silo heating pipeline

上料臺(tái)布置在保溫棚內(nèi)，在上料臺(tái)周邊布設(shè)暖通管道，利用暖通水管對料斗內(nèi)砂石料進(jìn)行保溫，暖通水管采用φ50 mm 鋼管，水管距離為50 cm，單面布設(shè)4 根。

皮帶機(jī)保溫采用巖棉保溫板封閉，下部及兩邊安裝暖氣管道進(jìn)行加熱保溫以防止砂石熱量散失。

攪拌機(jī)采用彩鋼板進(jìn)行封閉嚴(yán)實(shí)，車輛出入口設(shè)置彩鋼板門，內(nèi)部用暖通水管加熱，每次開盤前先對機(jī)身加熱，再進(jìn)行開盤攪拌。

攪拌站水箱搭設(shè)保溫棚以防止水被凍結(jié)，攪拌用水采用電熱管加熱，攪拌水溫控制在約70 ℃。

5.3 混凝土澆筑的保溫技術(shù)措施

1）混凝土泵送中的保溫技術(shù)措施

混凝土運(yùn)輸車用棉氈包裹保溫，并盡量減少運(yùn)輸過程中不必要的時(shí)間損耗，以保證混凝土溫度損失最小。

泵送混凝土的泵管采用棉被包裹，再在外面包裹一層塑料薄膜，除起保溫作用外 ，還可以避免雨水浸濕棉被，使混凝土在泵送過程中溫度損失較小，采取這種措施，每泵送100 m，混凝土溫度損失 1～2 ℃。

2）混凝土澆筑的保溫技術(shù)措施。

為了解決熱的對流問題，現(xiàn)場對掛籃底板、側(cè)面進(jìn)行全封閉，底部焊接型鋼與掛籃梁系進(jìn)行加固，封閉層面板采用5 mm 鋼板，鋼板內(nèi)側(cè)鋪設(shè)巖棉保溫板，空箱內(nèi)用暖風(fēng)機(jī)加熱。

主梁頂面采用搭設(shè)高度90 cm 輕型型鋼骨架、頂面防水油布以及封閉的掛籃形成混凝土保溫養(yǎng)護(hù)的封閉空間，利用大功率工業(yè)暖風(fēng)機(jī)供熱，加濕器保濕，對主梁混凝土進(jìn)行保溫養(yǎng)生。混凝土頂面覆蓋5 層保溫層，混凝土表面覆蓋層為塑料薄膜，塑料薄膜上蓋土工布，然后依次是電熱毯、棉被、油布。由于天氣寒冷，主梁頂面覆蓋完成后，立刻對電熱毯通電加熱，以保證主梁混凝土不受凍。養(yǎng)護(hù)時(shí)，控制混凝土內(nèi)表面溫度差不超高25 ℃，拆模時(shí)注意混凝土的內(nèi)外溫差，以免產(chǎn)生溫度裂紋。

6 中跨合龍段施工

6.1 總體思路

準(zhǔn)格爾黃河特大橋中跨合龍段合龍口寬度為2 m，混凝土方量為52 m3。施工總體思路：采取加載標(biāo)高控制法，在合龍口施加配重將標(biāo)高調(diào)整至監(jiān)控設(shè)計(jì)標(biāo)高，利用低于20 ℃的溫度將合龍段勁性骨架焊接鎖定。然后進(jìn)行合龍段吊架安裝，綁扎合龍段鋼筋，對稱澆筑合龍段混凝土。待拆除合龍段模板、吊架、勁性骨架后，同步解除塔梁臨時(shí)約束，完成體系轉(zhuǎn)換，最后張拉合龍段預(yù)應(yīng)力。

6.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）合龍口形態(tài)調(diào)整及監(jiān)測

合龍口形態(tài)（線形、高程差及頂?shù)卓趯挾炔睿和ㄟ^調(diào)整中跨后4 對拉索索力及在25 號、26 號梁段施加配重實(shí)現(xiàn)，這是按照準(zhǔn)格爾黃河特大橋施工監(jiān)控?zé)o應(yīng)力法成橋合龍控制。施工期索力增量及臨時(shí)荷載的變化，理論上對大橋成橋后沒有影響。

高程及轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)：在合龍口段兩端26 號梁段設(shè)置臨時(shí)水箱對稱加載，并調(diào)整J26 斜拉索索力，使合龍口兩端主梁標(biāo)高相匹配。

主梁軸線調(diào)節(jié)：在合龍口預(yù)埋件上布置手拉葫蘆，手拉葫蘆交叉布置，通過手拉葫蘆收、放進(jìn)行主梁軸線調(diào)整。合龍前對合龍段兩側(cè)梁頂?shù)讟?biāo)高、合龍口寬度、軸線偏差進(jìn)行連續(xù)觀測，準(zhǔn)確掌握合龍口偏差情況，進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至合龍口兩側(cè)主梁高程、轉(zhuǎn)角以及軸線完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2）合龍口鎖定

合龍口的鎖定裝置設(shè)在26 號梁段，合龍口共設(shè)置體內(nèi)外勁性骨架12 道，勁性骨架采用2[40槽鋼。在澆筑混凝土前，先對合龍口的寬度、標(biāo)高變化進(jìn)行48 h 觀測，標(biāo)高、軸線滿足監(jiān)控要求后進(jìn)行合龍口勁性骨架鎖定，勁性骨架在夜間0—5 點(diǎn)溫度相對穩(wěn)定時(shí)段進(jìn)行鎖定。

3）塔梁臨時(shí)約束解除

解除塔梁臨時(shí)約束是實(shí)現(xiàn)成橋的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵步驟，塔梁臨時(shí)約束解除須兩墩同時(shí)進(jìn)行。合龍段吊架及體外勁性骨架鎖定裝置解除后，立即解除塔梁臨時(shí)固結(jié)φL32 精軋螺紋鋼和臨時(shí)混凝土支座，完成體系轉(zhuǎn)換。

7 結(jié)語

準(zhǔn)格爾黃河特大橋0—1 號梁段現(xiàn)澆支架，采取在塔柱上搭設(shè)鋼管斜支架+抽插式牛腿施工方法，快速、高效完成了施工任務(wù)，比原計(jì)劃工期提前了一個(gè)月。主梁掛籃設(shè)計(jì)采用自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頂升、下放、行走同步，保證了施工安全，提高了施工精度，有效節(jié)省人工成本。斜拉索索力轉(zhuǎn)換及冬季施工采取了一系列工藝創(chuàng)新技術(shù)，施工安全高效，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有廣泛的推廣意義。