大跨徑懸索橋超高性能輕型組合橋面施工控制研究

張晉瑞，陳國平，胡建華，崔劍峰

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410008； 2.大岳高速洞庭湖大橋建設(shè)開發(fā)有限公司；3.湖南省交通水利建設(shè)集團有限公司)

傳統(tǒng)鋼桁加勁梁懸索橋一般采用非合成型鋼橋面，隨著懸索橋跨度的增大，恒載效應(yīng)顯著提高，為有效地減輕橋梁恒載，減少鋼材用量，同時提高結(jié)構(gòu)自身的抗彎、抗扭剛度，將正交異性鋼橋面板與桁架直接結(jié)合得到了板桁結(jié)合型加勁梁。為綜合解決正交異性鋼橋面疲勞開裂和鋪裝易損壞的問題，提出了超高性能輕型組合橋面，并在300 m跨徑的株洲楓溪大橋(自錨式懸索橋)上得到了應(yīng)用。

岳陽洞庭湖大橋在國內(nèi)外首次采用組合橋面板桁結(jié)合型加勁梁，鑒于其復(fù)雜性，對其施工控制提出了更高的要求。與傳統(tǒng)分離式橋面系相比，結(jié)合型橋面系參與整體受力，后澆筑的STC(超韌性混凝土)層又參與組合橋面的受力，三者相互影響，為使所有結(jié)構(gòu)受力合理，特別是不能使STC施工過程中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，需制定合理的施工工序和控制措施；大跨徑懸索橋為重量敏感型結(jié)構(gòu)，為控制現(xiàn)澆STC和鋪裝層重量，同時考慮到STC層總厚度相對于一般結(jié)構(gòu)較薄，STC層澆筑厚度不足將導(dǎo)致漏筋，STC澆筑過厚又會使得鋼筋相對位置發(fā)生較大變化，為保證STC性能滿足設(shè)計要求，DB43/T 1173-2016《鋼-超高韌性混凝土輕型組合結(jié)構(gòu)橋面技術(shù)規(guī)范》對其施工厚度和平整度提出了很高的要求，而鋼橋面板不可避免地會產(chǎn)生變形，了解變形產(chǎn)生的原因和影響大小，并針對性地采取措施，對控制STC的澆筑厚度至關(guān)重要。

1 工程概況

1.1 項目簡介

洞庭湖大橋主橋采用雙塔雙跨板桁結(jié)合型鋼桁梁懸索橋，加勁梁跨徑組成為(1 480+453.6) m，主梁全長1 933.6 m。橋面系寬33.5 m，鋼桁加勁梁全寬35.4 m，梁高9 m，節(jié)間長度8.4 m，標準節(jié)段長度16.8 m，重量約320 t，全橋共有115個節(jié)段。索塔采用門式框架塔，岳陽側(cè)高203.088 m，君山側(cè)高206.088 m；索塔單塔柱下設(shè)40根D300 cm樁基礎(chǔ)。兩岸錨碇均為地連墻基礎(chǔ)重力式錨。岳陽側(cè)索塔處及君山錨碇處梁端設(shè)豎向支座和橫向抗風支座；君山側(cè)索塔處加勁梁設(shè)橫向抗風支座。洞庭湖大橋總體布置見圖1，加勁梁標準橫斷面見圖2。

圖1 洞庭湖大橋總體布置示意(除標高單位為m外，其余單位：cm)

圖2 加勁梁標準橫斷面(單位：mm)

1.2 橋面系構(gòu)造及施工方案

洞庭湖大橋橋面構(gòu)造為：12 mm鋼橋面板+45 mm STC層+40 mmSMA13瀝青層，即將常規(guī)的正交異性鋼橋面系轉(zhuǎn)化為鋼-超高韌性混凝土輕型組合橋面系。鋼橋面板上焊接φ13 mm×35 mm焊釘，焊釘標準間距150 mm；STC結(jié)構(gòu)層里布設(shè)φ10@37.5 mm HRB400鋼筋網(wǎng)，橫向鋼筋須布置在上層，鋼橋面上現(xiàn)澆45 mmSTC層。為改善路面適用性能、減少高強度STC 對車輪的磨損，提供良好的行車舒適性，在STC 層上設(shè)置40 mm 厚SMA-13 瀝青鋪裝作為磨耗層。瀝青鋪裝前需對STC頂板進行拋丸糙化處理，并涂刷環(huán)氧樹脂黏層。橋面系結(jié)構(gòu)見圖3。

2 STC施工應(yīng)力控制

2.1 壓重影響

大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)體系柔度大，荷載作用下變形大，洞庭湖大橋鋼桁梁施工過程中豎向變形如圖4所示。鋼桁梁吊裝完畢后主跨跨中上撓4.3 m，且在君山索塔位置鋼梁線形發(fā)生轉(zhuǎn)折。假設(shè)STC在初凝前能一次性澆筑完成，在不壓重的情況下，STC的施工次應(yīng)力如圖5所示，君山索塔附近將產(chǎn)生最大約2 MPa的拉應(yīng)力。該橋橋面系為組合結(jié)構(gòu)，STC層參與整體受力，運營狀態(tài)在最不利工況(恒載+溫度+橫向極限風荷載)作用下，STC應(yīng)力在君山索塔附近將比較高。為增加STC在運營階段的應(yīng)力儲備，應(yīng)盡量降低施工階段的損耗。綜合考慮后，在設(shè)計文件中規(guī)定了由施工引起的STC次拉應(yīng)力不超過0.5 MPa。

圖3 鋼-STC輕型組合橋面構(gòu)造

因此，為減小STC施工次應(yīng)力，有必要在施工中采取壓重措施，以減小鋼桁梁的變形。

圖4 鋼桁梁施工過程豎向變形

圖5 STC不壓重一次澆筑應(yīng)力增量

2.2 施工分塊及壓重優(yōu)化

洞庭湖大橋首次在大跨徑懸索橋上采用鋼-STC組合結(jié)構(gòu)。STC層的施工面積約6.5萬m2，考慮施工工藝、設(shè)備能力，STC分塊澆筑，單塊澆筑面積約6 000 m2，橫向接縫應(yīng)設(shè)置在桁架節(jié)間跨中位置，縱向接縫設(shè)置在橋梁中心線上，接縫處設(shè)置S形鋼板加強連接。為滿足工期要求，STC采用流水作業(yè)方式施工，流水施工應(yīng)按每4 d澆筑1段考慮，澆筑采用錯開、間斷方式進行，這樣可以使工期得到節(jié)約。STC分為 12 段進行施工，最終采用的分塊方式見圖6，圖中數(shù)字序號即為攤鋪順序號。STC施工應(yīng)在全橋鋼梁剛結(jié)后進行，其施工工序為：焊接S形鋼板→鋼板補焊栓釘→鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)→澆筑STC層→保濕養(yǎng)護→高溫蒸氣養(yǎng)護。全橋STC施工完成后，在STC層表面拋丸糙化處理，涂刷環(huán)氧樹脂黏結(jié)層，鋪裝層施工。

圖6 STC施工分塊示意(單位：m)

按圖6所示STC施工分塊及順序，對可能的幾種壓重方案進行模擬分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同壓重方案STC應(yīng)力比較(拉應(yīng)力為正)

從圖7可以看出：

(1) 如果不壓重，STC將普遍產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大將達3 MPa，且STC受力不均勻。

(2) 全壓重方案可以使除11#、12#塊以外的區(qū)域STC成橋后保持壓應(yīng)力，但君山索塔附近的11#、12#區(qū)域仍然存在拉應(yīng)力，最大超過1 MPa，該方案所需壓重荷載大，施工中需多次移動壓重(STC施工前撤除，達強度后補壓鋪裝荷載)，工期要求長，且由于該橋不能上下游同時澆筑，單幅STC澆筑過程中其自重與對應(yīng)幅的壓重不平衡，會產(chǎn)生額外的扭轉(zhuǎn)次應(yīng)力。

(3) 只壓STC自重的方案，除11#、12#塊以外的區(qū)域STC成橋后存在不超過0.5 MPa的拉應(yīng)力，滿足設(shè)計要求，但11#、12#區(qū)域拉應(yīng)力最大約1.5 MPa，不滿足要求，為解決該問題，提出了修正的部分壓重方案，即在11#、12#塊施工時采取額外的壓重措施。

(4) 修正部分壓重方案能很好地滿足設(shè)計要求，控制STC施工拉應(yīng)力不超過0.5 MPa，且大大簡化了壓重工序，該方案合計壓重9 050 t，與全壓重方案需壓重15 650 t比，節(jié)約壓重荷載6 600 t。

2.3 實橋控制措施

修正部分壓重的具體方案為：

(1) 一般區(qū)域(君山索塔兩側(cè)共計約400 m以外區(qū)域)通過在全橋鋼橋面板上預(yù)加載STC層重量，然后在STC分塊澆筑過程中，通過等代替換的方式，逐步卸載，使STC施工過程中鋼桁梁線形保持不變，壓重布置見圖8。

(2) 特殊區(qū)域(君山索塔兩側(cè)共計約400 m以內(nèi)區(qū)域)因全橋STC重量和二期荷載在該范圍內(nèi)引起較大的變形，除預(yù)加載STC層重量外，還需通過在中邊跨已澆筑的STC層上施加額外壓重，壓重布置見圖9。

圖8 一般區(qū)域STC壓重總體布置示意(單位：m)

圖9 特殊區(qū)域STC壓重總體布置示意(單位：m)

實橋壓重見圖10，STC施工應(yīng)注意：

(1) 壓重荷載應(yīng)布置于STC重心，以免引起施工中鋼桁梁扭轉(zhuǎn)。

(2) STC終凝前應(yīng)防止橋面施工擾動。

(3) 11#和12#塊區(qū)域STC全部蒸養(yǎng)完成后才能撤除特殊區(qū)域額外壓重。

圖10 實橋水箱壓重

3 鋼橋面板局部變形對STC施工的影響及控制措施

3.1 局部變形的影響

洞庭橋鋼橋面寬33.5 m，橫向跨度大，在加工制造、運輸及安裝階段皆存在變形，多種因素的累積將引起較大的變形。局部變形的存在，一方面使STC澆筑厚度不均勻，如最小厚度按不低于設(shè)計值控制將引起重量增加，從而對主橋構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，重量增加對主橋的影響結(jié)果見表1。

從表1可以看出：重量增加太多將引起索夾抗滑安全系數(shù)不足，主梁變形過大；另一方面使鋼筋保護層厚度大小不一，保護層厚度太小不能滿足耐久性要求，保護層厚度太大鋼筋又不能充分發(fā)揮作用，降低了STC局部受力性能。

表1 STC厚度增加對主橋結(jié)構(gòu)的影響

為了控制STC澆筑重量和質(zhì)量，以滿足整體和局部受力性能，對STC施工提出了以下要求：

(1) STC平均厚度超方控制在3 mm以內(nèi)，局部最小厚度不小于40 mm。

(2) 保證鋼筋網(wǎng)頂面的凈保護層在10～15 mm范圍內(nèi)。

為了解各種因素對橋面變形的影響大小，并在施工過程中對主要變形采取針對性的措施，下面對可能存在的影響因素進行分析并提出應(yīng)對措施。

3.2 引起變形的因素

3.2.1 加工工藝誤差

橋面板塊制作精度是板桁組合結(jié)構(gòu)疊合精度的關(guān)鍵，是影響節(jié)段制作精度的因素之一。根據(jù)鋼板軋制能力和制作需要，對橋面板和橫梁進行分塊制作，具體分塊方案見圖 11。工廠高程測點在半幅橋面上僅有5個控制點。

圖11 橋面板制造分塊示意(單位：mm)

橋面板制作精度要求中，控制橋面板高差主要是橋面各點標高和橋面板平面度兩項。橋面各點標高：±4.0 mm。橋面板塊平面度：縱向，橫肋間距/500且≤3.0 m；橫向，縱肋間距/300且≤1.5 mm。 按照上述要求上限值計算的加工誤差如下：

(1) 橋面設(shè)計橫坡為2%，半幅橫向距離為16 930 mm，因標高最大偏差±4 mm引起的橫坡誤差為±0.05%。

(2) 橋面板平面度偏差的影響主要體現(xiàn)在鋼板對接焊縫處，縱肋間距為600 mm，按允許最大偏差1.5 mm計算，如果兩鋼板對接時存在折角，折角最大將達到arctg(1.5/300)=0.286°，從而導(dǎo)致最寬3 600 mm的板兩側(cè)高程產(chǎn)生18 mm的誤差。

綜上可見，由于工廠高程控制點半幅橋面僅選取了有限的5個點，且這些位置受桁梁桿件的約束作用強，不易產(chǎn)生較大的變形，使得各點標高偏差對橋面板橫向各點標高影響不大；而橋面板組裝時非桁架桿件連接處豎向約束小，對于較寬的板即使很小的焊接轉(zhuǎn)角變形也能引起不容忽視的橋面標高誤差，而僅通過平面度偏差的限制無法避免這些誤差的產(chǎn)生。

3.2.2 支撐條件

鋼桁梁在工廠組拼胎架、運梁棧橋及起吊安裝后，所受支撐條件不同，鋼橋面板的變形也不同。按組拼胎架的測量結(jié)果控制的橋面高程，現(xiàn)場安裝后會發(fā)生高程變化，支撐條件對橋面變形的影響見圖 12。

從圖12可以看出：當在組拼胎架上支撐較多時，橋面板變形較小，當?shù)跹b就位僅由吊索支撐時，變形較大，兩者在橫橋向跨中位置最大相差約3 mm。

3.2.3 測量環(huán)境溫度

橋面標高測量應(yīng)選取氣溫相對穩(wěn)定，且不受陽光直曬的時段進行。但鋼桁梁制造安裝時間長，跨越不同季節(jié)，且制造和安裝地點相距甚遠，氣候條件不同，難以采用統(tǒng)一的測量溫度。測量溫度對橋面板標高的影響結(jié)果見圖13。

圖12 支撐條件對橋面變形的影響

圖13 測量環(huán)境溫度對橋面變形的影響

從圖13可以看出：均勻溫度變化對橋面板變形影響很小，可忽略不計。

3.3 橋位實測變形

鋼桁梁合龍后，STC施工前，通過高程測量掌握STC澆筑前鋼橋面的實際高程、縱橫坡等情況，為后續(xù)STC澆筑的厚度、重量及標高等各項指標控制提供依據(jù)。鋼橋面測點縱橋向布置在橫梁及橫隔板對應(yīng)的位置，橫橋向以橫向跨中為基準線，均勻布置。標準梁橫斷面的測點分布見圖14。

圖14 橋面橫斷面高程測點布置(單位：mm)

以B3梁段為例，橋面相對變形數(shù)據(jù)見圖 15，圖中以K點和L6/R6點的連線作為實測橫坡，其余點相對該連線的高差作為相對變形，負數(shù)表示橋面板下凹。

從圖15可以看出：主要由于上一節(jié)所述加工工藝誤差的存在，使得橋面板整體呈現(xiàn)折線形，整體平面度較差，且一個梁段內(nèi)縱向不同位置變形都不一致。

圖15 橋面實測相對變形(單位：mm)

3.4 施工解決措施

3.4.1 基本思路

鋼-STC輕型組合結(jié)構(gòu)橋面是鋼桁梁的主體結(jié)構(gòu)，STC的最小厚度和鋼筋及栓釘?shù)鹊谋Ｗo層厚度是組合結(jié)構(gòu)超高力學(xué)性能和耐久性能的重要保證。同時，懸索橋為重量敏感結(jié)構(gòu)，STC厚度的變化將導(dǎo)致橋面恒載發(fā)生變化，對主橋受力產(chǎn)生影響。但由于橋面平整度較差，對STC澆筑厚度、重量及標高等各項指標控制提出了挑戰(zhàn)。為解決該難點，針對洞庭湖大橋STC施工采用的整平機，提出了“曲線調(diào)坡”法和“直線調(diào)坡”法，整平機及軌道構(gòu)造見圖 16，軌道縱向6 m一道，連接位置高程可調(diào)，整平板橫向分成多塊，每塊高程可調(diào)。

“曲線調(diào)坡”是通過各梁段的測量結(jié)果，利用梁段的直線擬合縱坡調(diào)節(jié)軌道線形，利用全部橫斷面的平均多項式擬合橫坡調(diào)節(jié)每塊整平板的橫坡，實現(xiàn)各個斷面的線形基本與橋面線形一致，從而確保橋面各點的STC厚度滿足要求。“直線調(diào)坡”與“曲線調(diào)坡”的區(qū)別僅在于橫向不分段調(diào)整整平板坡度，其取值為一條直線。下文以一次澆筑的B3～B20梁段“曲線調(diào)坡”為例說明調(diào)坡過程。

圖16 整平機及軌道構(gòu)造示意(單位：m)

3.4.2 調(diào)坡過程

調(diào)坡過程如圖17所示。

具體流程為：① 橫坡擬合。對每個測量橫斷面都進行橫坡線性擬合；② 高差的多項式擬合。高差=橫

圖17 調(diào)坡流程示意

坡擬合后標高-橋面測量標高，采用橫向各個測量位置縱向整個澆筑段的高差平均值進行橫向多項式擬合，相當于一次澆筑整平板標高采用統(tǒng)一值，施工過程中不再調(diào)整；③ 橫坡調(diào)整。 對高差進行多項式調(diào)整，如測點負高差仍大于3 mm，對其所在橫斷面再次進行直線插值調(diào)整；④ 軌道縱坡調(diào)整。單個節(jié)段內(nèi)縱坡分兩段進行直線擬合，并根據(jù)擬合后的軌道標高現(xiàn)場調(diào)整軌道安裝高程。

STC澆筑厚度按45 mm控制，B3～B20梁段經(jīng)調(diào)整后，STC最小厚度為37.8 mm，最大厚度為60.5 mm；超過50 mm的點數(shù)為64個，占總數(shù)的8.7%，小于40 mm的點數(shù)為6個，占總數(shù)的0.8%；STC厚度平均值為45.7，理論超方1.6%。

3.4.3 調(diào)坡方法對比

直線調(diào)坡與曲線調(diào)坡類似，區(qū)別僅在于不進行高差的多項式擬合，即橫向不分段調(diào)整整平板坡度，其取值為一條直線。兩種方法的優(yōu)缺點對比見表2，綜合考慮后，洞庭湖大橋采用了“直線調(diào)坡”法，STC最小厚度原則不低于40 mm，鋼筋保護層厚度為10～15 mm，STC實際超方量為4.7%。

4 結(jié)論

洞庭湖大橋首次在大跨徑懸索橋上采用鋼-STC組合結(jié)構(gòu)，由于STC參與整體受力，且其厚度控制嚴格，對STC施工提出了更高的要求。通過該文的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 大跨徑懸索橋橋面系采用鋼-STC組合結(jié)構(gòu)時，施工影響因素多，為減小STC施工次應(yīng)力的產(chǎn)生，有必要進行施工配重?？刂芐TC澆筑厚度的鋼橋面板平整度誤差主要由加工制造誤差引起，目前的偏差指標不足以限制較大誤差的產(chǎn)生。

(2) 針對鋼橋面平整度問題，結(jié)合施工設(shè)備的可調(diào)性，STC施工中提出了“曲線調(diào)坡”和“直線調(diào)坡”法，“曲線調(diào)坡”擁有更高的精度，“直線調(diào)坡”法具有更好的操作性，綜合考慮，洞庭湖大橋采用了“直線調(diào)坡”法，有效控制了STC厚度和超方量，達到了較好效果。

(3) 該文的研究成果適用于所有橋梁。只是對于懸索橋這種主要由重力剛度提供整體剛度的橋梁，其恒載重量對結(jié)構(gòu)影響更大，因此按該文介紹的方法對橋面系施工重量進行精確控制意義更大。