平潭海峽公鐵兩用大橋雙線64 m節(jié)段拼裝簡支梁創(chuàng)新技術(shù)

陳國順,王德志

(1.東南沿海鐵路福建有限責(zé)任公司,福州 350013； 2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

新建福平鐵路是連接福州至平潭島的客貨共線雙線鐵路，最高設(shè)計時速200 km。平潭海峽公鐵兩用大橋跨越平潭海壇海峽，起于長樂市松下鎮(zhèn)，經(jīng)人嶼島、長嶼島、小練島，跨海壇海峽北東口水道至平潭島，大橋全長約16.322 km[1]。

工程區(qū)域為典型的海洋性季風(fēng)氣候，受熱帶海洋性東北季風(fēng)的影響，橋址區(qū)全年有6級以上大風(fēng)天氣300 d以上，7級以上大風(fēng)天氣約238 d，百年最大風(fēng)速44.8 m/s；受熱帶風(fēng)暴影響，臺風(fēng)年平均6.3次。受海洋水環(huán)境的影響，橋址環(huán)境具有氯鹽侵蝕、化學(xué)侵蝕和鹽類結(jié)晶破壞的特點，對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

平潭海壇海峽北東口水道處海域?qū)挾燃s3.7 km，呈北東西南走向狹長狀，漲、落潮最大高差4.3 m。受潮汐作用沖刷強(qiáng)烈，海底地形起伏大，海水深10～40 m，跨東北口水道部分除主橋外兩側(cè)引橋布置64 m大跨簡支箱梁，整孔箱梁自重2 500 t。受工程建設(shè)條件、運(yùn)架設(shè)備能力的影響，梁體采用節(jié)段預(yù)制拼裝造橋機(jī)施工[2，3]。主要介紹福平鐵路平潭公鐵兩用大橋64 m節(jié)段拼裝簡支箱梁創(chuàng)新技術(shù)。

2 梁部結(jié)構(gòu)

梁部采用單箱單室等高度簡支箱梁[4]，梁全長63.9 m，計算跨度61.4 m。箱梁每孔縱向分11個節(jié)段，如圖1所示，梁端節(jié)段長4.2 m，中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長5.5 m，全梁縱向設(shè)10道濕接縫，單個接縫長0.6 m。箱梁在制梁場分節(jié)段預(yù)制，利用造橋機(jī)將整孔節(jié)段組拼，現(xiàn)澆節(jié)段間濕接縫施工[5]，最大梁段質(zhì)量248.2 t。

圖1 箱梁節(jié)段劃分示意(單位：cm)

圖2 箱梁跨中橫截面(單位：cm)

箱梁采用直腹板結(jié)構(gòu)，頂板寬12.2 m，底板寬6.4 m，梁高5.5 m，頂板跨中部分厚35 cm，端部漸變至55 cm，底板跨中厚50 cm，漸變至端部90 cm；腹板厚50～70 cm，端部腹板內(nèi)側(cè)加厚至110 cm。橫橋向支座中心距為4.6 m，支座中心線距梁端90 m，梁端預(yù)留0.5 m的張拉空間?？缰袡M截面如圖2所示。梁體C50混凝土974.7 m3，縱向腹板束采用19-7φ5 mm鋼絞線，底板束采用15-7φ5 mm和12-7φ5 mm兩種鋼絞線，共12束腹板索、34束底板索。采用TQZ(NS)-15 000 kN鐵路耐蝕球形鋼支座。

施工階段梁體最大壓應(yīng)力17.86 MPa，考慮運(yùn)梁車荷載最大壓應(yīng)力13.12 MPa，最小壓應(yīng)力為5.77 MPa；運(yùn)營階段梁體主要受力計算結(jié)果如表1所示。

梁體撓度：靜活載引起的最大豎向撓度1.72 cm，撓跨比1/3 570，梁端轉(zhuǎn)角0.9‰。10年后理論殘余徐變上拱5.2 m。梁體由于混凝土收縮及預(yù)應(yīng)力作用下的平均理論壓縮量上緣為9.8 mm，下緣為39.6 mm。計算結(jié)果表明梁體的各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計規(guī)范要求[6]。

3 梁部施工

3.1 梁場布置

梁場設(shè)置在引橋兩端橋頭的路基上，沿鐵路中線布置，梁場平面布置如圖3所示，由小里程至大里程依次為生活區(qū)、鋼筋加工區(qū)、制梁區(qū)和存梁區(qū)。節(jié)段梁預(yù)制采用短線法施工，根據(jù)工期計劃，梁場內(nèi)資源配置滿足64 m梁2孔/30 d的生產(chǎn)能力，每個臺座的生產(chǎn)周期按1個節(jié)段7.5 d考慮，梁場內(nèi)設(shè)5.5 m臺座4個，4.2 m臺座1個。鋼筋綁扎區(qū)內(nèi)設(shè)置普通節(jié)段胎具2個，梁端節(jié)段胎具1個。存梁臺座按雙層存梁考慮，存梁區(qū)內(nèi)設(shè)置30個存梁臺座[7]。

3.2 造橋機(jī)構(gòu)造[8]

結(jié)合橋址處惡劣的建設(shè)條件，為提高工作效率，充分發(fā)揮造橋機(jī)結(jié)構(gòu)的受力性能，研發(fā)了雙孔連做SPZ2700×2/64型箱梁節(jié)段拼裝造橋機(jī)。造橋機(jī)采用2跨連續(xù)主桁加尾桁的結(jié)構(gòu)形式，主桁結(jié)構(gòu)過孔時為2跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，造橋時為2跨簡支梁結(jié)構(gòu)，可以一次拼裝施工2孔簡支梁，同時實現(xiàn)40，64 m不等跨橋梁的架設(shè)施工。

造橋機(jī)主要由主桁系統(tǒng)、下托梁系統(tǒng)、托輪系統(tǒng)、提梁龍門吊、后端臨時支腿、前端臨時支腿、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成，如圖4所示。

圖4 造橋機(jī)總裝結(jié)構(gòu)立面(單位：cm)

主桁系統(tǒng)由左右2組桁架梁及其連接橫梁組成，2組桁架梁分別布置在待造橋跨兩側(cè)，中心距17.5 m，主桁總長度為157.5 m，高8.5 m，造橋機(jī)自身質(zhì)量2 550 t，造橋機(jī)最大承載能力25 000 kN×2。同時，造橋機(jī)主梁和下托梁構(gòu)成了一個封閉的施工空間，施工環(huán)境安全、方便，尤其適用于海上墩高、風(fēng)大的架梁施工環(huán)境[9]。

該造橋機(jī)具有以下特點：(1)可滿足64 m跨、40 m跨及其任意組合的雙線整孔箱梁的節(jié)段拼裝要求；一次過孔就位后，可同時完成2孔箱梁的造橋工作，與現(xiàn)有的單孔造橋機(jī)相比，可節(jié)省近一半的工期；(2)造橋機(jī)主梁采用2跨帶后懸臂的桁架結(jié)構(gòu)形式，前跨主桁既是造橋的工作跨，也兼作過孔作業(yè)時的前導(dǎo)梁，減少了前后導(dǎo)梁的配重，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理；(3)造橋機(jī)過孔作業(yè)的支承和驅(qū)動全部依靠主桁下面的托輪系統(tǒng)實現(xiàn)，節(jié)省了馱運(yùn)支架和馱運(yùn)臺車，同時避免了在已架箱梁頂面走行時繁瑣的鋪軌作業(yè)；(4)造橋機(jī)重心低，梁體位于造橋機(jī)腹內(nèi)，荷載經(jīng)下托梁系統(tǒng)作用于主桁架下弦上，具有較高的穩(wěn)定性。

3.3 箱梁節(jié)段預(yù)制

為縮短鋼筋工程施工占用制梁臺座的時間，加速制梁臺座的周轉(zhuǎn)，節(jié)段梁鋼筋骨架采用整體預(yù)扎、吊裝入模的工藝進(jìn)行施工[10]?；炷吝\(yùn)輸采用攪拌運(yùn)輸車和輸送泵泵送?；炷磷匀火B(yǎng)護(hù)時間不少于14 d。受海洋環(huán)境腐蝕的影響，節(jié)段箱梁存放時應(yīng)及時對其外露鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼索、預(yù)應(yīng)力孔道及鋼構(gòu)件進(jìn)行防腐保護(hù)。

3.4 箱梁節(jié)段拼裝

當(dāng)節(jié)段強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度100%且齡期達(dá)到28 d后，即可開始進(jìn)行箱梁節(jié)段拼裝施工[11]，節(jié)段梁拼裝施工工藝流程如圖5所示。先使用3 500 kN龍門吊提升，運(yùn)梁車將節(jié)段運(yùn)至造橋機(jī)尾部，起重天車直接從運(yùn)梁車上取梁，按由后向前的順序?qū)㈩A(yù)制節(jié)段布置在造橋機(jī)上，支撐在調(diào)節(jié)支腿上，使節(jié)段梁初步就位，現(xiàn)場施工照片如圖6所示。節(jié)段梁在擺放時，縱向預(yù)留出60 cm濕接縫，豎向按計算預(yù)拱度設(shè)置。

圖5 節(jié)段拼裝工藝流程

圖6 節(jié)段梁龍門吊提升和安裝施工

3.5 濕接縫施工及預(yù)應(yīng)力張拉[12]

梁段在從存梁臺座移至造橋機(jī)上之前，在每節(jié)段兩側(cè)預(yù)留出長度50 cm外伸鋼筋理順調(diào)直，并對表面刷洗干凈。節(jié)段梁擺放就位后，相鄰節(jié)段間鋼筋接頭綁扎搭接，同時對波紋管接縫進(jìn)行密閉處理。

濕接縫混凝土從兩端向中間進(jìn)行澆筑，以避免支架出現(xiàn)不均勻變形。整孔梁所有濕接縫混凝土一次澆筑成型，采用與預(yù)制梁體相同的澆筑工藝，先底板后腹板，對稱澆筑，依次從兩端向中間進(jìn)行[11]。當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的50%以上且各部溫差小于15 ℃時，方可拆除模板。

預(yù)應(yīng)力鋼索分2次張拉，濕接縫混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度80%時，進(jìn)行第一次張拉，是將梁體自重由架橋機(jī)轉(zhuǎn)為自身承受的過程；濕接縫混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度100%且齡期達(dá)到7 d后，進(jìn)行第二次張拉。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后，及時對管道壓漿、封錨[14]。

3.6 造橋機(jī)整機(jī)前移過孔

當(dāng)混凝土箱梁張拉預(yù)應(yīng)力筋成橋后，造橋機(jī)打開下托梁，過孔前行至下兩孔橋跨，造橋機(jī)在托輪系統(tǒng)的支承和驅(qū)動下前行過孔作業(yè)。

3.7 防風(fēng)安全措施

造橋機(jī)施工采用風(fēng)速預(yù)警系統(tǒng)與提梁龍門吊操作系統(tǒng)的集成技術(shù)，可以隨時顯示風(fēng)速情況，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8級以及8級以上大風(fēng)時能自動切斷總電源，自動停止施工作業(yè)；通過風(fēng)參數(shù)變化控制提梁龍門吊走行狀態(tài)，有效地減弱了門吊在箱梁吊裝過程中受強(qiáng)風(fēng)影響下產(chǎn)生的空間搖擺現(xiàn)象，保障了造橋機(jī)安全施工作業(yè)。同時臺風(fēng)期間加強(qiáng)造橋機(jī)上各設(shè)備與主桁系統(tǒng)連結(jié)，以及造橋機(jī)主桁與墩身臨時錨固，確保架橋機(jī)及設(shè)備安全[15]。

4 節(jié)段拼裝線形控制

4.1 預(yù)拱度設(shè)置

在混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力作用下，梁體在長度方向產(chǎn)生壓縮變形，在豎直方向上產(chǎn)生上拱度。為了保證線路在運(yùn)營狀態(tài)下的平順性，在節(jié)段箱梁拼裝施工的過程中，應(yīng)充分考慮梁部預(yù)拱度、造橋機(jī)初始預(yù)拱度及預(yù)應(yīng)力引起的造橋機(jī)反拱作用。因此預(yù)拱度設(shè)置主要因素[16]如下。

(1)為抵消預(yù)加應(yīng)力引起的上拱，箱梁整孔組拼時須設(shè)置反拱(下拱)Δ1；(2)設(shè)計二期恒載上橋時間按預(yù)加應(yīng)力60 d計算，理論計算殘余徐變拱度值為(下拱)Δ2；(3)考慮1/2活載引起的撓度值，在跨中設(shè)置反拱(上拱)Δ3；(4)架橋機(jī)自重及在節(jié)段箱梁及濕接縫重力作用下產(chǎn)生的下?lián)隙?上拱)Δ4。

考慮到前述Δ1、Δ2、Δ3三個反拱值均系箱梁自身因張拉、徐變、荷載而設(shè)置的反拱值，因此將Δ1、Δ2、Δ3三個跨中反拱值統(tǒng)一考慮，按33.5 mm設(shè)置，由此引起的造橋機(jī)支承點的反拱值按照二次拋物線進(jìn)行過渡，而Δ4系因架橋機(jī)變形造成，由此引起的架橋機(jī)各支承點反拱值則分別對應(yīng)進(jìn)行累加設(shè)置。各節(jié)段梁預(yù)拱度設(shè)置按以下公式計算

式中δx——距梁體支點x處的預(yù)拱度，mm；

x——距梁體支點的距離，m；

L——梁體跨度，m；

δ2x——距梁體支點x處的造橋機(jī)彈性變形，mm。

4.2 線形控制

節(jié)段梁的縱向、橫向和豎向三個方向必須精確調(diào)位?？v向以線路中心線為基準(zhǔn)，梁體中心線應(yīng)與線路中心線重合，梁段的平面位置通過造橋機(jī)的起重小車來實現(xiàn)，梁節(jié)的高程控制則通過每個節(jié)段箱梁底的4臺扁平千斤頂和縱梁上的絲杠支撐進(jìn)行調(diào)整和保持。各節(jié)段梁豎向跨中預(yù)拱度值按33.5 mm設(shè)置，其他位置按二次拋物線過渡，梁底線形二次拋物線設(shè)置如圖7所示。

圖7 節(jié)段拼裝梁底線形反拱度設(shè)置

節(jié)段梁調(diào)位是一個反復(fù)調(diào)整、逐漸趨近的過程，故在施工中按先縱向調(diào)整→橫向調(diào)整→豎向調(diào)整→縱向調(diào)整→橫向調(diào)整→豎向調(diào)整的次序反復(fù)循環(huán)調(diào)整，直至達(dá)到設(shè)計要求[17]。

在施工過程中，必須對不同階段實施觀測，驗證所設(shè)拋物線是否正確、合理，以便于及時修正；根據(jù)施工監(jiān)測所得的結(jié)構(gòu)變形參數(shù)真實值進(jìn)行施工階段最后調(diào)節(jié)，確定各節(jié)段的支撐水平方位和高程[18]?？刂泼抗?jié)段梁縱、橫、豎向偏差均≤2 mm。

5 耐久性

節(jié)段拼裝箱梁采用濕接縫連接，濕接縫具有較好的密封性，提高橋梁的耐久性能。由于受海洋惡劣環(huán)境腐蝕的影響，橋梁結(jié)構(gòu)具有氯鹽侵蝕、鹽類結(jié)晶破壞的特點，為確保工程設(shè)計壽命不小于100年，針對混凝土開展了橋梁結(jié)構(gòu)耐久性專題研究。結(jié)合TB10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》[19]及橋梁結(jié)構(gòu)耐久性專題研究成果，制定了橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和施工實施細(xì)則。

5.1 耐久性設(shè)計

(1)采用高性能混凝土，明確抗氯離子滲透性要求和電通量指標(biāo)。在工程實施中，通過適當(dāng)提高摻入礦物摻和料比例，降低水膠比，混凝土(56 d齡期)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤1.5，6 h庫侖電量<800 C。(2)增加混凝土保護(hù)層厚度，箱梁腹板和底板厚度采用4.0 cm，頂板厚度3.0 cm。(3)嚴(yán)格控制裂縫寬度，控制主力裂縫寬度0.1 mm，主加附裂縫寬度0.15 mm。在構(gòu)造上確保鋼筋最小保護(hù)層厚度。(4)對部分材料的耐腐蝕性提出明確要求。如預(yù)應(yīng)力管道采用鍍鋅波紋管，管道灌漿材料漿體中應(yīng)摻入滲透型除銹劑，防止預(yù)應(yīng)力索銹蝕，支座采用耐海洋大氣腐蝕的球形鋼支座等。(5)混凝土表面采用防腐涂裝，保證預(yù)制梁體和現(xiàn)場濕接縫之間，梁體整個外表面避免接觸大氣海洋環(huán)境腐蝕，同時封閉混凝土表面氣孔和接縫。

圖8 造橋機(jī)施工現(xiàn)場

5.2 施工控制措施

(1)嚴(yán)格控制混凝土原材料，優(yōu)化混凝土配合比。混凝土除滿足強(qiáng)度等級、水膠比、水泥用量、含氣量、坍落度等要求外，尚應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土原材料的耐久性技術(shù)要求[20]。①選用低水化熱和較低含堿量的水泥，盡可能避免使用早期強(qiáng)度較高的水泥和高C3A含量的水泥，水泥的氯離子含量應(yīng)低于0.06%，水泥的堿含量應(yīng)低于0.6%；②礦物摻和料應(yīng)為性能穩(wěn)定的粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰等，其技術(shù)性能指標(biāo)符合相關(guān)要求；③選用堅固耐久、級配合格、粒形良好的潔凈集骨料，并規(guī)定了各種集骨料的主要技術(shù)指標(biāo)；④規(guī)定了化學(xué)外加劑選用和摻量要求、并嚴(yán)格控制氯離子含量；⑤加強(qiáng)混凝土拌和用水和養(yǎng)護(hù)用水質(zhì)量控制。混凝土拌和物中由各種原材料引入的氯離子總量應(yīng)不超過膠凝材料總量的0.06%，混凝土內(nèi)總堿量應(yīng)小于1.8 kg/m3。

(2)加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)管理，嚴(yán)格施工質(zhì)量控制。嚴(yán)格混凝土耐久性實施細(xì)則和耐久性規(guī)范要求，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)表層的振搗密實與均勻性、混凝土的良好養(yǎng)護(hù)、混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋定位的準(zhǔn)確性，嚴(yán)格控制混凝土表面收縮裂紋和施工裂縫控制等關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)。保證混凝土有良好的勻質(zhì)性、密實性和抗裂性。

(3)加強(qiáng)外露鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的防腐保護(hù)。外露鋼筋一直暴露在海洋大氣環(huán)境中，表面通過涂刷摻少量外加劑的水泥漿，包裹塑料膜等措施防止銹蝕。橫向預(yù)應(yīng)力筋通過在其外露部分包裹塑料膜，使預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)保持干燥，并堵塞管口后外包塑料膜保護(hù)。

6 創(chuàng)新技術(shù)

(1)為適應(yīng)橋址惡劣的大風(fēng)環(huán)境，研發(fā)的SPZ2700×2/64型箱梁節(jié)段拼裝雙孔連做造橋機(jī)，達(dá)到過孔一次完成2孔梁的造橋任務(wù)，降低安全風(fēng)險，提高施工效率。

(2)采用先進(jìn)的風(fēng)速預(yù)警系統(tǒng)及設(shè)備自動化控制系統(tǒng)的集成技術(shù)，自動調(diào)節(jié)控制節(jié)段梁拼裝線形，提高了定位精度與拼裝效率，同時確保了臺風(fēng)期間工程施工和設(shè)備安全。

(3)通過分析梁部在各種荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形，結(jié)合造橋機(jī)結(jié)構(gòu)變形、造橋機(jī)反拱作用對梁體的影響，合理設(shè)置梁部預(yù)拱度，確保梁部節(jié)段拼裝施工線形精確調(diào)位。

(4)結(jié)合海洋環(huán)境下開展了橋梁結(jié)構(gòu)混凝土耐久性研究，采用高性能混凝土，優(yōu)化混凝土配合比，提出了混凝土耐久性各項性能指標(biāo)等技術(shù)措施。

7 結(jié)語

福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋雙線64 m簡支梁節(jié)段預(yù)制拼裝施工，已于2017年9月順利完成，體現(xiàn)了我國在復(fù)雜惡劣海洋大風(fēng)建設(shè)環(huán)境下，大跨混凝土簡支梁節(jié)段預(yù)制拼裝施工的建造和裝配創(chuàng)新技術(shù)，對推動我國大跨度簡支梁預(yù)制拼裝技術(shù)的提升，海洋環(huán)境下橋梁結(jié)構(gòu)耐久性技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高我國鐵路工程綠色建造和質(zhì)量安全水平有借鑒意義。預(yù)計于2020年11月全線建成通車。