主跨245m連續(xù)組合梁少支點支架法施工關鍵技術*

代百華，朱金柱，胡欽俠

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100120；3.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

本文以G220至濟青高速公路王舍人互通立交連接線工程中的濟南鳳凰路北側跨大堤引橋為依托，研究主跨245m連續(xù)組合梁少支點支架法施工關鍵技術。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

G220至濟青高速公路王舍人互通立交連接線工程中的濟南鳳凰路北側跨大堤引橋采用跨徑組合為(154+245+154)m三跨變截面連續(xù)梁橋，主梁為鋼-混凝土組合梁結構，由鋼箱梁和8cm厚UHPC混凝土橋面板組成，整幅布置，雙向8車道，車行道兩側設置人行道和非機動車道，中央預留軌道交通。鋼梁全長552.2m，梁高按二次拋物線變化，邊墩和跨中處梁高4.8m，中墩處為10.0m，全寬61.7～54.0m。鋼梁由閉口箱梁、橫隔板和人非挑臂組成。全橋由45個梁段組成，其中主梁標準節(jié)段長12m，每間隔4m設置1道橫隔板，除兩側端橫梁為實腹式橫隔板外，其余均為空腹式橫隔板。

為減少中支點鋼梁底板厚度的同時，確保中支點鋼梁受力安全，在中支點邊跨側40.5m、中跨側32.5m范圍內采用鋼梁底板與混凝土結合方案，即在鋼梁底板及底板縱向加勁肋上設置焊釘連接件，通過在鋼梁底板上澆筑混凝土，協(xié)助鋼梁底板共同承受荷載。底板混凝土采用C50低收縮混凝土，厚0.35～1.20m。全橋的鋼主梁總重約24 500t，UHPC橋面板與負彎矩區(qū)混凝土C50共重約6 600t，全橋主梁(不含橋面鋪裝)總重約31 100t，橋跨總體布置如圖1所示。

圖1 全橋布置

1.2 重難點分析

1)北側跨大堤引橋主跨245m，其跨度在世界同類型橋梁中居首位，主梁截面高度變化大(高差最大約5.2m)，節(jié)段自重大(最重約974t)，且大堤兩側地面高差大(兩側高差最大約13m)，起重設備駐位和節(jié)段整體吊裝及運輸困難，采用常規(guī)的節(jié)段懸拼和頂推法施工難度極大。結合主梁結構特點，其施工工藝可選擇性小，因此采用搭設少支點支架、橋位拼裝工藝進行鋼箱梁施工，設備及措施材料投入量大。

2)跨堤橋與黃河大堤斜交，受大堤坡腳影響，支架架設難度大；施工區(qū)域黃河段不通航，需采用板單元形式陸運至現(xiàn)場，橋位處原位拼裝，現(xiàn)場焊接、打磨、涂裝工作量極大，施工安全及環(huán)保風險高；熔透焊縫和坡口焊縫較多，所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應力較大，制造過程中線形控制難度較大。

3)鋼箱梁結構寬度大，且平面變寬(橋面寬61.7～54.0m)，部分梁段處在圓曲線上，梁段的外形幾何尺寸控制難度較大；北側跨大堤引橋因其跨徑大、梁體超寬、超重特點，中跨合龍及落梁的合理施工工序選擇和施工精度控制難度空前。

2 關鍵工序施工技術

根據(jù)依托工程的結構特點、橋址地形情況及工期安排，北側跨大堤引橋的主要施工技術包括：①支架、臨時墩設計與施工技術；②主梁制造及安裝技術；③中跨合龍及鋼梁底板混凝土澆筑技術；④落梁施工技術。

2.1 支架、臨時墩設計與施工技術

全橋共設置8個臨時墩，從小里程往大里程依次為1，2，…，8號臨時墩，臨時墩由φ1 200×14立柱、φ630×8平聯(lián)及2[28a斜撐組成支撐結構，立柱間采用平聯(lián)及斜撐連接，立柱上方布置采用HN900×300梁系支承主梁結構，如圖2所示。中跨臨時墩采用擴大基礎，邊跨臨時墩采用鋼管樁基礎，即邊跨1號和8號臨時墩均采用48根φ630×8樁基礎，其設計承載力為43 200kN，中跨2～7號臨時墩均采用矩形和六邊形擴大基礎結構形式，其設計承載力為24 750kN。

圖2 北側跨大堤引橋臨時墩布置

鋼箱梁支架由立柱(φ1 000×12，φ800×10及φ630×8)，φ426×6平聯(lián)及2[28a斜撐組成支撐結構，在邊跨及橋墩附近較重梁段支架采用鋼管樁基礎，其余立柱均采用擴大基礎。立柱間采用平聯(lián)及斜撐連接，立柱上方布置墊梁(3HM588×300，2HM588×300，2HN900×300)，墊梁上布置HM588×300縱梁，縱梁上方布置胎具支撐梁段，支架橫斷面如圖3所示。立柱(φ630×8)基礎下地基承載力特征值≥150kPa，立柱(φ800×10)基礎下地基承載力特征值≥180kPa。

挑臂支架由立柱(φ800×10及φ630×8)、φ426×6平聯(lián)及2[28a斜撐組成支撐結構，其中大堤道路兩側采用φ800×10立柱，立柱全部采用擴大基礎，挑臂支架橫斷面如圖3所示。立柱間采用φ426×6平聯(lián)及2[28a斜撐連接，立柱上方布置縱梁(3HM588×300，2HM588×300)，縱梁上方布置墊塊支承挑臂。

圖3 支架標準橫斷面

為防止基礎施工對大堤土體造成破壞，在大堤兩側基礎施工區(qū)域進行路基幫寬處理，大堤內、外側各加寬8m，使基礎全部坐落在幫寬地基上。擴大基礎采用鋼筋混凝土結構，尺寸分為2種，即3.5m×3.5m×1.0m和3.0m×3.0m×0.8m，基礎下方設置10cm厚C15混凝土墊層，地基部分換填并夯實。鋼管樁基礎采用釣魚法沉樁施工，即采用80t履帶式起重機配合DZ90振動錘施工?；A施工完成后，依次進行支架鋼管立柱、平聯(lián)、斜撐及縱梁安裝。

2.2 主梁制造及安裝技術

2.2.1中間箱體制造及安裝技術

綜合考慮供料、運輸及生產(chǎn)效率等因素對梁段進行板單元劃分，實現(xiàn)鋼箱梁制造中的板單元化，最大限度避免或減少零散部件參與梁段組裝。板單元制造完成后，運輸至橋位拼裝場地，采用履帶式起重機將板單元吊裝至總拼胎架，在總拼胎架上進行多節(jié)段塊體連續(xù)匹配組裝焊接。組裝采用“正裝法”，以胎架為外胎，以橫隔板為內胎，各板單元按縱、橫基線就位，梁段間按無應力的實橋狀態(tài)進行總體拼裝。箱梁組裝通過測量塔和橫向基準點即“三縱一橫法”控制單元塊、板單元就位，在盡可能少的碼板約束下施焊，中間箱體組拼工藝如圖4所示。中間箱體施工完成后，解除底板彈性碼板，采用三向千斤頂調位，受力轉換，將中間箱體置于反力座上(反力座與縱梁間設置2片不銹鋼式滑道)，實現(xiàn)中間箱體調位，并在合適的溫度條件下焊接碼板，施作環(huán)縫，完成節(jié)段連接。

圖4 中間箱體單節(jié)段組拼工藝

2.2.2兩側挑臂制造及安裝技術

鋼箱梁兩側挑臂在鋼筋加工廠內組拼，組拼完成后經(jīng)便道運至橋位處。針對大堤坡腳范圍外挑臂安裝，將挑臂單元吊裝至中間箱室兩側，以橫基線為基準，從基準梁段開始依次吊裝邊箱梁段，利用挑臂節(jié)段和中間箱體間的臨時匹配件及導向牛腿進行精確定位后，進行梁寬、對角線等重要參數(shù)的檢測，無誤后進行焊接。此外，挑臂單元均滯后中間箱體1～2個節(jié)段進行安裝。

針對大堤坡腳范圍內的挑臂安裝，挑臂單元需通過縱移牽引實現(xiàn)就位。牽引系統(tǒng)主要由鋼絞線、錨具、反壓牛腿、箱梁底面著力點(由鋼板和預應力端錨組成)、千斤頂、滑道及滑塊等組成，如圖5所示。單片挑臂滑移到位后，為保證其穩(wěn)定性，應將墊塊進行臨時焊接固定。

圖5 梁段牽引裝置結構

2.3 中跨合龍及鋼梁底板混凝土澆筑技術

合龍段長6.0m、重約180t，采用地面三維匹配總拼成節(jié)段，自平衡液壓平板車運輸就位，橋面4臺200t連續(xù)提升頂提升就位，在合適的溫度應力條件下，精確調整合龍段位置，將合龍縫利用碼板臨時鎖定，焊接合龍，合龍段吊裝如圖6所示。

圖6 合龍段吊裝示意

鋼箱梁中跨合龍后，澆筑PF32，PF33號中墩支點處鋼箱梁底板結合混凝土，同步安裝永久支座，支座安裝時，先將支座上蓋板與鋼箱梁底部支座調平板對齊后進行焊接，支座上蓋板焊接完成后進行下蓋板支座灌漿施工(支座下蓋板與支座墊石對齊)。臨時墩頂反力座及千斤頂安裝完成后，由中間向支座和臨時墩反力座方向依次對稱割除鋼箱梁底板與總拼胎架間彈性碼板，完成鋼箱梁拼裝支架脫架施工，在臨時墩頂采用千斤頂施加預頂力支承鋼箱梁，拆除散拼支架，將鋼箱梁荷載轉換至臨時墩。

2.4 落梁施工技術

北跨大堤引橋跨徑大且梁體超寬、超重，因此不同落梁方案中各臨時墩的起頂力和落梁量、千斤頂設備數(shù)量、施工風險等均不同。為了制訂合理的落梁方案，通過針對各臨時墩墩頂支反力對落梁高度的敏感性、落梁過程中各臨時墩的起頂力、設備及落梁量等進行系統(tǒng)分析，以臨時墩起頂力小或起頂力大且落梁量大作為可操作性原則，最終確定采用的落梁方案如表1所示。

表1 落梁方案

落梁過程中，第1次澆筑UHPC混凝土橋面板為邊跨端69.5m和中跨136m區(qū)域，第2次澆筑剩余的墩頂段UHPC橋面板。在進行落梁時，應嚴格控制各臨時墩落梁的同步性和落梁量的精確性，確保鋼箱梁和各臨時結構受力合理、結構始終處于安全狀態(tài)。

3 落梁施工受力分析

根據(jù)落梁方案，建立落梁過程中的有限元模型，針對落梁過程中關鍵構件受力進行系統(tǒng)分析。

3.1 臨時墩受力分析

該落梁方案下，各臨時墩落梁時的起頂力及落梁量如表2所示。

表2 各臨時墩起頂力及落梁量

由表2可知：①各臨時墩起頂力均相對較小且均衡合理，均在19 000kN以下，其中3號臨時墩起頂力最大，為18 863kN，每個臨時墩僅需配置3臺800t千斤頂，在每個臨時墩縱橋向采用單排布置，布置在臨時墩縱梁的中間位置，橫橋向3排布置，落梁時安全風險相對??；②中跨臨時墩落梁量最大為720mm，邊跨臨時墩落梁量為57mm，該落梁方案通過中跨臨時墩的優(yōu)先同步落梁極大地降低了邊跨臨時墩的落梁量，中跨落梁量最大的4號和5號臨時墩分7輪落梁，極大地降低了安全風險。

臨時墩為少支點支架法施工的關鍵受力構件，在落梁全過程中需針對各臨時墩的墩頂支反力隨落梁高度的變化進行關注和分析。落梁過程中，3號和6號、4號和5號、1號和8號臨時墩墩頂支反力隨落梁高度變化如圖7所示。

圖7 各臨時墩墩頂支反力與落梁量關系曲線

由圖7可知：①3號和6號、4號和5號、1號和8號臨時墩墩頂支反力均隨著其落梁高度的增加而近似線性降低，整個落梁過程中均處于安全合理的受力狀態(tài)；②5號臨時墩在落梁高度達到600mm時，墩頂支反力略微上升，究其原因是由于此時拆除3號和6號、1號和8號臨時墩導致5號臨時墩的支反力略微增加。

3.2 橋墩受力分析

落梁過程中，隨著各臨時墩落梁量的增加及臨時墩的拆除，鋼箱梁的結構荷載逐步由臨時墩傳遞到橋墩上，落梁過程中需持續(xù)關注和分析橋墩的墩頂支反力和支座轉角變化，各工況下橋墩墩頂支反力和支座轉角如圖8所示。

圖8 各工況下橋墩墩頂支反力與支座轉角變化曲線

通過計算分析可得：①在落梁全過程中，PF32，PF33號橋墩的墩頂支反力隨著落梁過程的推進而緩慢有序增加，落梁完成后，PF32，PF33號橋墩墩頂支反力均達到最大，分別為192 423kN和171 685kN，均安全可控；②PF32，PF33號橋墩的墩頂支座轉角隨著落梁過程的推進整體呈現(xiàn)平緩增加趨勢，落梁完成后，PF32，PF33號橋墩墩頂支座轉角均達到最大，分別為4.4×10-3，4.7×10-3rad，均小于設計要求值0.02rad，滿足相關規(guī)范要求。

3.3 主梁線形監(jiān)測對比分析

在落梁施工全過程中，對邊跨二分點處、中跨四分點處主梁線形進行實時監(jiān)測，選取橋面鋪裝完成后工況的實測值與理論值進行對比分析，可得各關鍵測點處主梁線形理論值與實際值，如表3所示。

表3 各關鍵測點處主梁線形理論值與實際值 m

由表3可知，采用該落梁方案完成落梁時，主梁線形實測值與理論值相差較小，誤差均在3%以內，表明采用少支點支架法及該落梁方案有力地確保了施工過程的結構安全、受力合理、施工高效。

4 結語

1)北側跨大堤引橋因跨越黃河大堤，橋址處地面高差大，主梁節(jié)段自重大，施工區(qū)域黃河段不通航，起重設備駐位和節(jié)段整體吊裝及運輸困難，因此最終采用搭設少支點支架、橋位拼裝工藝進行施工。

2)支架、臨時墩施工完成后，應建立其沉降、變形監(jiān)測系統(tǒng)，在施工過程中實時監(jiān)測沉降、應力等關鍵參數(shù)，確保施工安全和施工精度。

3)主梁以板單元形式在橋位處進行原位拼裝，現(xiàn)場熔透焊縫和坡口焊縫較多，為確保梁段外形幾何尺寸精確性，在鋼梁制造和安裝過程中應利用先進技術嚴格控制精度，減少誤差。

4)北側跨大堤引橋因其跨徑大、梁體超寬、超重、變高、變寬特點，落梁施工工序選擇難度空前，通過系統(tǒng)分析，最終確定了先中跨同步落梁后邊跨落梁的方案，該方案下臨時墩的起頂力相對較小且均衡和落梁量大小合理，橋墩受力安全可控，在該方案指導下，北側跨堤引橋在2021年8月11日順利完成落梁施工。