南京長江五橋節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板箱梁橋施工監(jiān)控*

許 盟，巫興發(fā)，沈惠軍，王江成,3，黃 超,3

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100088；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

0 引言

近年來，波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁因自重小、預(yù)應(yīng)力效率高、耐久性好、造型美觀等特點(diǎn)在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用[1]。該類型橋梁基本采用懸臂澆筑、支架現(xiàn)澆等施工工藝[2-3]。隨著橋梁工業(yè)化的發(fā)展，具有節(jié)能、環(huán)保、高效、耐久等優(yōu)點(diǎn)的節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)在混凝土橋梁中得以推廣[4-5]。將該技術(shù)引入波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)中，可顯著提升施工質(zhì)量、加快施工速度，提高常規(guī)節(jié)段梁接縫受力性能及抗震性能，降低建設(shè)成本[6]。

南京長江五橋中3座跨線引橋?yàn)椴ㄐ武摳拱孱A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，其中主梁節(jié)段采用短線匹配預(yù)制、架橋機(jī)懸臂拼裝的施工工藝，為國內(nèi)乃至國外首創(chuàng)。

1 工程概況

南京長江五橋引橋中3個(gè)區(qū)段采用預(yù)制波形鋼腹板節(jié)段梁，包括跨立新路橋(31+46+31)m、跨豐子河橋(38+68+38)m、跨大堤及濱江大道橋(左幅(41+78+45)m、右幅(45+78+41)m)。其中，跨立新路橋主梁為單箱單室等高結(jié)構(gòu)(梁高2.6m)，跨豐子河橋?yàn)閱蜗鋯问易兏呓Y(jié)構(gòu)(墩頂梁高4m，跨中梁高2.2m)，跨大堤及濱江大道橋主梁為單箱雙室變高結(jié)構(gòu)(墩頂梁高4.5m，跨中梁高2.2m)。箱梁頂、底板采用C50混凝土，波形鋼腹板采用1600型Q345C鋼材。跨豐子河橋構(gòu)造如圖1所示。

圖1 跨豐子河橋構(gòu)造(單位：cm)

波形鋼腹板在鋼結(jié)構(gòu)廠制造，運(yùn)輸至混凝土構(gòu)件預(yù)制場，采用短線匹配法預(yù)制逐節(jié)段成型新型鋼筋混凝土組合梁，待存放期滿足要求后轉(zhuǎn)運(yùn)至施工場地。采用短線匹配預(yù)制逐節(jié)段成型組合梁節(jié)段，待存放期滿足要求后轉(zhuǎn)運(yùn)至施工場地。在梁段預(yù)制的同時(shí)施工下部結(jié)構(gòu)，然后吊裝2個(gè)中間墩1號(hào)節(jié)段，澆筑0號(hào)節(jié)段，架橋機(jī)過跨到位，懸臂拼裝波形鋼腹板組合箱梁節(jié)段，依次完成邊跨及中跨合龍，解除墩梁臨時(shí)固結(jié)約束后完成連續(xù)梁體系轉(zhuǎn)換。

2 施工控制方法

基于全過程幾何控制理念[7]，即通過對(duì)箱梁節(jié)段制造和安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的全過程控制，實(shí)現(xiàn)箱梁無應(yīng)力構(gòu)形。首先對(duì)結(jié)構(gòu)施工階段進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，確定影響主梁結(jié)構(gòu)線形的敏感因素，然后通過前期準(zhǔn)備階段的模擬分析和施工過程的線形跟蹤測量結(jié)果，不斷修正施工控制分析模型，更新預(yù)制及安裝理論線形，使施工線形始終偏離目標(biāo)線形最小，確保成橋線形最大限度接近設(shè)計(jì)線形。整個(gè)控制體系分為準(zhǔn)備、波形鋼腹板制造、節(jié)段梁預(yù)制及安裝4個(gè)階段，具體控制流程如圖2所示。

圖2 施工控制體系

3 有限元仿真分析

通過仿真分析確定主梁預(yù)制、安裝線形及參數(shù)敏感性分析是整個(gè)控制體系的關(guān)鍵。基于Midas Civil建立跨豐子河橋主梁有限元模型，如圖3所示，通過數(shù)值計(jì)算，得到主梁施工期變形、成橋累積位移及預(yù)拱度。

圖3 跨豐子河橋主梁有限元模型

選取主梁自重、混凝土彈性模量、存梁期及溫度進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，確定影響主梁線形的關(guān)鍵因素，具體結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，自重對(duì)主梁線形的影響最大，存梁期次之。因此，各箱梁節(jié)段預(yù)制完成后需稱重并記錄預(yù)制完成時(shí)間。

圖4 參數(shù)敏感性分析結(jié)果

4 線形控制

4.1 波形鋼腹板制造

采用短線法預(yù)制節(jié)段波形鋼腹板梁，其制造線形應(yīng)滿足在短線臺(tái)座中定位安裝的需求，即首節(jié)段兩端均須垂直固定(浮動(dòng))端模，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段在固定端模側(cè)(即預(yù)制前進(jìn)方向)須垂直固定端模，如圖5所示。

圖5 節(jié)段波形鋼腹板制造示意

波形鋼腹板加工制造時(shí)，需布設(shè)線形測點(diǎn)，以便后續(xù)安裝定位。每塊腹板布設(shè)2個(gè)測點(diǎn)，位于翼緣板頂部，縱向距離節(jié)段分段線200mm，橫向位于翼緣板中心線位置，具體布設(shè)如圖6所示。此外，還需在波形鋼腹板兩端設(shè)置臨時(shí)匹配件，用以固定相鄰節(jié)段位置關(guān)系。

圖6 測點(diǎn)布置示意

4.2 波形鋼腹板箱梁預(yù)制

波形鋼腹板箱梁均采用短線匹配法預(yù)制，其控制重點(diǎn)為梁段間的匹配及波形鋼腹板在模板內(nèi)的安裝。

1)梁段匹配控制 梁段匹配時(shí)，每一預(yù)制梁段頂部設(shè)6個(gè)控制測點(diǎn)。其中，沿節(jié)段中心線的2個(gè)測點(diǎn)(FH，BH)控制平面位置，沿腹板的4個(gè)測點(diǎn)(FL，F(xiàn)R，BL，BR)控制標(biāo)高。固定端模上緣設(shè)3個(gè)控制測點(diǎn)(L1，I，R1)，測量中心線由旋轉(zhuǎn)在測量塔上的全站儀和目標(biāo)塔反光鏡確定。在預(yù)制單元附近設(shè)置1個(gè)固定水準(zhǔn)點(diǎn)(DM)，以校準(zhǔn)測量塔和目標(biāo)塔，測量控制網(wǎng)如圖7所示。N號(hào)梁段預(yù)制完畢后移至匹配位置，通過底模臺(tái)車調(diào)整至目標(biāo)位置，N+1 號(hào)段澆筑完成后再次測量全部測點(diǎn)，采用專用線形控制系統(tǒng)自動(dòng)比較匹配段各測點(diǎn)實(shí)測值與理論目標(biāo)值，并進(jìn)行誤差調(diào)整，繼續(xù)指導(dǎo)N+1號(hào)梁段定位。

圖7 梁段匹配預(yù)制測量控制網(wǎng)

2)波形鋼腹板模板內(nèi)安裝控制 波形鋼腹板模板內(nèi)安裝控制主要包括波形鋼腹板剪力鍵埋入底板和頂板的深度控制、相鄰節(jié)段鋼腹板間的連接控制2個(gè)方面。由于相鄰節(jié)段鋼腹板夾角在工廠內(nèi)已基本確定，在安裝階段可調(diào)余地小，因而波形鋼腹板安裝控制采用以前后端豎向高程為主、前后兩段夾角控制為輔的控制方法。根據(jù)波形鋼腹板箱梁節(jié)段安裝線形精度控制需求，在現(xiàn)場驗(yàn)證其可實(shí)施性的基礎(chǔ)上提出波形鋼腹板定位標(biāo)準(zhǔn)：波形鋼腹板中心距偏差±3mm，軸線偏位±5mm，內(nèi)、外側(cè)波形鋼腹板間距偏差±5mm，高差±5mm；波形鋼腹板橫橋向垂直度(斜率)1/500，縱橋向坡度1/1 000。

首節(jié)段波形鋼腹板定位對(duì)后續(xù)節(jié)段定位起決定性作用，其定位應(yīng)保證波形鋼腹板頂緣線、底緣線與固定端模交點(diǎn)位置符合設(shè)計(jì)要求；波形鋼腹板頂、底緣線應(yīng)與固定端模保持垂直。此外，波形鋼腹板位置校核完成之后應(yīng)進(jìn)行有效固定，保證其與固定端模不發(fā)生變化。首節(jié)段預(yù)制完成后，匹配預(yù)制后續(xù)節(jié)段的活動(dòng)端模，波形鋼腹板與固定端模除滿足上述要求外，待澆筑節(jié)段腹板、已成梁段腹板有效固定后的上、下焊縫寬度需一致，同時(shí)，匹配梁整體位置按監(jiān)控指令執(zhí)行。若無法同時(shí)滿足，可微調(diào)焊縫寬度，但不能超過設(shè)計(jì)規(guī)定值。

4.3 波形鋼腹板箱梁安裝

波形鋼腹板箱梁安裝控制重點(diǎn)主要包括1號(hào)節(jié)段安裝、架橋機(jī)懸拼及中跨合龍。

1)1號(hào)節(jié)段安裝控制 作為首個(gè)安裝節(jié)段，1號(hào)節(jié)段既是0號(hào)節(jié)段澆筑的端模，又與2號(hào)節(jié)段相匹配。因此，1號(hào)節(jié)段的定位精度控制十分關(guān)鍵?，F(xiàn)場將梁體與墩旁支架臨時(shí)錨固，利用頂、底板內(nèi)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力將0號(hào)塊兩側(cè)1號(hào)塊拉結(jié)固定，以抵抗0號(hào)塊混凝土現(xiàn)澆部分側(cè)壓力對(duì)1號(hào)塊的影響。

2)架橋機(jī)懸拼控制 每個(gè)梁段拼裝完成后，比較梁面測點(diǎn)實(shí)際位置與目標(biāo)位置，若當(dāng)前梁段不滿足精度控制標(biāo)準(zhǔn)或估算至合龍口的預(yù)測誤差值超限，可在接縫處增加環(huán)氧樹脂楔形墊片、調(diào)整臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉力及壓重。

此外，由于波形鋼腹板節(jié)段箱梁的橫向剛度較小，在架橋機(jī)吊裝過程中會(huì)產(chǎn)生一定的橫向變形，從而增大相鄰梁段的匹配連接難度。對(duì)此，可在梁段吊裝前及時(shí)掌握相鄰梁段的橫向變形相對(duì)量，必要情況下通過張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋調(diào)整。

3)中跨合龍控制 中跨合龍是主梁施工的關(guān)鍵工序，合龍前應(yīng)對(duì)懸臂兩端標(biāo)高、長度及主梁溫度、大氣溫度進(jìn)行連續(xù)觀測，結(jié)合氣象資料，確定合龍時(shí)機(jī)。同時(shí)，在鋼腹板制造階段，中跨合龍段端部需預(yù)留5cm現(xiàn)場配切長度。

4.4 線形控制結(jié)果

基于上述控制措施，部分節(jié)段拼裝過程中的高程誤差沿橋軸線方向分布如圖8所示。由圖8可知，最大高程誤差為12.2mm，說明節(jié)段波形鋼腹板梁拼裝施工精度可達(dá)到普通混凝土節(jié)段梁拼裝精度標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 高程誤差

5 應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力測點(diǎn)主要布置在主墩和中跨跨中附近，采用混凝土縱向應(yīng)變計(jì)測量混凝土頂、底板應(yīng)力與應(yīng)變，三向鋼應(yīng)變花測量波形鋼腹板應(yīng)力、應(yīng)變。其中，主墩附近測點(diǎn)位于1，2號(hào)節(jié)段接縫截面及2號(hào)節(jié)段中部截面處，具體布置如圖9所示。由于鋼齒坎的影響，兩截面混凝土應(yīng)變計(jì)的布置不完全相同；中跨跨中附近測點(diǎn)位于11，12號(hào)節(jié)段接縫截面及12號(hào)節(jié)段中部截面處，其測點(diǎn)布置與主墩附近截面類似。

圖9 測點(diǎn)布置示意(單位：cm)

利用Midas/FEA建立波形鋼腹板主梁的實(shí)體有限元模型，如圖10所示?；炷另?shù)装宀捎脤?shí)體單元模擬，波形鋼腹板及其雙PBL剪力連接鍵采用板單元模擬，栓釘采用桿單元模擬，將栓釘節(jié)點(diǎn)與周邊混凝土節(jié)點(diǎn)三向耦合，不考慮兩者間滑移[8]。由于施工過程中主梁始終處于彈性階段，混凝土和鋼材均采用彈性本構(gòu)模型模擬。

圖10 主梁有限元模型

已有研究表明，即使環(huán)氧樹脂膠與混凝土間為平接縫，其黏結(jié)力也可達(dá)1.5MPa以上[9-10]。通過試算，本橋在施工過程中混凝土頂、底板的拉應(yīng)力<1MPa，故接縫處不會(huì)開裂。因此，接縫處混凝土頂、底板單元采用最近節(jié)點(diǎn)連接。

主墩附近接縫截面混凝土頂、底板縱向應(yīng)力實(shí)測值與模擬值對(duì)比如圖11所示。由圖11可知，混凝土頂板縱向應(yīng)力存在明顯的剪力滯現(xiàn)象，底板應(yīng)力分布較均勻；混凝土頂、底板縱向應(yīng)力實(shí)測值與模擬值變化趨勢一致。

圖11 混凝土頂、底板縱向應(yīng)力對(duì)比

主墩附近接縫截面波形鋼腹板剪應(yīng)力及縱向應(yīng)力實(shí)測值與模擬值對(duì)比如圖12所示。由圖12可知，波形鋼腹板剪應(yīng)力沿其高度方向均勻分布，縱向應(yīng)力除與混凝土接觸附近區(qū)域較大外，其余部分均很??；波形鋼腹板剪應(yīng)力及縱向應(yīng)力的實(shí)測值與模擬值變化趨勢基本一致。由此表明，波形鋼腹板主要承擔(dān)剪應(yīng)力，幾乎不承受縱向應(yīng)力，符合波形鋼腹板箱梁的受力機(jī)理。

圖12 波形鋼腹板剪應(yīng)力及縱向應(yīng)力對(duì)比

6 結(jié)語

以南京長江五橋中采用節(jié)段懸臂拼裝施工的3座跨線引橋?yàn)楸尘?，提出波形鋼腹板制造、預(yù)制及安裝的全過程施工線形控制方法、措施及要點(diǎn)，主要得到以下結(jié)論。

1)建立全過程幾何控制體系，實(shí)踐表明節(jié)段波形鋼腹板梁拼裝施工精度可滿足設(shè)計(jì)要求。

2)波形鋼腹板節(jié)段制造及其在模板內(nèi)的定位安裝需兼顧短線匹配法預(yù)制工藝的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐提出更合理的制造及定位標(biāo)準(zhǔn)。

3)應(yīng)力監(jiān)測表明，采用節(jié)段預(yù)制拼裝工藝成型的波形鋼腹板箱梁彈性階段截面應(yīng)力分布規(guī)律與現(xiàn)澆梁幾乎相同。