深水急流海峽大跨徑曲線變截面預(yù)制節(jié)段梁懸臂拼裝關(guān)鍵技術(shù)

曾憲柳

(中交第二航務(wù)工程局第五工程分公司，湖北 武漢 430040)

預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝橋梁技術(shù)是將整跨箱梁設(shè)計(jì)成多個(gè)單元預(yù)制節(jié)段，設(shè)置專用臺(tái)座在預(yù)制場匹配預(yù)制，循環(huán)使用臺(tái)座和模板系統(tǒng)進(jìn)行流水作業(yè)，預(yù)制梁采用陸運(yùn)或水運(yùn)至工地現(xiàn)場，由橋面懸拼吊機(jī)進(jìn)行懸臂拼裝、張拉體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力束成橋的先進(jìn)技術(shù)。該結(jié)構(gòu)可有效提高混凝土梁橋的質(zhì)量和耐久性，施工速度快，方便檢查維護(hù)，節(jié)省養(yǎng)護(hù)成本，并可提高橋梁的安全性和使用壽命。節(jié)段預(yù)制拼裝代表現(xiàn)代混凝土梁橋技術(shù)發(fā)展主要方向：工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、梁段預(yù)制工廠化、現(xiàn)場施工裝配化。

1 工程概述

秀山大橋位于浙江舟山秀山島，橋梁長3 063 m，橋面寬24 m。副通航孔橋?yàn)?81+4×153+81)m六跨預(yù)制節(jié)段懸臂拼裝變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，見圖1。副通航孔橋設(shè)置在半徑為1 600 m圓曲線、緩和曲線及橫坡為2%～-2%的超高漸變段上。箱梁設(shè)計(jì)上下行分幅布置，單幅箱梁寬11.55 m，懸臂長3.275 m，梁高為4.0～9.5 m，梁底曲線為1.8 次拋物線。

圖1 副通航孔橋橋型布置圖(單位：m)

副通航孔橋采用節(jié)段預(yù)制懸臂拼裝結(jié)構(gòu)，邊跨設(shè)計(jì)20個(gè)節(jié)段，中跨設(shè)計(jì)39個(gè)預(yù)制節(jié)段，全橋共402個(gè)節(jié)段，墩頂塊0#、1#梁段搭設(shè)墩旁支架，起重船吊裝施工，其余預(yù)制節(jié)段采用橋面吊機(jī)懸臂吊裝，節(jié)段梁最大重量為160.2 t。

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)施工條件差：大橋位于深水急流海域，漲落潮流速大(最大流速為4.55 m/s)，常年風(fēng)速為6～8級(jí)，箱梁吊裝高度達(dá)40 m。

(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度難度大：副通航孔橋處在曲線段，橋面設(shè)有變坡及超高段，箱梁梁底為拋物線，箱梁梁高變化大，節(jié)段規(guī)格多，箱梁節(jié)段匹配線形精度高、難度大。

(3)臨時(shí)工程要求高：主墩設(shè)置墩旁托架，連續(xù)墩設(shè)置臨時(shí)固結(jié)體系，支架承擔(dān)施工過程中不平衡彎矩及順橋向和橫橋向剪力，荷載大，要求高。

(4)結(jié)構(gòu)跨度大，工期緊：副通航孔橋主跨為153 m，每個(gè)T構(gòu)需要對稱懸拼，并在臺(tái)風(fēng)季節(jié)來臨前完成T構(gòu)合龍。

3 墩頂塊施工

3.1 0#、1#塊構(gòu)造

7#、9#墩為固結(jié)墩，6#、10#墩為連續(xù)墩，二者墩頂梁段結(jié)構(gòu)尺寸大致相似。固結(jié)墩0#梁段長6 m，高9.5 m，分為下部預(yù)制部分和上部現(xiàn)澆部分，梁底設(shè)置凹齒坎，與墩頂凸齒坎匹配，吊裝就位后進(jìn)行梁底壓漿。連續(xù)墩0#梁梁底兩側(cè)各加寬70 cm放置支座，預(yù)制部分安放在臨時(shí)支座上，臨時(shí)預(yù)應(yīng)力固定。

1#梁段長5.0 m，梁高8.83～9.5 m，在施工時(shí)分為3部分，分別為1A#、1B#及1C#。其中1B#為現(xiàn)澆部分，1A#和1C#為預(yù)制部分。

3.2 墩旁支架及臨時(shí)固結(jié)體系

為了滿足墩頂0#、1#塊安裝及“T”構(gòu)懸拼過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，6#、10#墩均設(shè)置墩旁支架，6#、10#連續(xù)墩需要設(shè)置臨時(shí)固結(jié)體系，7#、9#墩固結(jié)墩自身具有永久固結(jié)體系，不需要另外設(shè)置。

(1)墩旁支架設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)，懸拼施工時(shí)主墩兩側(cè)搭設(shè)墩旁支架，支架除承受1#塊重量外，單幅主梁支架順橋向單側(cè)的豎向剛度應(yīng)不低于1 800 000 kN/m。

墩旁支架立柱支撐在承臺(tái)上，立柱設(shè)計(jì)為4根φ1 000 mm×12 mm鋼管，斜撐、平聯(lián)為φ630 mm×6 mm鋼管，縱梁為2NH900 mm型鋼。為使支架滿足設(shè)計(jì)剛度要求，同時(shí)又節(jié)約材料，采取鋼管內(nèi)部填充C55自密實(shí)混凝土，形成鋼管混凝土組合柱。操作平臺(tái)四周設(shè)置護(hù)欄及防護(hù)網(wǎng)，支架結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 墩旁支架結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

(2)墩頂固結(jié)(臨時(shí))設(shè)計(jì)

連續(xù)墩臨時(shí)固結(jié)體系由臨時(shí)支座和豎向預(yù)應(yīng)力構(gòu)成；固結(jié)墩固結(jié)體系由齒坎、后澆帶混凝土和豎向預(yù)應(yīng)力構(gòu)成。單幅橋主墩墩梁臨時(shí)固結(jié)措施須滿足抵抗175 000 kN·m的不平衡彎矩，8 000 kN的徑向剪力和12 000 kN的順橋向剪力，并留有1.2的安全系數(shù)。

連續(xù)墩臨時(shí)固結(jié)臨時(shí)支座用C55混凝土現(xiàn)澆制作成剛性墊塊，單幅墩頂布置2個(gè)。墩梁之間設(shè)置豎向臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束，單幅橋墩與箱梁之間共設(shè)10束豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力束為17φj15.24鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，抗拉控制力為3 320 kN，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力束在橋梁合龍后拆除。

固結(jié)墩頂0#塊預(yù)制梁段底設(shè)一高0.3 m凹齒坎，底板對稱預(yù)留后澆帶槽口，墩頂設(shè)有外伸預(yù)埋鋼筋,吊裝時(shí)與墩頂凸齒坎匹配就位，墩頂外伸鋼筋插入后澆帶槽口內(nèi)，就位后交界面進(jìn)行壓漿處理，澆筑墩梁預(yù)留后澆帶混凝土，再澆筑0#塊上部現(xiàn)澆混凝土，最后張拉墩梁豎向預(yù)應(yīng)力束，完成墩梁永久固結(jié)(圖3)。

圖3 墩頂固結(jié)(臨時(shí))圖

3.3 墩頂塊安裝

(1)墩頂塊測量定位

由于海水漲落潮及浪流對墩臺(tái)的沖擊，會(huì)使承臺(tái)及墩身產(chǎn)生晃動(dòng)，墩頂同一位置在不同時(shí)間測量會(huì)出現(xiàn)不同數(shù)值，以7#墩為例，24 h內(nèi)不同時(shí)間測量墩頂同一位置偏差為0～25 mm。因此，測量時(shí)機(jī)和測量方法選擇是海上測量的關(guān)鍵。墩頂0#塊安裝采取相對測量法，測站設(shè)置在每個(gè)橋墩墩頂，相鄰兩墩相互后視校核。測量選擇平潮時(shí)段、氣候條件較為穩(wěn)定、日照變化影響較小、氣溫平穩(wěn)時(shí)進(jìn)行。

墩頂塊作為安裝起始節(jié)段，其安裝精度對后續(xù)節(jié)段梁的線形影響很大，需要高精度控制軸線及高程。吊裝前各墩上精確放樣橋軸線、墩軸線、墩頂塊邊線、中線位置，精確計(jì)算墩頂塊的控制測點(diǎn)三維坐標(biāo)。

(2)墩頂塊安裝

墩頂塊采用浮吊吊裝就位，4臺(tái)三向千斤頂精確調(diào)位。利用臨時(shí)鎖定裝置將0#塊預(yù)制部分與墩身臨時(shí)固定，固結(jié)墩墩、梁之間進(jìn)行壓漿密貼。1A#、1C#梁段與0#塊匹配并張拉臨時(shí)拉桿。墩頂塊安裝后施工0#、1#梁段現(xiàn)澆段，待混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)后，張拉箱梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，最后對稱張拉墩梁固結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，形成墩梁(臨時(shí))固結(jié)。

4 節(jié)段梁懸臂拼裝

4.1 懸拼吊機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為適應(yīng)曲線超高變截面預(yù)制節(jié)段梁懸臂拼裝，自主研制了165 t步履式自動(dòng)行走懸拼吊機(jī)。吊機(jī)由鋼主桁架、液壓提升系統(tǒng)、吊具、前支點(diǎn)結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、液壓泵站和電控部分及后錨組等組成(圖4)。

圖4 懸拼吊機(jī)結(jié)構(gòu)圖

(1)自動(dòng)化、智能化控制系統(tǒng)

吊機(jī)各項(xiàng)命令執(zhí)行由一套電腦控制系統(tǒng)控制,控制系統(tǒng)采用編程控制器，可進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和顯示。對2臺(tái)液壓提升千斤頂?shù)妮d荷實(shí)時(shí)監(jiān)測，超載自動(dòng)停機(jī)；監(jiān)測提升千斤頂固定錨固夾片的開啟/閉合狀態(tài)；對2臺(tái)液壓提升千斤頂進(jìn)行同步操作控制；控制系統(tǒng)具備自動(dòng)防誤操作功能。當(dāng)提升預(yù)制節(jié)段梁時(shí)，電腦控制系統(tǒng)上的操作屏幕能夠準(zhǔn)確顯示荷載大小和千斤頂?shù)耐叫阅堋?/p>

(2)自動(dòng)化提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)采用2套120 t往復(fù)式液壓提升千斤頂，可提升和下落重物，千斤頂內(nèi)部采用導(dǎo)管，避免鋼絞線發(fā)生“鳥籠”現(xiàn)象，節(jié)段梁提升由電腦控制系統(tǒng)控制，提升系統(tǒng)設(shè)液壓鎖，保證意外情況下能實(shí)現(xiàn)自鎖。

(3)自動(dòng)行走

行走機(jī)構(gòu)由行走油缸、滑座、滑道和液壓系統(tǒng)等組成。吊機(jī)行走采用步履式自動(dòng)行走裝置，行走油缸行程為1 500 mm。為適應(yīng)小半徑曲線段行走，前行走設(shè)軌道2根，布置在前支點(diǎn)下，后行走設(shè)滾輪組，布置在后錨橫梁中間。

盛慶余今年54歲，高級(jí)教師，中共黨員，原江蘇省金湖中學(xué)副主任。2017年2月，他作為淮安市第九批援疆干部人才來到七師高級(jí)中學(xué)，擔(dān)任化學(xué)教研組組長。

(4)支錨系統(tǒng)

吊機(jī)設(shè)置前后4個(gè)支錨點(diǎn)，為適應(yīng)橋面超高段吊裝，4個(gè)支腿均為可調(diào)螺桿，根據(jù)需要調(diào)節(jié)支腿高度。錨桿采用40Cr加工絲桿。

(5)自動(dòng)調(diào)位功能

平面位置調(diào)整，通過吊機(jī)上水平設(shè)置油缸推動(dòng)主千斤頂沿滑道滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)；拼裝梁端坡度調(diào)整，通過吊具上頂推油缸伸縮調(diào)整吊點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)；梁段標(biāo)高調(diào)整，通過主千斤頂上下微動(dòng)調(diào)整吊點(diǎn)高程實(shí)現(xiàn)。

4.2 節(jié)段梁運(yùn)輸、起吊

節(jié)段梁預(yù)制場設(shè)在安徽蕪湖，在預(yù)制廠預(yù)制完成后，沿長江、東海水運(yùn)至橋位，全程約450海里(1海里=1.852 km)。綜合考慮箱梁預(yù)制、運(yùn)距、天氣以及安裝施工進(jìn)度等因素，采用4艘海船(船倉約12 m寬×45 m長)運(yùn)梁，運(yùn)梁避開臺(tái)風(fēng)天氣?？紤]運(yùn)輸過程安全，自主研發(fā)了一種既裝卸方便又安全可靠的節(jié)段梁加固方法(圖5)。

圖5 節(jié)段梁運(yùn)輸加固圖

鑒于大橋區(qū)域海水不規(guī)則半日潮，漲落潮流速大(4.55 m/s)，常年風(fēng)速為6～8級(jí)，受島礁的影響，局部具有強(qiáng)烈旋渦等惡劣建設(shè)環(huán)境，為了降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，必須選擇候潮施工，利用高潮平潮或低潮平潮約55 min時(shí)間完成運(yùn)梁船定位、起吊。具體措施為：平潮前定位船拋錨定位，平潮時(shí)運(yùn)梁船?？慷ㄎ淮?；接近平潮前橋面吊機(jī)吊具下放到位；吊具與節(jié)段梁采用快速連接裝置；節(jié)段梁在運(yùn)梁船上固定采用可調(diào)頂升螺桿，方便快速拆卸。

4.3 節(jié)段梁懸臂拼裝

預(yù)制節(jié)段梁長分為3、3.5、4、5 m共4類，梁高為9.5～4.0 m。節(jié)段梁懸拼作業(yè)從3#梁段開始(由于墩頂安裝橋面吊機(jī)長度不足，2#梁段采用起重船吊到支架調(diào)位安裝)，懸拼匹配面涂K-801-M橋梁拼接專用膠作為黏結(jié)劑，黏結(jié)劑的膠結(jié)強(qiáng)度不低于 C70 混凝土指標(biāo)。梁段交接面涂膠厚2～3 mm，張拉后膠體厚為0.5～1 mm。施工時(shí)T構(gòu)懸臂兩端對稱同時(shí)吊裝，不平衡荷載不大于安裝預(yù)制梁段重量的 1/2。由于T構(gòu)左右幅不同步拼裝會(huì)對主墩產(chǎn)生橫向偏心彎矩，引起主梁的橫橋向位移，為保證節(jié)段拼裝線形在橫橋向的精度，左右幅的不同步施工控制在2個(gè)節(jié)段以內(nèi)。

由于橋梁為超高變坡曲線，結(jié)構(gòu)跨度大，在拼裝過程中根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)材料參數(shù)和實(shí)測結(jié)構(gòu)變形對模型進(jìn)行修正，考慮三維空間結(jié)構(gòu)變形位移，采取加密控制點(diǎn)的測量方案。

節(jié)段懸臂拼裝工藝流程為：節(jié)段梁運(yùn)至懸拼吊機(jī)下方→橋面吊機(jī)提梁→節(jié)段梁試拼→移開試拼梁段→拼接面涂膠→預(yù)制梁拼接、定位→張拉節(jié)段臨時(shí)精軋螺紋鋼(不小于0.3 MPa壓應(yīng)力)→懸拼梁段預(yù)應(yīng)力束張拉壓漿→懸拼吊機(jī)解鉤→懸拼吊機(jī)前移至下一節(jié)段。

4.4 島礁及淺水區(qū)節(jié)段梁安裝

6#墩位于瓦窯門島上，5#～6#墩、6#～7#墩部分梁段位于小島和淺灘，運(yùn)梁船不能到位，采取搭設(shè)存梁支架，大噸位起重船將梁吊至存梁支架，再用橋面吊機(jī)進(jìn)行安裝。

起重船吊裝箱梁存放，箱梁無法吊存就位至設(shè)計(jì)位置時(shí)，在存梁支架上設(shè)置縱向滑(軌)道，利用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行牽引滑移到位。島礁及淺水區(qū)節(jié)段梁存梁如圖6所示。

圖6 島礁及淺水區(qū)節(jié)段梁存梁圖(單位：mm)

4.5 懸拼線形控制

懸拼線形控制，主要為節(jié)段梁預(yù)制時(shí)線形匹配控制，但現(xiàn)場安裝細(xì)節(jié)不到位或?qū)︻A(yù)制偏差沒有及時(shí)修正會(huì)影響橋梁成橋線形。在節(jié)段懸拼過程中，每個(gè)拼裝梁段均要進(jìn)行位置坐標(biāo)和標(biāo)高測量，發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與監(jiān)控指令有偏差應(yīng)及時(shí)調(diào)整，具體控制步驟如下：

(1)將每個(gè)預(yù)制梁段埋設(shè)的6個(gè)位置測點(diǎn)坐標(biāo)，由局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到成橋坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

(2)每對稱懸拼一節(jié)梁段，將實(shí)際安裝值與理論值進(jìn)行對比。如果誤差在允許范圍內(nèi)，繼續(xù)安裝；如果誤差超過規(guī)范或設(shè)計(jì)，則對剩余未安裝梁段進(jìn)行調(diào)整。

(3)根據(jù)現(xiàn)場安裝誤差確定糾偏方案，糾偏主要措施：線形及軸線偏位，采用墊楔形墊片，涂膠厚度根據(jù)墊片進(jìn)行調(diào)整；標(biāo)高偏差，偏差較小時(shí)采用調(diào)整上下緣臨時(shí)預(yù)應(yīng)力，偏差較大時(shí)采用調(diào)整吊機(jī)提升力。

(4)拼裝線形控制精度要求：里程控制精度為5 mm，軸線控制精度為3 mm，高程控制精度為3 mm。

5 合龍段施工

5.1 合龍施工順序及工藝

副通航孔橋設(shè)置中跨、次中跨、邊跨合龍段各2個(gè)。合龍段長均為300 cm，其中預(yù)制梁長285 cm，濕接縫長15 cm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，合龍段合龍順序?yàn)椋?#～8#跨中跨合龍→8#～9#跨中跨合龍→6#～7#跨次中跨合龍→9#～10#跨次中跨合龍→6#、11#墩邊跨合龍。在中跨合龍前需要對合龍口兩側(cè)箱梁向外施加頂推力，以改善“T”構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)力。如果7#～8#跨合龍→8#～9#跨合龍同時(shí)對稱合龍，對8#剛構(gòu)墩內(nèi)力改善更有利，也改善了預(yù)應(yīng)力混凝土梁后期徐變影響。

合龍段采用橋面吊機(jī)吊裝匹配就位，安裝合龍段臨時(shí)鎖定裝置，現(xiàn)澆合龍段濕接縫的方法施工。合龍段濕接縫為C55補(bǔ)償收縮性混凝土，混凝土采用攪拌站拌制，吊斗吊運(yùn)入倉，振搗棒振搗密實(shí)。

5.2 合龍段施工關(guān)鍵技術(shù)

(1)合龍口監(jiān)測。合龍前對合龍口線形、寬度、高程差進(jìn)行48 h連續(xù)監(jiān)測，并在合龍口段兩端18#梁段設(shè)置臨時(shí)水箱對稱加載，使合龍前標(biāo)高與合龍段吊裝及濕接縫混凝土澆筑后一致。

(2)合龍段吊裝。6#～7#墩及7#～8#墩合龍段吊裝采用2臺(tái)橋面吊機(jī)合并成吊架，同時(shí)起吊合龍段。8#～9#墩及9#～10#墩合龍段由小樁號(hào)一側(cè)橋面吊機(jī)吊裝合龍段梁。合龍段吊裝時(shí)水箱同步卸載，使起吊過程合龍段兩側(cè)懸臂高程穩(wěn)定，預(yù)制合龍段與小樁號(hào)側(cè)18#梁段通過剪力鍵和專用膠連接，張拉臨時(shí)拉桿。合龍段吊裝避開大風(fēng)天氣和雨天，起吊選擇在平潮位時(shí)進(jìn)行。

(3)頂推及合龍口鎖定。副通航孔橋結(jié)構(gòu)跨度大、主墩高，為調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，中跨合龍前對箱梁向外施加頂推力，頂推力為2×2 250 kN。頂推設(shè)置在箱梁兩側(cè)腹板對應(yīng)橋面和底板位置，利用2HN588×300型鋼作頂撐，單個(gè)頂推點(diǎn)設(shè)置2 000 kN千斤頂。頂推到位后，將頂推型鋼與預(yù)埋鋼板焊接，同時(shí)焊接加勁板，然后再解除千斤頂，完成合龍口鎖定。其余合龍段不對箱梁進(jìn)行頂推，合龍段吊裝匹配到位后，將箱梁兩側(cè)腹板對應(yīng)位置用型鋼與預(yù)埋鋼板焊接，形成合龍口鎖定。合龍口鎖定在夜間0：00—06：00氣溫穩(wěn)定時(shí)段進(jìn)行。

(4)濕接縫施工。在已安裝的18#梁段和預(yù)制合龍段頂面布置型鋼，型鋼上設(shè)置吊桿吊鋼模板作底模，在鋼模板上澆筑濕接縫混凝土。濕接縫采用C55緩凝劑早強(qiáng)微膨脹補(bǔ)償收縮性海工混凝土。

6 結(jié)語

秀山大橋副通航孔橋成橋后將實(shí)際測量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)理論線形進(jìn)行對比，高程及軸線偏差均在±5 mm內(nèi)，線形控制效果較好。

針對復(fù)雜海況條件下曲線變截面節(jié)段梁懸臂拼裝、橋面吊機(jī)研制、墩頂塊施工及臨時(shí)固結(jié)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工工藝以及研發(fā)了專用橋面懸拼吊機(jī)，總結(jié)了一套深水急流海峽大跨徑曲線變截面預(yù)制節(jié)段梁懸臂拼裝關(guān)鍵技術(shù)，可為今后復(fù)雜海域連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂拼裝施工提供經(jīng)驗(yàn)。