泉州灣跨海大橋“假懸臂”施工合龍順序研究*

厲勇輝，黃劍鋒，胡 偉

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.交通運輸行業(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；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室, 湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120)

0 引言

海洋橋梁具有橋梁超長、受海洋環(huán)境影響大、施工有效時間短等特點[1]。國內(nèi)建成的跨海橋梁中其非通航孔橋絕大多數(shù)采用簡支預應力混凝土箱梁，梁跨度小、基礎(chǔ)數(shù)量多、經(jīng)濟性差。連續(xù)剛構(gòu)橋其具有跨越能力大、承載力強、行車平順性好、經(jīng)濟、安全等特點[2]，可滿足海洋環(huán)境下減少基礎(chǔ)的要求。

常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋其邊跨跨度一般為主跨的0.6倍，邊跨直線段長度較小，一般采用支架或托架施工[3]。對于處于海洋中多聯(lián)等跨的連續(xù)剛構(gòu)橋，如采用常規(guī)方案施工，其邊跨滿堂支架投入量巨大。為了取消邊跨滿堂支架，采用“假懸臂”施工工藝懸臂澆筑每聯(lián)邊跨主梁，“假懸臂”是通過配置臨時預應力筋束來平衡邊跨主梁節(jié)段自重，實現(xiàn)邊墩主梁懸臂澆筑，目前國內(nèi)交接墩(相鄰聯(lián)邊墩)采用“假懸臂”施工工法應用案例極少，僅在某公路高架5匝連續(xù)梁橋中有所應用[4]。交接墩和中間墩主梁懸臂澆筑達到最大懸臂狀態(tài)時，合龍口合龍施工過程中結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換次數(shù)多、施工線形控制難、工序復雜，施工合龍順序的合理選擇是對結(jié)構(gòu)質(zhì)量和線形控制的重要保證。

1 工程概況

1.1 工程簡介

在建泉州灣跨海大橋?qū)儆诟咚勹F路橋，位于福建省泉州市內(nèi)，起于臺商投資區(qū)，跨越泉州灣后進入晉江市、石獅市，橋梁全長20 286.775m，橋梁類型包含斜拉橋、簡支梁橋、連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。其中，47～74號墩設(shè)計為9聯(lián)3×70m預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，連續(xù)剛構(gòu)橋編號分別為A1～A9，如圖1所示。

圖1 9聯(lián)3×70m預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋布置

1.2 “假懸臂”施工臨時固結(jié)構(gòu)造措施

為了減少深水中邊跨支架搭設(shè)，施工過程中除了A1聯(lián)秀涂港方向和A9聯(lián)泉州灣方向邊跨采用滿堂支架現(xiàn)澆外，其他聯(lián)中墩和相鄰聯(lián)交接墩主梁均采用懸臂法施工。交接墩為相鄰兩聯(lián)共用橋墩，采用雙壁墩結(jié)構(gòu)，箱梁也在墩中心處斷開。中間墩和邊墩主梁最大懸臂狀態(tài)時劃分8個節(jié)段，為了平衡節(jié)段自重，每個節(jié)段位置處配置2束19φ15.24臨時預應力鋼絞線。交接墩0號塊臨時固結(jié)，通過在交接縫內(nèi)填充維薩板，同時為了使交接墩內(nèi)填充物儲備一定壓應力，在交接墩橫隔板處張拉48根φ25螺紋鋼筋，0號塊頂、底板各配置了2束19φ15.24預應力鋼絞線，如圖2所示。

圖2 臨時固結(jié)構(gòu)造

1.3 合龍方案

常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍順序十分明確，對于3跨以上的多跨連續(xù)剛構(gòu)橋，合龍順序為：先將各T形結(jié)構(gòu)連成π形結(jié)構(gòu)，然后連接各π形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)全橋合龍；為了縮短施工工期，各聯(lián)中間墩和相鄰聯(lián)交接墩同時進行懸臂澆筑施工，達到最大懸臂狀態(tài)時，各聯(lián)均存在3個合龍口。為了便于區(qū)分，每聯(lián)合龍口編號由秀涂港—泉州灣方向編號依次為1，2，3(如A1聯(lián)合龍口編號為A1-1，A1-2，A1-3)，如圖1所示。

根據(jù)“先邊跨后中跨”“先中跨后邊跨”“中、邊跨交替合龍”及“依次合龍”合龍方式擬定4個合龍方案。4種合龍方案均以A5聯(lián)為中心向秀涂港海岸和泉州灣方向同時施工。各合龍方案中，臨時懸臂束預應力筋在交接墩兩邊合龍口合龍完成后進行拆除。邊跨合龍束分2批張拉，第1批是邊跨合龍時張拉，第2批是交接墩臨時預應力筋拆除后張拉。方案1～4合龍順序簡述如下。

1)方案1(中、邊跨交替合龍) 逐聯(lián)完成合龍，先合龍中跨，然后合龍該聯(lián)邊跨，具體步驟如下：合龍中跨(A5-2)→合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)中跨(A4-2，A6-2)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→拆除相鄰聯(lián)臨時預應力筋→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)，以此類推。

2)方案2(依次合龍) 從A5聯(lián)中跨合龍口開始，向秀涂港海岸和泉州灣2個方向依次合龍，具體步驟如下：合龍中跨(A5-2)→合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→合龍相鄰聯(lián)中跨(A4-2，A6-2)→拆除臨時預應力筋→合龍次聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)，以此類推。

3)方案3(先中跨后邊跨) 先合龍每聯(lián)中跨，然后依次合龍每聯(lián)邊跨，具體步驟如下：依次合龍每聯(lián)中跨(A5-2，A4-2，A6-2，A3-2，A7-2，A2-2，A8-2，A1-2，A9-2)→合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→拆除臨時預應力筋→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)，以此類推。

4)方案4(先邊跨后中跨) 先合龍每聯(lián)邊跨，然后依次合龍每聯(lián)中跨，具體步驟如下：合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→拆除臨時預應力筋→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)→合龍A3，A7聯(lián)邊跨(A3-3，A7-1)→拆除臨時預應力筋→…→合龍A5聯(lián)中跨(A5-2)，以此類推。

2 4種合龍方案對比分析

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil有限元軟件建立9聯(lián)3×70m連續(xù)剛構(gòu)橋三維有限元模型，如圖3所示。模型中交接縫填充物采用梁單元模擬，并釋放交接縫位置處單元兩端約束。

圖3 9聯(lián)3×70m連續(xù)剛構(gòu)橋三維有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)應力對比分析

施工過程中和成橋運營狀態(tài)下，橋墩與合龍段梁截面易出現(xiàn)彎曲裂縫。各合龍方案中最大跨數(shù)為7跨，以A5聯(lián)和A4聯(lián)交接墩、中間墩處和合龍段處主梁及橋墩頂、底端截面作為應力統(tǒng)計點，對比分析不同合龍方案施工過程中和成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應力，如圖4所示。應力統(tǒng)計為結(jié)構(gòu)上、下翼緣4個位置處最大應力(壓應力為負，拉應力為正)，結(jié)果如圖5～8所示。

圖4 應力統(tǒng)計點示意

圖5 成橋階段橋墩應力

由上述分析可知：

1)成橋狀態(tài)下，不同合龍方案主梁應力相差較小，主梁均處于全截面受壓狀態(tài)，4種方案中最大應力差為0.42MPa；不同合龍方案橋墩最大應力相差不大，方案2應力最大，為1.1MPa，方案4應力最小，為0.85MPa，最大差值為0.25MPa。

2)不同合龍方案合龍施工中主梁最大應力相差較小，最大應力差為0.63MPa，中跨靠近中墩主梁施工過程中出現(xiàn)拉應力，這主要和中跨合龍束預應力張拉有關(guān)；合龍施工過程中橋墩最大應力相差較小，方案4施工過程中橋墩應力最大，為2.87MPa；方案2施工過程中橋墩最大應力最小，為2.62MPa。成橋狀態(tài)下橋墩應力狀態(tài)相差較大，其中方案1～3橋墩最大應力出現(xiàn)在中墩，方案4施工過程中橋墩最大應力出現(xiàn)在邊墩。

圖6 成橋狀態(tài)下主梁應力

圖7 合龍過程中主梁最大應力

圖8 合龍過程中橋墩最大應力

2.3 不同合龍方案結(jié)構(gòu)變形分析

在不考慮預拱度和結(jié)構(gòu)長期撓度效應情況下，可認為成橋狀態(tài)各點撓度為0時的線形為橋梁成橋線形。由于橋墩處梁撓度較小，合龍口處撓度較大，以A4聯(lián)和A5聯(lián)合龍口位置處成橋撓度為例對比分析不同合龍方案成橋狀態(tài)下主梁線形，如圖9，10所示。

圖9 變形統(tǒng)計點

圖10 4種合龍方案合龍口豎向撓度

方案1和方案3成橋線形較接近，不同合龍方案成橋狀態(tài)下合龍口最大下?lián)狭亢蜕瞎傲肯嗖畈淮?。各合龍方案成橋狀態(tài)下最大下?lián)狭烤?0mm左右，最大起拱量均在10mm左右；方案4相對于其他合龍方案，各合龍口位移偏離撓度為0的基準線要小，方案4較接近成橋線形。

2.4 環(huán)境溫度作用下結(jié)構(gòu)應力分析

連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)Νh(huán)境整體溫度較敏感[5]，由于交接墩兩側(cè)箱梁進行了臨時固結(jié)，不同合龍方案合龍過程中存在的最大跨數(shù)不同，合龍施工過程中跨數(shù)越多，結(jié)構(gòu)在溫度作用下效應越明顯，方案1～4合龍過程中存在最多跨數(shù)分別為7，5，7，3。擬定合龍過程中環(huán)境溫度升、降溫差為15℃，方案1～4合龍施工過程中出現(xiàn)最大跨數(shù)施工階段，在環(huán)境溫度荷載作用下主梁和橋墩應力統(tǒng)計結(jié)果如圖11，12所示(由于墩頂相對于墩底應力較大，主梁合龍段處于受壓狀態(tài)，圖中未示出橋墩底部截面主梁合龍段截面應力)。

圖11 溫度作用下主梁應力

圖12 溫度作用下橋墩應力

綜上分析可知：

1)施工過程中環(huán)境溫度變化對主梁和橋墩的應力影響較大，環(huán)境溫度對主梁和橋墩應力影響，方案4相對于其他3個方案影響較小。4種方案中，方案1和方案3主梁與橋墩最大應力最大，分別為3.6，6MPa;方案2主梁和橋墩最大應力分別為2.3，4.2MPa；方案4主梁和橋墩最大應力分別為1.4，4.1MPa。由于上述計算結(jié)果是基于合龍過程中最大跨數(shù)，方案2最大跨數(shù)為5跨，當臨時預應力筋拆除后為3跨，環(huán)境溫度荷載作用下，方案2的橋墩最大應力和方案4相當。

2)環(huán)境降溫相對于升溫對主梁和橋墩應力影響較大，主要是因為環(huán)境降溫對橋墩變形與合龍束預應力張拉引起的橋墩變形相同。因此，主梁應選擇環(huán)境溫度較低時進行合龍。

3)在不考慮環(huán)境溫度作用下，不同合龍方案，合龍施工過程中和成橋時主梁與橋墩最大應力及主梁合龍口下?lián)狭肯嗖钶^?。痪C合考慮環(huán)境溫度荷載對合龍過程中主梁和橋墩應力影響，防止施工過程中主梁開裂，方案4應為推薦方案。

3 施工過程中交接縫變形分析

交接縫變形過大，可能會造成交接墩臨時預應力筋失效。臨時預應力筋失效后有最大懸臂T形和π形2種結(jié)構(gòu)。在分析交接墩交接縫相對變形時，忽略交接縫中填充物對墩約束作用。

3.1 交接縫豎向變形分析

由于T形懸臂結(jié)構(gòu)左、右兩邊荷載對稱，所以此時交接墩交接縫相對位移為0。π形結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)在方案4中，此時由于邊跨合龍束張拉和邊跨合龍段自重及掛籃荷載會導致交接縫產(chǎn)生變形，此時交接縫豎向相對變形為1.2mm。懸臂施工時，理論宜完全對稱澆筑，如混凝土泵送困難而難以實現(xiàn)，設(shè)計單位規(guī)定兩端澆筑不平衡≤8t，此時T形結(jié)構(gòu)交接縫豎向變形相對值為1.0mm(見圖13)。

圖13 交接縫豎向變形

3.2 交接縫橫向變形分析

造成施工過程中交接縫橫向變形的主要荷載是風荷載，統(tǒng)計橋址處歷年氣象資料，橋址處瞬時風速可達40m/s。根據(jù)JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》[6]中最大懸臂階段風荷載最不利布置原則，計算得到T形結(jié)構(gòu)交接縫橫向相對變形為3.6mm，π形結(jié)構(gòu)交接縫最大相對變形為5.6mm(見圖14)。

圖14 交接縫橫向變形

4 結(jié)語

1)主梁不同合龍順序?qū)κ┕み^程中主梁最大應力和成橋時主梁與橋墩應力及主梁成橋撓度影響較小。

2)環(huán)境溫度對不同合龍方案合龍過程中橋墩和主梁應力影響較大，綜合考慮環(huán)境溫度對合龍施工過程中主梁與橋墩應力影響，方案4為最優(yōu)方案。

3)環(huán)境降溫相對于升溫對結(jié)構(gòu)應力影響較大，主梁應選擇在環(huán)境溫度較低時進行合龍。

4)懸臂澆筑施工過程中不平衡荷載和風荷載對交接縫相對變形影響較小，交接縫豎向和橫向相對變形≤6mm。