丁璐璐
(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北 唐山 064000)
新建成貴鐵路跨越深切河谷西溪河,大橋的跨度大,施工難度高,施工影響因素多。鑒于其特殊的地質(zhì)條件和工程特點(diǎn),目前國內(nèi)關(guān)于跨深谷橋梁施工的主要研究方向是掛籃懸臂澆筑施工。但本工程的施工現(xiàn)場(chǎng)范圍有限,掛籃系統(tǒng)的安裝、行走、合龍段施工等工序都無法順利開展,難以滿足水平轉(zhuǎn)體橋梁工程項(xiàng)目施工建設(shè)的需求??郾乘魇┕ぜ夹g(shù)對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地形地貌的要求比較低,具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力,可有效滿足大跨度橋梁建設(shè)的要求。將扣背索施工技術(shù)應(yīng)用到成貴鐵路西溪河大橋水平轉(zhuǎn)體,既能有效解決橋梁工程跨度大、施工空間有限的問題,又能很好地保證施工質(zhì)量,從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。
新建成貴鐵路跨越深切河谷西溪河,大橋的中心里程為DK417+141.0,起始里程為DK416+910.55,終止里程為DK417+404.15,全長493.6 m,橋面距河面高差255.7 m,主跨240 m,孔跨式樣為3×32.7 m鋼-混結(jié)合梁+240 m上承式鋼管砼拱橋+4×32.7 m鋼-混結(jié)合梁。主拱采用單鉸平轉(zhuǎn)法施工,整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由交界墩下盤球鉸上轉(zhuǎn)盤扣索和背索牽引系統(tǒng)豎向臨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及半跨主拱圈等組成,上盤預(yù)應(yīng)力鋼束背索扣索均采用1 860 MPa級(jí)Φ15.24鋼絞線,轉(zhuǎn)體時(shí)半拱鋼結(jié)構(gòu)自重約為13 600 kN,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)體施工總重為140 000 kN。
本工程為水平轉(zhuǎn)體體系,選擇單鉸平轉(zhuǎn)法對(duì)主拱肋進(jìn)行施工,兩岸則按照不同地形條件搭建半拱。轉(zhuǎn)體操作主要以半拱為轉(zhuǎn)體單位完成橋梁工程的整體平轉(zhuǎn)。水平轉(zhuǎn)體主要由2個(gè)半跨主拱轉(zhuǎn)體完成,各半拱轉(zhuǎn)體的重量為140 000 kN,其中樂山岸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度為120°,貴陽岸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度為133°。轉(zhuǎn)體體系由交界墩轉(zhuǎn)體下盤球鉸上轉(zhuǎn)盤扣索、背索牽轉(zhuǎn)系統(tǒng)豎向臨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置以及半跨主拱圈等結(jié)構(gòu)組合而成。球鉸為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心,同時(shí)承受并傳遞轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的全部重量。轉(zhuǎn)體球鉸由上、下2個(gè)球面組成,球面半徑為8.0 m,上球面位于轉(zhuǎn)體上盤底部,為凸面,下球面位于轉(zhuǎn)體下盤上,為凹面,球鉸直徑3.98 m。
轉(zhuǎn)體的直徑為9.2 m,球鉸的平面半徑為1.99 m。在轉(zhuǎn)體施工全過程中,球鉸是非常重要的部件,對(duì)制作精度、安裝精度有極高的要求。在安裝中必須做好測(cè)量放線,保證球面相對(duì)光滑,尺寸精準(zhǔn),以提升橋梁合攏的精度以及轉(zhuǎn)體的安全性[1]。
下盤為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),當(dāng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)安裝完成之后,需要和上盤連接形成主拱基礎(chǔ),并附設(shè)上保險(xiǎn)腿滑道、牽引反力座等。下盤在球鉸正下方,是一個(gè)橫橋向30 m、順橋向9 m、厚度為3 m的條形基礎(chǔ),上部1 m在順橋向前端加大形成直徑為18 m的圓盤。針對(duì)3#和4#拱座基坑溶洞、溶槽等,對(duì)兩岸基坑底部和坑壁進(jìn)行壓漿處理,表層鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng),以保證施工質(zhì)量和施工的安全性。
本工程施工中,背索為56根21-7Φ5的1 860 MPa級(jí)低松弛鋼絞線,上端錨固于交界墩頂帽,縱向與交界墩中心夾角為5.693 4°。采用單端張拉,張拉端設(shè)在墩頂,背索設(shè)計(jì)工作應(yīng)力為798 MPa,背索設(shè)計(jì)總拉力為141 340 kN。上盤縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用66束19Φ15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線,分2排布置于上盤底面,另外在上盤頂面布置18束19Φ15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa,采用兩端張拉。上盤橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用16束15Φ15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線,布置在球鉸區(qū)上盤頂面。在背索錨固區(qū)附近,交界墩墩底的上盤頂面、底面及拱腳承壓區(qū)斜面的橫向拉應(yīng)力較大區(qū)域布置100束4Φ15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa。在交界墩墩底施工中,為有效抵抗因背索張拉引起的彎矩作用和劈裂力,頂帽頂部在橫橋向布置36束12Φ15.24鋼絞線,張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa。橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成之后孔道先不壓漿,轉(zhuǎn)體施工完成之后,拆除橫向預(yù)應(yīng)力后再進(jìn)行孔道灌漿封閉,如果橫向預(yù)應(yīng)力孔道和普通鋼筋相互干擾,需要優(yōu)先保證預(yù)應(yīng)力管道的位置符合設(shè)計(jì)要求。
通過張拉扣索來完成拱圈的脫架安裝,轉(zhuǎn)體時(shí)拱肋通過扣索懸吊于交界墩上,拱肋轉(zhuǎn)體到預(yù)定位置后在合攏前也可利用扣索來調(diào)整拱肋標(biāo)高??鬯髑岸擞肞錨錨固在拱肋下弦節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)的錨梁上,接著利用上弦節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)向塊拉錨至交界墩頂帽上。在轉(zhuǎn)向塊處,扣索分散成一排,禁止相互打絞[2]??鬯鞑捎?束15-7Φ5的1 860 MPa級(jí)低松弛鋼絞線,設(shè)計(jì)扣索總拉力為12 772 kN,工作應(yīng)力為760 MPa,在交界墩墩頂帽端單端張拉,將主拱上的扣點(diǎn)設(shè)為固定端??埸c(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 扣點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖
牽引系統(tǒng)由牽引索、連續(xù)張拉千斤頂和反力座3部分構(gòu)成。牽引索優(yōu)化合為2束,每個(gè)轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤埋設(shè)2束索引索,每束由24根(左右旋各半)強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa的24-7φ5Φ15.24 mm鋼絞線組成。采用QDCLT3500-300型連續(xù)轉(zhuǎn)體千斤頂,2個(gè)牽引反力座都布設(shè)在下盤之上。
在拱腳豎向布設(shè)臨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置以及時(shí)調(diào)整支架拼裝時(shí)拱腳鋼管內(nèi)力,弦管嵌補(bǔ)段在轉(zhuǎn)體前臨時(shí)鎖定,確保轉(zhuǎn)體過程安全。當(dāng)交界墩墩身施工完畢、半跨鋼管拱拱肋拼裝調(diào)整完,并經(jīng)檢查合格以及轉(zhuǎn)體前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后,即可進(jìn)行鋼管拱的轉(zhuǎn)體工作。鋼管拱轉(zhuǎn)體分2步進(jìn)行,第1步為鋼管拱脫架,第2步為鋼拱轉(zhuǎn)體及微調(diào)。
扣索、背索施工工藝流程如圖2所示??鬯?、背索施工工序較多,每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)把控到位,確保后序工序順利進(jìn)行。
圖2 扣索、背索施工工藝流程
本工程施工中交界墩墩頂空間有限,為避免影響扣索和背索張拉施工質(zhì)量,需要在墩頂搭設(shè)平臺(tái),采用工字鋼和墩頂預(yù)埋件相互焊接的方法形成懸挑平臺(tái),其寬度不能小于1.2 m,且三面的護(hù)欄高度不能超過1.2 m,并在地面鋪設(shè)厚度不小于5 mm的防滑鋼板??鬯鞴潭ǘ诵枰^固在拱肋下弦桿位置,按照錨固空間的實(shí)際情況,可在拱肋支架上搭設(shè)臨時(shí)施工平臺(tái)[3]。而背索固定端要布設(shè)在上盤底部,結(jié)合實(shí)際情況,選擇用鋼管搭設(shè)臨時(shí)施工平臺(tái)。
張拉端錨具在安裝時(shí)需要通過纜索吊吊裝到指定位置后再進(jìn)行安裝。為保證安裝精度,在安裝之前需要對(duì)齊錨固板和后密封板孔位,并對(duì)準(zhǔn)錨具和預(yù)埋管錨墊板,焊接對(duì)中擋塊,拱肋端錨索完成節(jié)段拼裝之后再進(jìn)行錨具安裝;此外,還要充分考慮扣背索在合龍口中的標(biāo)高。本工程施工中錨具選擇了可調(diào)增的防松型錨具,型號(hào)為OVM250K-21,而扣索錨具則采用OVM250K-15。
為保證扣背索施工質(zhì)量能滿足水平轉(zhuǎn)體施工的需求,在進(jìn)行鋼絞線下料時(shí),需要嚴(yán)格按照公式(1)來精確計(jì)算扣索和背索的下料長度。
L=L0+A1+A2+L1+L2+L3+L4
(1)
式(1)中,L表示鋼絞線的下料總長度,m;L0表示張拉端、固定端錨墊板之間距離;L1表示固定端工作長度;L2表示張拉端工作長度;L3表示垂度影響長度,根據(jù)牽引力計(jì)算可得;L4表示牽引工作長度;A1表示固定端錨具外露長度;A2表示張拉端錨具外露長度。根據(jù)計(jì)算,扣索下料長度為140 m,背索下料長度為70 m。
為便于掛索,需要對(duì)穿索順序進(jìn)行明確的標(biāo)號(hào),鋼絞線的兩端需要用鐵絲來編束,保證兩端的編號(hào)能夠相互對(duì)應(yīng)。鋼絞線固定端采用1.5 t的卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行牽引,并在拱頂前沿位布置一個(gè)導(dǎo)向,鋼絞線和卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩連接之后,牽引到拱頂扣點(diǎn)錨梁位置,并用穿索器將鋼絞線穿入到錨具中,把鋼絞線前端的牽引中心絲切除后再擠壓P錨,并安裝上夾片,將夾片和P錨同時(shí)推進(jìn)到錨孔中,完成拱肋扣索固定端的安裝操作[4]。
扣背索固定端采用P錨和夾片群錨方式,鋼絞線掛索安裝時(shí)先進(jìn)行固定端的穿索和擠壓P錨。張拉端與固定端錨孔水平排列每排孔,兩端錨孔須相對(duì)應(yīng),不得錯(cuò)位[5]。
由于固定端P錨承受動(dòng)載,而且使用過程中臨時(shí)防腐存在弱點(diǎn),所以安裝時(shí)質(zhì)量控制尤為重要,擠壓按25~35 MPa控制,外露鋼絞線為1~2 cm。以往工程試驗(yàn)中,P錨每年暴露于空氣中且承受著約13 t的應(yīng)力及±0.5 t的風(fēng)振動(dòng)載的情況下均未發(fā)生任何質(zhì)量問題,拆索后該P(yáng)錨內(nèi)未發(fā)現(xiàn)銹蝕,并通過現(xiàn)場(chǎng)的千斤頂靜載試驗(yàn),破斷>26 t,非P錨滑脫。
為保證轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的安全性,需要保證轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)向交界墩后傾斜,轉(zhuǎn)動(dòng)前用千斤頂測(cè)定后支腿反力,其兩后保險(xiǎn)腿反力之和要控制在600~800 t之間,否則需要采取壓載的方法進(jìn)行調(diào)整,整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)總重按照1 400 t進(jìn)行控制設(shè)計(jì)??鬯飨到y(tǒng)采取單扣點(diǎn)方案,扣索設(shè)計(jì)可按照水平考慮,要求其能夠承受的拉力不小于12 800 kN,背索為平衡墩頂水平力而設(shè),背索設(shè)計(jì)張拉力不能小于135 000 kN。
在扣索安裝時(shí),需要提前將鋼絞線安裝到拱肋固定端之上,然后再進(jìn)行張拉端牽引安裝,在交界墩底部設(shè)置1.5 t卷揚(yáng)機(jī),用直徑為15 mm的夾頭將鋼絞線索和循環(huán)鋼絲繩夾持到一起,啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)逐步將鋼絞線牽引到墩頂平臺(tái)位置[6]。在墩頂安裝一個(gè)電動(dòng)葫蘆,便于穿索器和鋼絞線相互連接,提升鋼絞線牽引安裝效率。每個(gè)轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤埋設(shè)有2束索引索,每束由24根(左右旋各半),強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa的Φ15.24 mm鋼絞線組成。牽引索經(jīng)清潔各根鋼絞線表面的銹跡油污后,逐根順次沿著既定索道排列纏繞后,穿過QDCLT5000-300型連續(xù)轉(zhuǎn)體千斤頂。先逐根對(duì)鋼絞線預(yù)緊,再用牽引千斤頂在1~2 MPa油壓下對(duì)該束鋼絞線整體預(yù)緊,使同一束牽引索各鋼絞線持力基本一致。
在安裝背索時(shí),要分階段、分結(jié)構(gòu)安裝,先用纜索吊機(jī)進(jìn)行背索墩頂安裝,再用5 t卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行背索下端安裝。在安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)中,采用2部全站儀,并配備2根360°棱鏡對(duì)中桿,2根水準(zhǔn)尺。兩岸各配備一個(gè)測(cè)量小組,各自負(fù)責(zé)測(cè)量半跨鋼管拱的位移。在兩岸地面較高處設(shè)立一個(gè)三角點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn),以觀測(cè)跨中拱頂部位。
在轉(zhuǎn)體開始前,先在預(yù)拼好的鋼管拱前端固定好360°棱鏡對(duì)中桿,并在測(cè)站置鏡,在水準(zhǔn)點(diǎn)置水準(zhǔn)尺直接讀出標(biāo)高并輸入,同時(shí)輸入置鏡點(diǎn)平面坐標(biāo)、棱鏡高、后視方位角、環(huán)境溫度、大氣壓。在轉(zhuǎn)體開始時(shí)全站儀跟蹤360°棱鏡,可不斷測(cè)出拱肋前端的三維坐標(biāo),即隨時(shí)看到鋼管拱轉(zhuǎn)體前端的位移及標(biāo)高的變化。
當(dāng)扣索和背索安裝完成之后,及時(shí)全面檢查系統(tǒng),確認(rèn)達(dá)標(biāo)之后,用型號(hào)為YDCS160-150型千斤頂進(jìn)行單根張拉,保證單根拉索在張拉時(shí)應(yīng)力能夠滿足設(shè)計(jì)要求,控制索力的均勻度誤差在2%以內(nèi)。為保證張拉效果,在張拉之前需要切實(shí)做好以下幾點(diǎn):①由現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)理單位,通過聯(lián)系單形式的方法,來提供整索控制應(yīng)力;②立足整索控制應(yīng)力,精確計(jì)算出錨點(diǎn)的相對(duì)位移量和變形量;③確定好受控結(jié)構(gòu)截面相關(guān)的物理參數(shù)以及索體幾何和物理參數(shù),為計(jì)算單根張拉力提供真實(shí)的數(shù)據(jù)支持[7]。
斜拉索首次張拉采用單根張拉索力累積達(dá)到整束設(shè)計(jì)索力,實(shí)際操作時(shí)遵循以下原則。
1)第1根張拉力由結(jié)構(gòu)變形量離散后得到張拉力(含超張拉)。
2)第2根利用主梁及索塔的變形量對(duì)整束拉索索力平均值進(jìn)行修正,使安裝后單根索力累計(jì)值接近于設(shè)計(jì)值,避免在單根掛索后索力大調(diào)整。索力大小按公式(2)確定。
(2)
式(2)中,K表示超張拉系數(shù);N表示拉索控制應(yīng)力,kPa;N1表示第1根鋼絞線控制力,kPa;n表示拉索孔個(gè)數(shù);δ表示拉索安裝時(shí)錨點(diǎn)相對(duì)變形理論值;l表示拉索索長,m;EC表示鋼絞線彈模;A表示截面面積,m2;α表示縱向與交界墩中心夾角。
3)第i根:Ti=Ti+1-Δi,Δi為第i根安裝時(shí)傳感器變化值。
4)第1根補(bǔ)拉時(shí)按Ti=Ti+1-Δi控制方法確定。
在進(jìn)行單根張拉過程中,為保證張拉效果,施工中采用振弦式傳感器來控制張拉力,在具體應(yīng)用時(shí),用單孔錨具臨時(shí)錨固在第1根鋼絞線之上,待張拉完成之后可隨時(shí)拆除,而且還能通過導(dǎo)線和顯示器相互連接,可將壓力數(shù)值及時(shí)反饋在顯示器上,便于張拉人員能夠?qū)崟r(shí)掌握張拉壓力。為確保張拉效果要把控好以下環(huán)節(jié)。
1)單根鋼絞線采用YDCS160~150張拉,選擇0.4級(jí)并配套標(biāo)定油壓表進(jìn)行全面控制。
2)在整個(gè)張拉過程中,如果張拉段鋼絞線通過張拉一個(gè)行程之后,依然無法滿足張拉要求,此時(shí)就需要采取臨時(shí)工具夾片,臨時(shí)錨固于千斤頂?shù)倪B續(xù)張拉部件內(nèi),不能直接錨固在工作錨板上[8]。
3)當(dāng)張拉加載至單根鋼絞線20%控制應(yīng)力時(shí),及時(shí)進(jìn)行初始伸長量測(cè)量。
4)張拉到設(shè)計(jì)應(yīng)力100%時(shí),及時(shí)進(jìn)行手工安裝工作夾片,同時(shí)采取專用工具打緊,但需要保證打緊的均勻性和跟進(jìn)的同步性,同時(shí)還要詳細(xì)記錄傳感器的顯示值,以指導(dǎo)后續(xù)鋼絞線張拉[9]。
5)因采用一端張拉,所以在張拉時(shí)需確保固定端夾片錨固質(zhì)量,輕輕地敲打夾片并均勻跟進(jìn)。
為保證張拉效果,本工程施工中采取了如下管控措施:利用YDCS160型千斤頂進(jìn)行對(duì)稱的同時(shí)調(diào)索,并量測(cè)每一級(jí)的伸長值。因?yàn)榭郾乘鬏^長,一個(gè)行程不能張拉到位,需多次張拉錨固,需要反復(fù)張拉和防止扣背索錨具松脫。在張拉到位后,旋緊專用限位板的螺母,壓緊夾片,隨后千斤頂回油放張,使工作夾片錨固鋼絞線。
轉(zhuǎn)體施工中背索、扣索張拉以張拉力控制,實(shí)際張拉值與理論張拉值的差值需控制在±10%,且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交接墩墩頂位移,若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,則停止施工待問題解決再繼續(xù)施工。
在背索、扣索張拉完畢且鋼管拱脫架后應(yīng)再一次復(fù)測(cè)整體線型,并與設(shè)計(jì)計(jì)算值比較。且在靜置的時(shí)間內(nèi)不斷進(jìn)行間斷性測(cè)量。
1)放松單根臨時(shí)扣背索,采用YDCS160-150千斤頂分批分級(jí)放松。在整個(gè)放松過程中,需要卷揚(yáng)機(jī)和循環(huán)牽引系統(tǒng)充分配合。
2)卷揚(yáng)機(jī)牽引拆索。單根臨時(shí)扣背索放松之后,可用夾持器和牽引器配合的方法,按照掛索的反工序進(jìn)行拆索[10]。
3)鋼絞線切斷成盤。當(dāng)鋼絞線全部放松之后,在比較平整的場(chǎng)地,設(shè)計(jì)一套鋼絞線卷盤設(shè)備,將鋼絞線收集成盤,便于搬運(yùn)。
4)拆除上下端錨具。將拆除下來的所有錨具,裝入到木箱中,完成全部拆除回收工作。
因成貴鐵路西溪河大橋工程跨度大、地形地貌復(fù)雜,扣背索施工技術(shù)的適應(yīng)性很強(qiáng),可有效滿足大跨度橋梁建設(shè)的要求,保證了成貴鐵路西溪河大橋水平轉(zhuǎn)體施工的順利完成。
1)在扣背索施工中,為保證施工質(zhì)量,實(shí)行崗位質(zhì)量責(zé)任制。
2)轉(zhuǎn)體上盤厚度為6.5 m,澆筑混凝土?xí)r需要采取必要的措施,以降低水化熱對(duì)施工質(zhì)量造成的不良影響,控制混凝土內(nèi)部溫差不超過25 ℃,上盤張拉縱向預(yù)應(yīng)力后,縱向呈筒支狀態(tài),前端為球鉸支承,上盤后端下方需要設(shè)置硬支承,以便能夠承受更大的荷載,在具體施工中,必須高度重視。
3)在整個(gè)轉(zhuǎn)體過程中應(yīng)密切監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的標(biāo)高軸線位置及平衡情況。千斤頂?shù)陌惭b位置應(yīng)精確定位,確保千斤頂?shù)闹行木€與上轉(zhuǎn)盤外圓相切,高度與預(yù)埋鋼絞線中心線相平,并且兩對(duì)稱千斤頂?shù)闹行木€要相互平行。
4)本案例工程采取扣背索施工技術(shù),為后續(xù)橋梁工程的水平轉(zhuǎn)體營造了良好的條件,確保水平轉(zhuǎn)體工作高效、安全、有序地開展。橋梁水平轉(zhuǎn)體完成之后,扣背索作為臨時(shí)性結(jié)構(gòu)可及時(shí)拆除,還可連續(xù)使用,節(jié)約成本,應(yīng)用效果優(yōu)良,值得大范圍推廣應(yīng)用。