橫向反拱施工技術(shù)在鋼混組合梁中的應(yīng)用

（福建省泉州灣跨海大橋有限責(zé)任公司，泉州 362000）

橫向反拱施工技術(shù)在鋼混組合梁中的應(yīng)用

■鐘東雄

（福建省泉州灣跨海大橋有限責(zé)任公司，泉州 362000）

反拱技術(shù)和干拼工藝是泉州灣跨海大橋主橋主梁的兩大技術(shù)亮點(diǎn)，為業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，國內(nèi)外均無實(shí)施先例。本文以試驗(yàn)梁段SB2WD～SB6WE為例，通過對橫向反拱技術(shù)的工程特點(diǎn)、反拱設(shè)備、施工工藝和該項(xiàng)技術(shù)在鋼混組合梁總拼中的成功實(shí)踐進(jìn)行介紹，為同類橋梁的建設(shè)提供借鑒和參考。

橫向 反拱 預(yù)應(yīng)力 鋼混組合梁 施工技術(shù)

1 工程概況

泉州灣跨海大橋全長12.455km，雙向八車道。主橋?yàn)殡p塔分幅式鋼混組合梁斜拉橋，跨徑布置為 (70＋130＋400＋130＋70)m。主梁采用分幅結(jié)構(gòu)型式，分為左右幅兩部分。單幅梁含風(fēng)嘴寬27.41m(含風(fēng)嘴)、不含風(fēng)嘴頂板寬23.85m，梁高3.5m(單幅箱梁中心線處)，其中鋼梁中心線處梁高3.1m。混凝土橋面板分預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分，其中預(yù)制橋面板采用C55海工耐久混凝土，橋面板全寬20.918m，標(biāo)準(zhǔn)厚度28cm，在箱梁縱腹板及橫隔板上翼緣處加厚至40cm。全橋主梁劃分為17種類型，166個(gè)梁段。主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面和橋面板布置詳見圖1和圖2。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，在索塔附近、中跨246m范圍內(nèi)及兩邊跨各142.95m范圍內(nèi)橋面板中布置縱向預(yù)應(yīng)力；主梁混凝土橋面板橫向預(yù)壓力通過對鋼梁反拱施加。扣除中跨合攏段梁段2塊、次邊跨合攏段梁段4塊和過渡墩墩頂塊梁段4塊 (計(jì)3種類型10個(gè)梁段)不用施加外，全橋156個(gè)梁段須通過反拱施加橫向預(yù)壓力。

2 橫向反拱技術(shù)工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

橫向反拱技術(shù)是指主梁混凝土橋面板橫向預(yù)壓力通過對鋼梁反拱施加，即在鋼梁中腹板部位用千斤頂施加反力，形成兩側(cè)邊腹板下?lián)希懈拱迳贤沟姆垂靶Ч怪髁悍垂柏Q向變形達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1]。它具有如下特點(diǎn)：

2.1 工程特點(diǎn)

（1）提供應(yīng)力代償：橋面板拼裝時(shí)施加橫向反拱力，相當(dāng)于對橋面板施加了5MPa左右的橫橋向預(yù)應(yīng)力，該工藝能有效增加橋面板沿橫橋向的壓應(yīng)力儲備，有益于延長橋面板壽命。

圖1 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖2 橋面板布置示意圖

（2）保持梁體輕盈：橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度28cm，局部40cm，布設(shè)受力鋼筋和縱向預(yù)應(yīng)力管道，若再設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力管道,對管道和鋼筋定位以及保護(hù)層尺寸都有新的要求，進(jìn)而板厚可能加大，引起自重增加、恒載加大。

（3）有利質(zhì)量保證：縱橫向預(yù)應(yīng)力管道同時(shí)存在，除了相鄰橋面板之間的管道對接準(zhǔn)確性不好保證外，橋面板四圍環(huán)形鋼筋、管道與鋼梁上的剪力釘打架如何處理等也給施工帶來很大挑戰(zhàn)；另外，管道太多對砼的密實(shí)性控制也增加難度。

（4）方便鋼梁制作：設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力管道，勢必要考慮張拉和錨固端頭布設(shè)問題，這對鋼梁邊腹板下料、拼接及防腐處理都將增加工作量，外觀也會受到影響，盡管兩側(cè)還有風(fēng)嘴。

（5）消除制作誤差：鋼梁單元件從下料、拼裝、涂裝到主體成型的過程難免存在誤差，同樣，砼橋面板也存在預(yù)制過程及砼收縮、徐變等引起的誤差[2]。這些誤差在總拼中通過反拱施工可以得到調(diào)整或消除，從而保證組合梁線形在總拼階段與設(shè)計(jì)相吻合。

2.2 工程難點(diǎn)

(1)主梁采用整體節(jié)段預(yù)制、現(xiàn)場安裝的施工技術(shù)復(fù)雜，施工難度大。

(2)組合梁需經(jīng)歷鋼梁制造、橋面板預(yù)制以及場內(nèi)總拼等多道工序，制造精度要求高。

(3)橋面板匹配預(yù)制無先例，預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋、鋼套管和剪力釘相互避讓，現(xiàn)場控制要求高。

(4)該類型寬幅鋼箱梁反拱未有實(shí)施先例，且反拱回彈效果不確定，給梁段匹配連接帶來技術(shù)難題。

(5)預(yù)制及拼裝誤差、吊裝變形等導(dǎo)致預(yù)制板拼接處難以對齊且密貼。

3 反拱設(shè)備

3.1 結(jié)構(gòu)布置形式

桁架擱置在鋼箱梁邊腹板臨時(shí)工裝牛腿上，中腹板位置用吊耳栓接，通過在中腹板部位用千斤頂施加反力，形成兩側(cè)邊腹板下?lián)希懈拱迳贤沟姆垂靶ЧＲ詷?biāo)準(zhǔn)梁段為準(zhǔn)，需在每一道橫隔板位置布置一道桁架，單片梁段需布設(shè)3道桁架。

桁架由上下弦桿、斜桿、豎桿和聯(lián)系桿工廠焊接而成，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為兩片，通過螺栓栓接。結(jié)構(gòu)全長21.948m，上下弦桿中心高2.2m，左右弦桿寬1.2m。該桁架由上下弦桿、斜桿、豎桿和聯(lián)系桿焊接而成，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為兩片，通過螺栓栓接。結(jié)構(gòu)全長21.948m，上下弦桿中心高2.2m，左右弦桿寬1.2m，整個(gè)重量約20t，詳見圖3。

圖3 桁架加載梁

圖4 鋼箱梁有限元模型

3.2 施加反拱工況仿真分析

利用有限元程序ansys，進(jìn)行鋼梁仿真分析，有限元模型如圖4所示。建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段，總長10.5m。采用shell63單元模擬鋼梁，solid45單元模擬橋面板，共包含35229個(gè)單元[3]。邊界條件：每道橫隔板處兩點(diǎn)簡支；荷載條件：自重、橫隔板和邊腹板處牛腿處支撐反力，橫隔板和中腹板處吊耳頂升力。

將仿真分析計(jì)算的反拱值與設(shè)計(jì)反拱對比，如圖5和圖6所示。

圖5 工況1:施加反拱力

圖6 工況2:橋面板安裝，撤除反拱力

圖7 反拱施加完畢

圖8 千斤頂卸載時(shí)

工況1：鋼梁頂面中心上拱6mm，翼緣板下?lián)?17.5mm，兩者差值23.5mm(圖7),與設(shè)計(jì)反拱值23mm吻合；工況2(反拱力撤除)：鋼梁頂面中心上拱2.8mm，翼緣板下?lián)?7.8mm，兩者差值10.6mm(圖8),與設(shè)計(jì)反拱值10mm吻合。

由上圖可見，橋面板拆除反拱力后，橫橋向壓應(yīng)力-6.8MPa左右。這表明按照先施加反拱力再激活橋面板的施工工藝，相當(dāng)于對橋面板施加了6.8MPa的橫橋向預(yù)應(yīng)力，該工藝能有效增加橋面板沿橫橋向的壓應(yīng)力儲備。

卸載反拱時(shí)，考慮5%的超張拉可能對橋面板造成不利影響，經(jīng)計(jì)算分析，結(jié)果表明此時(shí)橫橋向仍然保留有5.2MPa的壓應(yīng)力。

4 反拱施工

4.1 總體布置

組合梁整體節(jié)段橫向反拱模型試驗(yàn)將采用現(xiàn)場總拼完成的節(jié)段在專用的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行，按照“4+1”的節(jié)段 (采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，單個(gè)節(jié)段長10.5m)開展試驗(yàn)，全部5個(gè)試驗(yàn)節(jié)段事先將全部放置于臨時(shí)擱置墩上，然后安裝反拱桁架施加反拱，待前4個(gè)梁段拼裝完成吊走后，第5個(gè)梁段參與下一輪拼裝。

4.2 反拱施工工藝[4]

4.2.1 鋼梁就位

主梁足尺模型試驗(yàn)所選擇的梁段為SB2WD~ SB6WE，共5個(gè)梁段，其中SB2~SB5為D類梁段，SB6為E類梁段。鋼梁從江蘇啟東運(yùn)到福建石獅由蘇航工2026#起重船從華錦碼頭吊裝上岸，由320t運(yùn)梁車運(yùn)抵總拼場地依次存放于混凝土支墩上 (圖9)。該支墩設(shè)計(jì)為臺階形，高度為175cm部分用于支墊鋼梁、145cm部分用于調(diào)整梁段線形。

4.2.2 鋼梁線形調(diào)整

根據(jù)監(jiān)控指令調(diào)整鋼梁線形，調(diào)整時(shí)選擇SB4WD梁段作為基準(zhǔn)，然后分別調(diào)整兩側(cè)的梁段。鋼梁線形調(diào)整通過布置于臨時(shí)墩上方三向千斤頂 (圖10)進(jìn)行。

4.2.3 橋面板安裝

橋面板按照編號由20t龍門吊吊裝至鋼梁上方并就位。橋面板安裝前應(yīng)仔細(xì)檢查以下幾個(gè)內(nèi)容：

(1)側(cè)邊混凝土是否鑿毛，堵縫板是否清理干凈；

(2)各種預(yù)應(yīng)力管道是否通暢；

圖9 鋼梁轉(zhuǎn)運(yùn)及就位

圖10 鋼梁調(diào)位千斤頂

(3)干拼接縫處套管內(nèi)混凝土的清理，接縫是否密貼平順；

(4)預(yù)應(yīng)力預(yù)埋鋼管與外伸鋼筋有沖突時(shí)，應(yīng)提前將此鋼筋割除 (橫向現(xiàn)澆縫)。

橋面板安裝前，將1cm厚的氯丁橡膠墊塊采用專用膠水粘貼在鋼頂板上。氯丁橡膠墊塊寬度分為5cm和10cm兩種，其中兩側(cè)邊腹板處橡膠墊塊寬度為10cm，其余的地方寬度均為5cm。橋面板安裝后應(yīng)檢查橡膠條四周是否壓緊，避免出現(xiàn)澆筑接縫混凝土出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。

4.2.4 反拱力施加

反拱桁架構(gòu)件運(yùn)抵現(xiàn)場后，由20t龍門吊配合組裝。橋面板、鋼牛腿、吊耳安裝完成后，由20t龍門吊安裝逐個(gè)反拱桁架 (圖11)。每個(gè)橫隔板處安裝1套。

(1)液壓系統(tǒng)安裝及調(diào)試。每個(gè)橫隔板處配一套反拱桁架，每個(gè)桁架配置2個(gè)150t穿心千斤頂，經(jīng)多次調(diào)試從安全角度考慮，千斤頂加載值調(diào)整至105t。

圖11 反拱桁架

圖12 千斤頂及同步控制系統(tǒng)

圖13 反拱施加

圖14 實(shí)施效果

(2)反拱力施加首次使用前應(yīng)進(jìn)行加載試驗(yàn)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況進(jìn)行下一步工作。千斤頂頂升時(shí)應(yīng)逐級(5MPa)、緩慢同時(shí) (28臺，濕接縫的SB2WD梁段第一道橫隔板未施加反拱)進(jìn)行，頂升時(shí)注意記錄鋼梁、桁架的位移變化，最終根據(jù)位移 (精密水準(zhǔn)儀測控制點(diǎn)相對高程，推算相對高差)和頂升力進(jìn)行雙控控制。頂升時(shí)密切注意牛腿處鋼梁局部變形情況，變形過大時(shí)應(yīng)停止作業(yè)。詳見圖12～13。

4.2.5 濕接縫澆筑

(1)濕接縫種類及性能要求：邊腹板一側(cè)縱橋向A和A1類縱向現(xiàn)澆縫為聚丙烯纖維混凝土，C類縱向現(xiàn)澆縫為環(huán)氧砂漿，余下接縫均為膨脹混凝土。

(2)混凝土澆筑采用20t龍門吊吊3m3大料斗進(jìn)行布料。該料斗的方量為1輛混凝土輸送車方量 (6m3)的一半，盡量減少起吊次數(shù)。混凝土澆筑，第一次為3片梁 (2、4、6)，第二次為2片梁 (3、5)。

4.2.6 總拼效果

梁段經(jīng)橫向反拱后，橋面板干接縫情況如圖14所示，實(shí)施效果表明,梁段干接縫具有良好的匹配性。

5 結(jié)語

(1)橫向反拱施工技術(shù)在泉州灣跨海大橋項(xiàng)目的成功實(shí)踐表明：該工藝可行，橫向反拱設(shè)備包括同步液壓系統(tǒng)也具有良好的工作性能，既可保證節(jié)段間的良好匹配，也能對橋面板施加足夠的預(yù)應(yīng)力[5]。

(2)當(dāng)鋼梁反拱梁段中線高于邊腹板17~18mm時(shí)，卸載后能保證橋面板各點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)，其中中板壓應(yīng)力儲備值為 (-1.5~-3)MPa。

(3)從橫向反拱過程所帶來的誤差來看，鋼梁反拱誤差范圍為 (-0.2,0.8)mm，其中橫橋向中點(diǎn)處反拱誤差較大；節(jié)段梁回彈誤差范圍為 (-0.4,1.0)mm，其中橫橋向邊腹板處回彈誤差較大；從全過程累積誤差來看，節(jié)段梁在經(jīng)歷橫向反拱全過程后將為梁段安裝帶來不大于1.5mm的不利誤差。

［1］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司等泉州灣跨海大橋工程施工圖設(shè)計(jì)文件第七卷第四冊［M］.2011.

［2］泉州灣跨海大橋施工招標(biāo)文件項(xiàng)目專用本下冊［M］.2011.4.

［3］中交第二航務(wù)工程有限公司泉州灣跨海大橋項(xiàng)目部組合梁足尺模型試驗(yàn)研究方案［M］.2013.5.

［4］中交第二航務(wù)工程有限公司泉州灣跨海大橋項(xiàng)目部 組合梁足尺模型試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告［M］.2013.12.

［5］田維,等.大跨膠結(jié)縫組合梁斜拉橋整體節(jié)段橫向反拱足尺模型試驗(yàn)［J］.公路,2014(10):107-114.