超寬PC 箱梁大節(jié)段懸澆施工技術(shù)研究

屈振學(xué)

(中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司 廣東珠海 519020)

1 工程概況

崇左大橋項(xiàng)目位于崇左市城西片區(qū)，為城市獨(dú)立特大橋項(xiàng)目，全橋長533 m。 其主橋設(shè)計(jì)為(105 ＋190 ＋105)m 矮塔斜拉橋[1]，邊中跨跨徑比為0.55，該橋設(shè)計(jì)為墩塔梁固結(jié)，上部結(jié)構(gòu)為縱向連續(xù)剛構(gòu)[2]體系，主塔墩采用曲Y 型立面，高聳的弧形塔柱外傾[3]，整體呈敞開狀。 橋梁造型立意新穎。

主梁根部無索區(qū)長度為33 m，跨中無索區(qū)為17 m。主橋箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用單箱四室截面，箱梁頂板寬39 m，箱底板寬從0 號(hào)段截面的28.57 m 變化到跨中截面的33.07 m，外腹板斜率為2∶1，外翼板懸臂長1.5 m。 箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高3.5 m，墩頂0 號(hào)梁段梁高為8 m。 從中跨跨中至箱梁根部，梁高以1.8 次拋物線變化。 主橋箱梁0 號(hào)梁段長8 m，每個(gè)“T”構(gòu)縱橋向劃分為19 個(gè)對(duì)稱梁段，0 號(hào)、1 號(hào)梁段采用支架現(xiàn)澆施工[4]，2 號(hào)～19 號(hào)梁段采用掛籃懸臂澆筑施工[5]，主橋箱梁現(xiàn)澆C60 混凝土共計(jì)25 240 m3。 本橋共有邊、中跨3 個(gè)合龍段，合龍段均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長8.9 m。 主橋箱梁在斜拉索處設(shè)有與梁同高的0.45 m 厚的橫隔板，各橫隔板均設(shè)置了人洞以便施工和成橋后供橋梁檢查使用。

2 施工難點(diǎn)分析

(1)主梁橋面寬度大、懸澆節(jié)段大。 崇左大橋采用雙塔空間雙索面矮塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)特殊，主梁整幅寬度達(dá)39 m，最大懸澆節(jié)段長6 m，最重懸澆節(jié)段889 t，遠(yuǎn)大于國內(nèi)已有懸澆橋梁節(jié)段重量，梁寬、懸澆節(jié)段長度和重量均達(dá)世界同類橋型之最。 對(duì)后支點(diǎn)施工掛籃的設(shè)計(jì)提出非常高的要求，對(duì)懸澆的安全性帶來了巨大挑戰(zhàn)。 因此本工程具有掛籃設(shè)計(jì)制造難和懸澆施工安全風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。

(2)矮塔斜拉橋有索區(qū)懸澆段設(shè)計(jì)采用“先拉索[6]后移掛籃”施工工序。 一是斜拉索張拉后與掛籃行走前移形成干擾，需拆除掛籃兩側(cè)吊掛系統(tǒng)才能前移就位；二是斜拉索穿張拉期間，掛籃處于停工待施工狀態(tài)，出現(xiàn)窩工。 無法實(shí)現(xiàn)梁索同步組織施工，降低了工效。

(3)全橋有索箱梁節(jié)段均設(shè)厚45 cm 橫隔板，增設(shè)橫隔板后將單箱四室在縱橋向分成六面封閉獨(dú)立箱室，室與室之間只在橫隔板中間設(shè)過人孔便于檢修作用，因此掛籃施工的箱體頂模無法正常通過滑梁前移，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)才能保證工程質(zhì)量和工期。

3 總體施工方案

矮塔斜拉橋超寬變截面PC 箱梁大節(jié)段懸澆施工[7]是以超寬五桁后支點(diǎn)菱形掛籃做箱梁現(xiàn)澆承力平臺(tái)，并結(jié)合設(shè)橫隔板有掛索節(jié)段在掛籃上增設(shè)吊掛點(diǎn)的頂板吊模系統(tǒng)，一次整體懸臂澆筑箱梁和橫隔板，當(dāng)新澆筑梁段等強(qiáng)度和完成體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束張拉錨固后，使用液壓千斤頂同步[8]自動(dòng)控制系統(tǒng)前移掛籃到位，然后進(jìn)行斜拉索掛索并張拉至梁端不上抬穩(wěn)定后，即可調(diào)整掛籃標(biāo)高和實(shí)施下一節(jié)段箱梁鋼筋混凝土施工，即對(duì)有索節(jié)段施工工序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整為“先移掛籃后掛索”的施工工藝，這樣循環(huán)施工下一節(jié)段懸澆梁直至整個(gè)主梁懸澆完成。 達(dá)到了超寬變截面PC 箱梁大節(jié)段整體懸澆而橫隔板不用預(yù)留任何施工接縫，確保了工程質(zhì)量；由于工序調(diào)整后掛索施工時(shí)間變成了非關(guān)鍵工作，因此縮短了總工期。

4 掛籃設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 五桁超大后支點(diǎn)掛籃設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)最大承重達(dá)889 t，同時(shí)具備澆筑橋面寬39 m、長6 m 節(jié)段懸澆梁后支點(diǎn)掛籃，其中重點(diǎn)考慮之一是掛籃長寬高整體尺寸大、承重要求高，掛籃各部件如何選型；另一個(gè)要重點(diǎn)考慮的是長大超寬掛籃如何保證施工中的行走安全。 由于目前還沒有成功案例可供借鑒，針對(duì)此類技術(shù)難題，在專家指導(dǎo)下課題組反復(fù)研討，經(jīng)比選后確定為五桁后支點(diǎn)棱形掛籃[9]，主桁構(gòu)件采用強(qiáng)度高的Q345 鋼板替代普通Q235 鋼板，減輕了掛籃自重，同時(shí)降低了安全風(fēng)險(xiǎn)；在主桁節(jié)點(diǎn)處采用鋼箱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桿件間栓接，此種鉸接設(shè)計(jì)比主桁桿件采用焊接剛性連接受力要好，規(guī)避了焊接節(jié)點(diǎn)承受超大荷載時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中極易拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。

崇左大橋掛籃主要由桁架、行走機(jī)構(gòu)、支撐座、錨桿系統(tǒng)、吊桿系統(tǒng)、模板等部分組成，主要受力構(gòu)件材料采用Q345C，型鋼材料為Q235B，連接銷軸采用40Cr，錨桿、吊桿系統(tǒng)采用PSB830 精軋螺紋鋼筋。 桁架由箱體、桿件、橫梁、頂部聯(lián)系、橫向聯(lián)系、縱向聯(lián)系等通過銷軸連接而形成的組合結(jié)構(gòu)，其功能是承受澆筑與掛籃空載時(shí)的荷載并傳至支撐架和已澆筑箱梁。 箱梁施工掛籃結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 箱梁施工掛籃結(jié)構(gòu)縱斷面示意(單位:mm)

根據(jù)主梁施工掛籃的特點(diǎn)，采用橋梁專業(yè)有限元軟件建立了包括主縱梁、橫梁、吊桿和立柱在內(nèi)的有限元模型，共1 262 個(gè)單元。 掛籃裝配采用共節(jié)點(diǎn)、彈性連接和剛性連接等方式模擬。 各錨固點(diǎn)約束X、Y、Z 三個(gè)方向的自由度。 掛籃有限元計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 主梁施工掛籃有限元分析模型

剛度：由計(jì)算可知，最大承重工況下最大變形為34.41 mm，大于允許值20 mm，發(fā)生在底模主縱梁上，剛度不滿足規(guī)范規(guī)定。 考慮到本橋施工掛籃寬度非常大，達(dá)到規(guī)范規(guī)定剛度要求的成本非常高，采取對(duì)前托梁和縱梁設(shè)置預(yù)抬高，同時(shí)控制箱梁底板早期裂縫的產(chǎn)生。

強(qiáng)度：通過計(jì)算吊桿最大正應(yīng)力為376.45 MPa，發(fā)生在后托梁錨固位置，其安全系數(shù)為1.6，滿足規(guī)范要求；主梁掛籃剪應(yīng)力最大為99.28 MPa，小于允許應(yīng)力101 MPa，滿足規(guī)范要求。

主梁掛籃主縱梁最大正應(yīng)力為165.46 MPa，小于允許應(yīng)力175 MPa，發(fā)生在三個(gè)中腹板底縱梁上，滿足規(guī)范要求。

穩(wěn)定性：主梁施工掛籃受壓構(gòu)件澆筑時(shí)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，其支撐座和精軋螺紋鋼錨固點(diǎn)均是安全的。

抗傾覆性：主梁掛籃澆筑和行走時(shí)抗傾覆性能滿足要求。

4.2 箱梁頂板吊模設(shè)計(jì)

全橋有索箱梁節(jié)段均設(shè)厚45 cm 橫隔板，橫隔板與頂板和底板連成整體，并在橫隔板內(nèi)上下設(shè)2 束預(yù)應(yīng)力鋼束，橫隔板橫橋向兩端分別與斜拉索錨固點(diǎn)的預(yù)埋導(dǎo)管聯(lián)結(jié)，加強(qiáng)箱梁橫向剛度。 增設(shè)橫隔板后將單箱四室在縱橋向分成六面封閉獨(dú)立箱室，室與室之間只在橫隔板中間設(shè)過人孔便于檢修作用，因此必須對(duì)掛籃施工的箱體頂模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 常規(guī)的解決方案有兩種：一種是在頂板往下1.5 m高度內(nèi)預(yù)留二次澆筑橫隔板條件，保證掛籃頂模和滑梁通過內(nèi)箱前移，待頂模滑梁全部移出后即滯后兩個(gè)節(jié)段再按施工縫處理，接長橫隔板鋼筋和預(yù)埋上層預(yù)應(yīng)筋束管道，立模澆筑混凝土。 這樣會(huì)造成箱梁整體性差，在斜拉索張拉錨固后才能進(jìn)行橫隔板上層預(yù)應(yīng)力束張拉壓漿，給梁體留下結(jié)構(gòu)安全隱患。 另一種是拆除掛籃頂板及滑梁，在箱體內(nèi)搭設(shè)頂板支架配合掛籃整體澆筑箱梁和橫隔板，問題可以解決，但施工占用時(shí)間長，頂板支撐落地鋼管架占用內(nèi)箱空間不利于箱內(nèi)混凝土作業(yè)，且支架往下一節(jié)段倒運(yùn)只能通過人孔人工運(yùn)送，施工時(shí)間較長。 針對(duì)此類問題，經(jīng)過研討和論證，設(shè)橫隔板梁段創(chuàng)新采用吊模同步施工頂板和橫隔板的整體澆筑方案。

設(shè)橫隔板掛索節(jié)段采用頂板吊模，即在已澆箱梁頂板預(yù)留孔洞用于頂板吊模后端錨固，前端吊模吊桿通過在掛籃主桁前斜桿對(duì)應(yīng)位置增設(shè)橫向承重梁用于吊桿上部錨固和吊掛。 頂模利用制作專用型鋼骨架和方木組成支架受力平臺(tái)，方木上鋪設(shè)竹膠板構(gòu)成箱梁頂板模板。 成功解決了有索節(jié)段設(shè)橫隔板箱梁一次整體澆筑的技術(shù)難題，節(jié)約了工期，同時(shí)確保了箱梁工程質(zhì)量。

5 施工技術(shù)要點(diǎn)

5.1 掛籃預(yù)壓

掛籃按圖在箱梁已完成的0、1 號(hào)塊位拼裝好后，對(duì)關(guān)鍵部位全部進(jìn)行檢查驗(yàn)收，符合設(shè)計(jì)要求后開始進(jìn)行預(yù)壓。 預(yù)壓荷載采用砂袋配重進(jìn)行加載預(yù)壓方案，預(yù)壓重量按照889 t 節(jié)段現(xiàn)澆鋼筋砼和施工荷載之和的1.2 倍分三級(jí)進(jìn)行加壓(見圖3)。

加載時(shí)按照預(yù)壓總重的60%、100%、120%分三級(jí)加載，測出各測點(diǎn)在加載前后的高程。加載120%后持壓并每天對(duì)其進(jìn)行沉降觀測，直到所測數(shù)據(jù)24 h 掛籃沉降量小于2.0 mm(不含測量誤差)時(shí)，表明掛籃已基本沉降穩(wěn)定，可進(jìn)行卸載，卸載時(shí)按加載級(jí)別進(jìn)行，并分別測出每級(jí)卸載后各測點(diǎn)的高程值。為調(diào)整立模標(biāo)高[10]提供理論依據(jù)。

5.2 鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道、預(yù)埋件安裝

圖3 主梁掛籃預(yù)壓分區(qū)加載

鋼筋制作前要對(duì)鋼筋表面清理干凈，無油漬、漆皮、鱗銹等，認(rèn)真核對(duì)鋼筋大樣圖，綜合考慮安裝順序、施工難度、鋼筋接頭設(shè)置部位等，準(zhǔn)確無誤后方可下料，下料嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和驗(yàn)標(biāo)要求，確保鋼筋骨架的尺寸滿足要求。

預(yù)應(yīng)力管道、掛籃錨固預(yù)留孔和預(yù)埋錨桿數(shù)量、位置符合設(shè)計(jì)要求，誤差必須保證在允許偏差范圍內(nèi)。 所有預(yù)留孔、預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋和預(yù)埋件安裝完成經(jīng)自檢合格后報(bào)監(jiān)理工程師驗(yàn)收，通過驗(yàn)收后方可進(jìn)行下道工序混凝土澆筑施工。

5.3 混凝土澆筑

箱梁混凝土一次性整體澆筑，每節(jié)段澆筑工期10 ～12 d。 現(xiàn)澆C60 混凝土的配合比是：水泥∶粉煤炭∶砂∶碎石∶水∶減少劑＝408∶102∶682∶1 113∶142∶6.63，由于當(dāng)?shù)匕滋鞖鉁剌^高，澆筑時(shí)間選擇在早上或傍晚溫度相對(duì)較低時(shí)進(jìn)行，對(duì)模板以及骨料預(yù)先灑水降溫等。 混凝土采用拌和站集中拌和，混凝土運(yùn)輸罐車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，嚴(yán)格控制坍落度，采用汽車泵和車載拖泵兩端同步泵送入模方案。 鋼筋密集處，由于鋼筋凈距小，且鋼筋層數(shù)多，振動(dòng)棒插不下去，混凝土的密實(shí)度不易保證，因此，在綁扎鋼筋時(shí)，有意移開某些鋼筋從上至下留2 ～3 個(gè)通道，保證混凝土容易振搗，或者在混凝土澆筑前采用60 mm等邊角鐵插入鋼筋比較密集部位，用以引導(dǎo)振搗棒抽拔；對(duì)每個(gè)振搗部位必須振搗至混凝土停止下沉，不再冒出氣泡，表面呈現(xiàn)平坦、泛漿為止。混凝土澆筑過程中安排專人看模，當(dāng)模板出現(xiàn)變形或螺栓松動(dòng)時(shí)立即處理。

5.4 養(yǎng)生

混凝土終凝后，及時(shí)對(duì)混凝土表面進(jìn)行土工布覆蓋，并灑水養(yǎng)護(hù)，確保混凝土表面濕潤。 砼強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa 前，不得使其承受行人、運(yùn)輸工具、模板、托架及腳手架等荷載。

5.5 梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉和錨固

當(dāng)箱梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%以上，且齡期不少于7 d 方可張拉預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)采用伸長量與張拉力雙控，并以張拉力為主，實(shí)測伸長量與計(jì)算伸長量容許誤差控制在±5%以內(nèi)。 各預(yù)應(yīng)力鋼束和鋼筋、張拉錨固順序應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)圖紙規(guī)定進(jìn)行。 張拉時(shí)應(yīng)在初張力0.1σcom狀態(tài)下注出標(biāo)記，以便直接測定各鋼絞線的引伸量，對(duì)引伸量不足的應(yīng)查明原因并采取補(bǔ)張拉等措施。 預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固后及時(shí)封端，且應(yīng)在48 h 內(nèi)壓漿完成，否則要采取避免預(yù)應(yīng)力筋銹蝕的措施。

5.6 掛籃前移就位

超寬PC 箱梁懸澆法施工中掛籃是其主要設(shè)備，往往寬體箱梁掛籃懸澆法施工中移動(dòng)走行非常困難。 傳統(tǒng)的超寬幅掛籃多桁片走行多采用軌道上標(biāo)尺人工指揮控制[11]或每桁采用一套獨(dú)立系統(tǒng)的液壓千斤頂推拉移位走行，這些方法極易造成寬幅掛籃走行中產(chǎn)生扭曲、錯(cuò)位，走行極緩慢等現(xiàn)象，由于不同步走行造成的錯(cuò)位直接影響到橋梁縱向軸線施工精度，還將導(dǎo)致掛籃的構(gòu)件發(fā)生變形，存在較大安全隱患。

針對(duì)超寬五桁后支點(diǎn)掛籃前移技術(shù)難題，通過研發(fā)設(shè)計(jì)了專用于掛籃行走的一拖五同步行走自動(dòng)控制裝置(見圖4)，該系統(tǒng)是通過采用集成控制裝置同時(shí)收集五臺(tái)液壓千斤頂?shù)膲毫Α⑽灰菩畔ⅲ?jīng)處理后分別給各個(gè)液壓千斤頂發(fā)出牽引指令，當(dāng)所有液壓千斤頂走行距離不同步差達(dá)到設(shè)定的誤差范圍內(nèi)時(shí)即整體同步移動(dòng)，一旦出現(xiàn)超差情況，系統(tǒng)自動(dòng)按設(shè)定誤差調(diào)整修正同步差，可將超寬五桁掛籃前移走行時(shí)同步相對(duì)誤差精度控制在2 mm 以內(nèi)。

掛籃行走是采用穿心千斤頂同步拖拉進(jìn)行，要保證5 個(gè)桁架片的同步性，行走前將軌道頂面清理干凈，并涂潤滑脂。 外模和底籃整體下放，一起往前牽引，下放時(shí)，確保外模調(diào)節(jié)絲桿與底籃連接牢固，防止外模在行走過程中側(cè)翻。 底籃應(yīng)重點(diǎn)注意活動(dòng)主縱梁，應(yīng)確保與前后托梁連接可靠，現(xiàn)場要臨時(shí)固結(jié)。

圖4 五主桁自動(dòng)化 同步行走系統(tǒng)

6 結(jié)束語

結(jié)合崇左大橋施工技術(shù)重難點(diǎn)，通過總結(jié)類似工程施工的基礎(chǔ)上，研究出了一種適合矮塔斜拉橋超寬變截面PC 箱梁懸澆的施工技術(shù)，即采用超寬五桁后支點(diǎn)菱形掛籃、結(jié)合有橫隔板掛索節(jié)段配備頂板吊模懸澆和有索節(jié)段先移掛籃后掛索等施工關(guān)鍵技術(shù)，并研發(fā)了一拖五同步行走自動(dòng)控制裝置前移掛籃就位。 較好地解決了超寬變截面PC 箱梁大節(jié)段懸澆[12]的諸多技術(shù)難題，確保了質(zhì)量和安全。 取得的研究成果推動(dòng)了矮塔斜拉橋建造技術(shù)的進(jìn)步，為類似橋梁施工提供了借鑒。