大跨小半徑曲線轉(zhuǎn)體斜拉橋施工控制技術(shù)*

鄭建新，于 哲，孫南昌，黃甘樂

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.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；3.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；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；5.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 工程概況

鄭萬高速鐵路上行聯(lián)絡(luò)線與鄭西高速鐵路夾角17°，設(shè)計采用(32+138+138+32)m單塔雙索面轉(zhuǎn)體斜拉橋，塔墩梁固結(jié)體系，豎向位于R=1 400m平曲線上，縱坡2.906 2%，采用165 000kN轉(zhuǎn)體球鉸支座，橫向偏心0.847m，設(shè)計球鉸中心與結(jié)構(gòu)重心重合。球鉸以上索塔全高89.0m。主梁為單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。全橋共11對斜拉索。

本工程主梁采用滿堂支架澆筑，其中索塔兩側(cè)各128m主梁采用在制梁位現(xiàn)澆，斜拉索張拉完畢后與索塔整體平轉(zhuǎn)至設(shè)計目標(biāo)位置，再與邊跨梁段合龍。總體施工工藝流程為：基礎(chǔ)施工→下、上球鉸安裝→索塔液壓爬模施工→主梁支架現(xiàn)澆→斜拉索掛設(shè)及張拉→主梁與支架接觸脫空→臨時鎖定拆除→結(jié)構(gòu)稱重和配重→天窗時間轉(zhuǎn)體，精確定位后封固球鉸→合龍段澆筑和二期施工→斜拉索二次張拉。橋型及布置如圖1所示。

圖1 橋型及布置(單位：m)

2 施工控制方法

2.1 全過程控制方法

本工程平曲線半徑小、跨度大，在索塔施工過程中，索塔重心相對于轉(zhuǎn)動中心往曲線外側(cè)偏移0.847m，隨著主梁由索塔往前端澆筑，結(jié)構(gòu)橫向重心逐漸往曲線內(nèi)側(cè)偏移，最終達(dá)到轉(zhuǎn)動體重心與轉(zhuǎn)動球鉸中心重合。大跨小半徑曲線轉(zhuǎn)體斜拉橋相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體橋梁施工，經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)偏心轉(zhuǎn)換過程，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制難度大。同時，主梁轉(zhuǎn)動前端、塔頂?shù)角蜚q中心的距離分別為撐腳到球鉸中心距離的28.4倍、19.7倍，撐腳位置微小變形會導(dǎo)致主梁標(biāo)高及塔偏誤差放大，控制精度要求高；且跨繁忙高速鐵路，屬小天窗轉(zhuǎn)體，施工可靠性需保證。

針對轉(zhuǎn)體斜拉橋結(jié)構(gòu)及施工特點，采用施工全過程控制方法，主要分為計劃階段、澆筑張拉階段、轉(zhuǎn)體階段。在計劃階段，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點及施工工藝進(jìn)行施工全過程分析，確定關(guān)鍵控制參數(shù)、施工預(yù)拱度、成橋控制目標(biāo)等；在澆筑張拉階段，重點進(jìn)行轉(zhuǎn)體系統(tǒng)精細(xì)化安裝控制、支架安全性主動控制、自重及索力誤差識別與修正；在轉(zhuǎn)體階段，通過轉(zhuǎn)動速度控制、結(jié)構(gòu)受力與空間姿態(tài)實時監(jiān)測，實現(xiàn)精準(zhǔn)對接。全過程控制方法如圖2所示。

圖2 全過程控制方法

2.2 施工控制目標(biāo)狀態(tài)

斜拉橋施工控制的目標(biāo)狀態(tài)為成橋結(jié)構(gòu)線形與內(nèi)力逼近設(shè)計目標(biāo)值。基于全過程控制思路，結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制主要為變形和索力控制，線形控制主要為現(xiàn)澆立模線形和張拉階段變形控制。本工程主梁采用滿堂支架現(xiàn)澆，體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，參數(shù)識別困難，線形控制成為施工控制中的難點。

主梁成橋高程目標(biāo)線形為“設(shè)計線形+恒載撓度反拱+1/2活載撓度反拱”，其中“恒載撓度反拱+1/2活載撓度反拱”即為立模豎向預(yù)拱度；主梁軸線控制目標(biāo)為偏差<10mm。主梁預(yù)拱度如圖3a所示。計算分析同時表明，斜拉索張拉過程中，索力水平分量差導(dǎo)致主梁產(chǎn)生沿平曲線內(nèi)側(cè)最大達(dá)50mm變形，因此需設(shè)置軸線預(yù)偏，如圖3b所示。

圖3 預(yù)拱度與軸線預(yù)偏設(shè)置

3 施工控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 穩(wěn)定性分析與控制

由于本工程從索塔到主梁施工過程中，結(jié)構(gòu)橫向重心不斷變化，在轉(zhuǎn)動體重心與轉(zhuǎn)動球鉸中心重合前，結(jié)構(gòu)一直處于偏心受力狀態(tài)，因此需設(shè)置可靠的鎖定裝置，確保澆筑張拉階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。為此，在上轉(zhuǎn)盤外緣均勻布置8個直徑1m砂箱，每個砂箱出廠前預(yù)壓荷載21 000kN，砂箱中心離球鉸中心4.5m，單個砂箱可提供94 500kN·m不平衡力矩，索塔混凝土3 254m3，0.847m偏心距產(chǎn)生的力矩約68 900kN·m，可滿足澆筑張拉階段穩(wěn)定性要求。同時，沿上、下轉(zhuǎn)盤布置56根φ40精軋螺紋鋼，精軋螺紋鋼預(yù)拉，其與砂箱同時作用，將上、下轉(zhuǎn)盤鎖定穩(wěn)固。

在實際施工過程中，因不可避免的施工誤差，主塔兩側(cè)的梁重不可能完全一致，從而產(chǎn)生一個不平衡力矩。同時，施工過程中的風(fēng)荷載也會產(chǎn)生不平衡力矩。臨時鎖定解除后，不平衡力矩成為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素。

在風(fēng)壓作用下，結(jié)構(gòu)所承受的最大偏載彎矩Mf可按下式計算：

Mf=wkblh0

(1)

式中：wk為主梁處風(fēng)荷載，按wk=bgzmsmzw0計算，wk=0.1kN/m2；b為橋面寬度，b=11m；l為主塔單側(cè)懸臂長度，l=128m；h0為力臂；h0=128/2=64m；則風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩Mf=9 011kN·m。

轉(zhuǎn)動體相對于球鉸中心偏移引起的傾覆力矩Mg可按式(2)計算。本橋設(shè)計理論偏心距e=0.847m，以實際重心偏離設(shè)計0.6e=508mm考慮。

Mg=0.6Ge=165 000×0.508=83 853kN·m

(2)

為克服臨時鎖定解除后的不平衡力矩，在上轉(zhuǎn)盤外緣設(shè)置8對φ800×24雙圓筒撐腳，內(nèi)填C50混凝土，防止轉(zhuǎn)動體發(fā)生傾覆(見圖4)。

圖4 臨時鎖定及支撐布置

撐腳反力計算：

(3)

式中：L為撐腳位置處的滑道半徑，取4.5m。

抗傾覆安全系數(shù)為：

(4)

式中：n為安全系數(shù)；Fl為單對雙箱筒的承載力，取47 978kN。

風(fēng)荷載及自重不平衡力矩作用下，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的抗傾覆安全系數(shù)n=2.32，滿足安全性要求。

3.2 結(jié)構(gòu)稱重與配重

本工程轉(zhuǎn)動體高89m、長256m，結(jié)構(gòu)龐大，平曲線半徑小，施工中不可避免會存在誤差，造成橋體縱、橫向重心偏離球鉸中心，形成不平衡力矩。相對于直線轉(zhuǎn)體橋梁，本工程需進(jìn)行雙向偏心控制。

稱重測試轉(zhuǎn)動體不平衡力矩原理為，千斤頂作用力矩、自重不平衡力矩、球鉸摩阻力矩三者間的平衡關(guān)系。結(jié)構(gòu)存在不平衡力矩MG大于或小于摩阻力矩Mf的情況。為此，臨時鎖定解除前，在縱、橫橋向布置4組共8臺千斤頂，千斤頂頂面與梁底密貼。稱重千斤頂布置如圖5所示。

圖5 稱重千斤頂布置

稱重時，球鉸兩側(cè)頂升力分別為F1，F(xiàn)2，千斤頂距球鉸中心距離分別為L1，L2，平衡臨界狀態(tài)力矩平衡方程為：

(5)

臨時鎖定拆除后，千分表采集的撐腳與滑板間隙變化微小，最大間隙變化<0.3mm。初步判斷為不平衡力矩小于摩阻力矩。

配重前，橫橋向最大偏心69mm，往曲線內(nèi)側(cè)；縱橋向最大偏心95mm，往大里程側(cè)。

由于橫橋向偏心較小，且橫橋向可施加配重的區(qū)域小，因此，僅考慮對縱橋向進(jìn)行配重，在萬州側(cè)離索塔中心48.6m、橋梁中心線處配重15t，縱橋向偏心調(diào)整至50mm。配重施加位置如圖6所示。

圖6 配重位置示意

3.3 斜拉索合理張拉工序控制

為保證轉(zhuǎn)體施工全過程的安全性，臨時鎖定拆除前，需將主梁現(xiàn)澆滿堂支架卸落至主梁底板以下約3m，確保體系轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)體過程中主梁不會觸碰到下面的支架。而支架若在受力狀態(tài)下卸落，則會產(chǎn)生極大安全隱患，因此，需通過斜拉索合理張拉工藝控制，使得斜拉索張拉完成后主梁與支架脫空。

基于全過程控制方法，以施工期主梁拉應(yīng)力小于C55混凝土容許抗拉強(qiáng)度1.89MPa、支架卸落前主梁上拱為階段控制目標(biāo)，通過索力與主梁響應(yīng)分析，得到支架卸落前斜拉索索力為成橋索力的0.6～1.0倍時，主梁整體上拱。支架卸落前索力與成橋索力比值以及主梁變形分別如圖7，8所示。

圖7 支架卸落前索力與成橋索力比值

圖8 支架卸落前主梁變形

采用MIDAS /Civil有限元模型，支架卸落前，若斜拉索一次張拉至階段目標(biāo)索力，主梁部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力超限，為此，優(yōu)化斜拉索為兩次張拉工序，其中第1次張拉力為第2次張拉力的0.7倍，施工全過程主梁最大拉應(yīng)力1.6MPa，結(jié)構(gòu)狀態(tài)合理可控。施工全過程主梁最大拉應(yīng)力如圖9所示。

圖9 施工全過程主梁最大拉應(yīng)力

3.4 轉(zhuǎn)體實時監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)

為實現(xiàn)轉(zhuǎn)體全過程結(jié)構(gòu)姿態(tài)及受力狀態(tài)的實時監(jiān)測，轉(zhuǎn)體前，在梁端安裝靜力水準(zhǔn)儀、索塔上安裝傾角傳感器、轉(zhuǎn)盤上安裝拉繩位移計、撐腳與滑道間安裝千分表、牽引設(shè)備上安裝壓力傳感器，結(jié)合主梁及索塔施工期預(yù)埋的應(yīng)變計，通過自動化傳感測試系統(tǒng)無線采集各項參數(shù)(見圖10)。

圖10 平臺總體構(gòu)成

開發(fā)了橋梁轉(zhuǎn)體實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器實時監(jiān)測值驅(qū)動橋梁三維模型運動，將轉(zhuǎn)體過程中的實時狀態(tài)進(jìn)行三維可視化展示，同時動態(tài)分析及展示梁體空間姿態(tài)與受力狀態(tài)，實現(xiàn)了實時掌握、研判結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動姿態(tài)和狀態(tài)，以及輔助決策控制和異常狀況及時預(yù)警，轉(zhuǎn)體施工全過程結(jié)構(gòu)平穩(wěn)、對位精準(zhǔn)(見圖11)。

圖11 三維實時監(jiān)測平臺

4 結(jié)語

1)針對鄭萬高速鐵路轉(zhuǎn)體斜拉橋轉(zhuǎn)體長度大、高度高、曲線偏心大、小天窗轉(zhuǎn)體等特點，提出了轉(zhuǎn)體斜拉橋施工全過程控制方法，該方法思路清晰，結(jié)構(gòu)安全和精度控制可靠。

2)通過設(shè)置臨時砂箱、撐腳等措施，確保了在風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)重心偏差影響下轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的抗傾覆安全系數(shù)>2。

3)通過4組千斤頂多向精確稱重，有效控制橫、縱橋向偏心在規(guī)范范圍內(nèi)。

4)優(yōu)化斜拉索各階段目標(biāo)索力，使得現(xiàn)澆滿堂支架卸落前與主梁脫空，確保支架體系轉(zhuǎn)換安全性。

5)轉(zhuǎn)體智能監(jiān)測技術(shù)及平臺實現(xiàn)了對大橋空間姿態(tài)、變形、關(guān)鍵部位應(yīng)力等參數(shù)的實時監(jiān)測和輔助決策，確保了轉(zhuǎn)體施工安全和精準(zhǔn)對接。