南京長江五橋節段預制拼裝波形鋼腹板箱梁橋施工監控*

許 盟，巫興發，沈惠軍，王江成,3，黃 超,3

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100088；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040)

0 引言

近年來，波形鋼腹板組合結構橋梁因自重小、預應力效率高、耐久性好、造型美觀等特點在國內被廣泛應用[1]。該類型橋梁基本采用懸臂澆筑、支架現澆等施工工藝[2-3]。隨著橋梁工業化的發展，具有節能、環保、高效、耐久等優點的節段預制拼裝技術在混凝土橋梁中得以推廣[4-5]。將該技術引入波形鋼腹板組合結構橋梁建設中，可顯著提升施工質量、加快施工速度，提高常規節段梁接縫受力性能及抗震性能，降低建設成本[6]。

南京長江五橋中3座跨線引橋為波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋，其中主梁節段采用短線匹配預制、架橋機懸臂拼裝的施工工藝，為國內乃至國外首創。

1 工程概況

南京長江五橋引橋中3個區段采用預制波形鋼腹板節段梁，包括跨立新路橋(31+46+31)m、跨豐子河橋(38+68+38)m、跨大堤及濱江大道橋(左幅(41+78+45)m、右幅(45+78+41)m)。其中，跨立新路橋主梁為單箱單室等高結構(梁高2.6m)，跨豐子河橋為單箱單室變高結構(墩頂梁高4m，跨中梁高2.2m)，跨大堤及濱江大道橋主梁為單箱雙室變高結構(墩頂梁高4.5m，跨中梁高2.2m)。箱梁頂、底板采用C50混凝土，波形鋼腹板采用1600型Q345C鋼材。跨豐子河橋構造如圖1所示。

圖1 跨豐子河橋構造(單位：cm)

波形鋼腹板在鋼結構廠制造，運輸至混凝土構件預制場，采用短線匹配法預制逐節段成型新型鋼筋混凝土組合梁，待存放期滿足要求后轉運至施工場地。采用短線匹配預制逐節段成型組合梁節段，待存放期滿足要求后轉運至施工場地。在梁段預制的同時施工下部結構，然后吊裝2個中間墩1號節段，澆筑0號節段，架橋機過跨到位，懸臂拼裝波形鋼腹板組合箱梁節段，依次完成邊跨及中跨合龍，解除墩梁臨時固結約束后完成連續梁體系轉換。

2 施工控制方法

基于全過程幾何控制理念[7]，即通過對箱梁節段制造和安裝等關鍵環節的全過程控制，實現箱梁無應力構形。首先對結構施工階段進行參數敏感性分析，確定影響主梁結構線形的敏感因素，然后通過前期準備階段的模擬分析和施工過程的線形跟蹤測量結果，不斷修正施工控制分析模型，更新預制及安裝理論線形，使施工線形始終偏離目標線形最小，確保成橋線形最大限度接近設計線形。整個控制體系分為準備、波形鋼腹板制造、節段梁預制及安裝4個階段，具體控制流程如圖2所示。

圖2 施工控制體系

3 有限元仿真分析

通過仿真分析確定主梁預制、安裝線形及參數敏感性分析是整個控制體系的關鍵。基于Midas Civil建立跨豐子河橋主梁有限元模型，如圖3所示，通過數值計算，得到主梁施工期變形、成橋累積位移及預拱度。

圖3 跨豐子河橋主梁有限元模型

選取主梁自重、混凝土彈性模量、存梁期及溫度進行參數敏感性分析，確定影響主梁線形的關鍵因素，具體結果如圖4所示。由圖4可知，自重對主梁線形的影響最大，存梁期次之。因此，各箱梁節段預制完成后需稱重并記錄預制完成時間。

圖4 參數敏感性分析結果

4 線形控制

4.1 波形鋼腹板制造

采用短線法預制節段波形鋼腹板梁，其制造線形應滿足在短線臺座中定位安裝的需求，即首節段兩端均須垂直固定(浮動)端模，標準節段在固定端模側(即預制前進方向)須垂直固定端模，如圖5所示。

圖5 節段波形鋼腹板制造示意

波形鋼腹板加工制造時，需布設線形測點，以便后續安裝定位。每塊腹板布設2個測點，位于翼緣板頂部，縱向距離節段分段線200mm，橫向位于翼緣板中心線位置，具體布設如圖6所示。此外，還需在波形鋼腹板兩端設置臨時匹配件，用以固定相鄰節段位置關系。

圖6 測點布置示意

4.2 波形鋼腹板箱梁預制

波形鋼腹板箱梁均采用短線匹配法預制，其控制重點為梁段間的匹配及波形鋼腹板在模板內的安裝。

1)梁段匹配控制 梁段匹配時，每一預制梁段頂部設6個控制測點。其中，沿節段中心線的2個測點(FH，BH)控制平面位置，沿腹板的4個測點(FL，FR，BL，BR)控制標高。固定端模上緣設3個控制測點(L1，I，R1)，測量中心線由旋轉在測量塔上的全站儀和目標塔反光鏡確定。在預制單元附近設置1個固定水準點(DM)，以校準測量塔和目標塔，測量控制網如圖7所示。N號梁段預制完畢后移至匹配位置，通過底模臺車調整至目標位置，N+1 號段澆筑完成后再次測量全部測點，采用專用線形控制系統自動比較匹配段各測點實測值與理論目標值，并進行誤差調整，繼續指導N+1號梁段定位。

圖7 梁段匹配預制測量控制網

2)波形鋼腹板模板內安裝控制 波形鋼腹板模板內安裝控制主要包括波形鋼腹板剪力鍵埋入底板和頂板的深度控制、相鄰節段鋼腹板間的連接控制2個方面。由于相鄰節段鋼腹板夾角在工廠內已基本確定，在安裝階段可調余地小，因而波形鋼腹板安裝控制采用以前后端豎向高程為主、前后兩段夾角控制為輔的控制方法。根據波形鋼腹板箱梁節段安裝線形精度控制需求，在現場驗證其可實施性的基礎上提出波形鋼腹板定位標準：波形鋼腹板中心距偏差±3mm，軸線偏位±5mm，內、外側波形鋼腹板間距偏差±5mm，高差±5mm；波形鋼腹板橫橋向垂直度(斜率)1/500，縱橋向坡度1/1 000。

首節段波形鋼腹板定位對后續節段定位起決定性作用，其定位應保證波形鋼腹板頂緣線、底緣線與固定端模交點位置符合設計要求；波形鋼腹板頂、底緣線應與固定端模保持垂直。此外，波形鋼腹板位置校核完成之后應進行有效固定，保證其與固定端模不發生變化。首節段預制完成后，匹配預制后續節段的活動端模，波形鋼腹板與固定端模除滿足上述要求外，待澆筑節段腹板、已成梁段腹板有效固定后的上、下焊縫寬度需一致，同時，匹配梁整體位置按監控指令執行。若無法同時滿足，可微調焊縫寬度，但不能超過設計規定值。

4.3 波形鋼腹板箱梁安裝

波形鋼腹板箱梁安裝控制重點主要包括1號節段安裝、架橋機懸拼及中跨合龍。

1)1號節段安裝控制 作為首個安裝節段，1號節段既是0號節段澆筑的端模，又與2號節段相匹配。因此，1號節段的定位精度控制十分關鍵。現場將梁體與墩旁支架臨時錨固，利用頂、底板內臨時預應力將0號塊兩側1號塊拉結固定，以抵抗0號塊混凝土現澆部分側壓力對1號塊的影響。

2)架橋機懸拼控制 每個梁段拼裝完成后，比較梁面測點實際位置與目標位置，若當前梁段不滿足精度控制標準或估算至合龍口的預測誤差值超限，可在接縫處增加環氧樹脂楔形墊片、調整臨時預應力張拉力及壓重。

此外，由于波形鋼腹板節段箱梁的橫向剛度較小，在架橋機吊裝過程中會產生一定的橫向變形，從而增大相鄰梁段的匹配連接難度。對此，可在梁段吊裝前及時掌握相鄰梁段的橫向變形相對量，必要情況下通過張拉橫向預應力筋調整。

3)中跨合龍控制 中跨合龍是主梁施工的關鍵工序，合龍前應對懸臂兩端標高、長度及主梁溫度、大氣溫度進行連續觀測，結合氣象資料，確定合龍時機。同時，在鋼腹板制造階段，中跨合龍段端部需預留5cm現場配切長度。

4.4 線形控制結果

基于上述控制措施，部分節段拼裝過程中的高程誤差沿橋軸線方向分布如圖8所示。由圖8可知，最大高程誤差為12.2mm，說明節段波形鋼腹板梁拼裝施工精度可達到普通混凝土節段梁拼裝精度標準。

圖8 高程誤差

5 應力監測

應力測點主要布置在主墩和中跨跨中附近，采用混凝土縱向應變計測量混凝土頂、底板應力與應變，三向鋼應變花測量波形鋼腹板應力、應變。其中，主墩附近測點位于1，2號節段接縫截面及2號節段中部截面處，具體布置如圖9所示。由于鋼齒坎的影響，兩截面混凝土應變計的布置不完全相同；中跨跨中附近測點位于11，12號節段接縫截面及12號節段中部截面處，其測點布置與主墩附近截面類似。

圖9 測點布置示意(單位：cm)

利用Midas/FEA建立波形鋼腹板主梁的實體有限元模型，如圖10所示。混凝土頂底板采用實體單元模擬，波形鋼腹板及其雙PBL剪力連接鍵采用板單元模擬，栓釘采用桿單元模擬，將栓釘節點與周邊混凝土節點三向耦合，不考慮兩者間滑移[8]。由于施工過程中主梁始終處于彈性階段，混凝土和鋼材均采用彈性本構模型模擬。

圖10 主梁有限元模型

已有研究表明，即使環氧樹脂膠與混凝土間為平接縫，其黏結力也可達1.5MPa以上[9-10]。通過試算，本橋在施工過程中混凝土頂、底板的拉應力<1MPa，故接縫處不會開裂。因此，接縫處混凝土頂、底板單元采用最近節點連接。

主墩附近接縫截面混凝土頂、底板縱向應力實測值與模擬值對比如圖11所示。由圖11可知，混凝土頂板縱向應力存在明顯的剪力滯現象，底板應力分布較均勻；混凝土頂、底板縱向應力實測值與模擬值變化趨勢一致。

圖11 混凝土頂、底板縱向應力對比

主墩附近接縫截面波形鋼腹板剪應力及縱向應力實測值與模擬值對比如圖12所示。由圖12可知，波形鋼腹板剪應力沿其高度方向均勻分布，縱向應力除與混凝土接觸附近區域較大外，其余部分均很小；波形鋼腹板剪應力及縱向應力的實測值與模擬值變化趨勢基本一致。由此表明，波形鋼腹板主要承擔剪應力，幾乎不承受縱向應力，符合波形鋼腹板箱梁的受力機理。

圖12 波形鋼腹板剪應力及縱向應力對比

6 結語

以南京長江五橋中采用節段懸臂拼裝施工的3座跨線引橋為背景，提出波形鋼腹板制造、預制及安裝的全過程施工線形控制方法、措施及要點，主要得到以下結論。

1)建立全過程幾何控制體系，實踐表明節段波形鋼腹板梁拼裝施工精度可滿足設計要求。

2)波形鋼腹板節段制造及其在模板內的定位安裝需兼顧短線匹配法預制工藝的特點，結合現場實踐提出更合理的制造及定位標準。

3)應力監測表明，采用節段預制拼裝工藝成型的波形鋼腹板箱梁彈性階段截面應力分布規律與現澆梁幾乎相同。