大跨度混凝土拱橋關(guān)鍵施工技術(shù)及荷載試驗

張志偉

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司兩河口建設(shè)管理局,四川 雅江 627450)

0 前 言

兩河口水電站壩址區(qū)河谷深切，兩岸基巖裸露，岸坡陡峭[1-3]，階地不發(fā)育，呈典型的峽谷地貌，施工場地條件較差。對外交通及場內(nèi)交通條件較差，樞紐工程區(qū)及對外交通共設(shè)置5座跨江大橋，橋梁主要結(jié)構(gòu)涉及連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋、鋼結(jié)構(gòu)鋼梁、索道橋等4種結(jié)構(gòu)型式，橋梁結(jié)構(gòu)型式較多，且布置位置，河床地形、地質(zhì)條件、施工條件均較復(fù)雜。如何順利建設(shè)，面臨的施工、管理難度較大，目前各橋梁均已完成建設(shè)并投入運行。

國內(nèi)拱橋建設(shè)中主要采用現(xiàn)澆混凝土、整體預(yù)制旋轉(zhuǎn)、分節(jié)預(yù)制吊裝等施工工藝，其中，分節(jié)預(yù)制吊裝中主要有“單基肋”和“雙基肋”合攏方式，需充分結(jié)合吊裝體重量、現(xiàn)場施工條件、自然環(huán)境等因素綜合選取。本文結(jié)合1號臨時橋主拱“單基肋”合攏關(guān)鍵施工技術(shù)進行論述。

1 拱橋結(jié)構(gòu)特征

兩河口水電站大壩上游1號臨時橋為1座橫跨雅礱江的大橋[4-5]，屬于場內(nèi)交通中重要通道，為大壩填筑土料運輸通道。橋梁采用鋼筋混凝土“上承式預(yù)制吊裝箱型拱橋”結(jié)構(gòu)，橋梁右岸由2跨10.5 m簡支空心板、1跨110 m鋼筋混凝土箱型拱組成，左岸由3跨10.5 m簡支空心板構(gòu)成，全長共計176 m。設(shè)計荷載標準為汽車—80t級，橋面行車道凈寬為12 m，上游1號臨時橋立面見圖1。為建設(shè)期臨時橋梁，水庫蓄水后將進行拆除。

圖1 上游1號臨時橋立面圖 單位：高程，m;其他，cm

2 混凝土拱橋關(guān)鍵施工技術(shù)

大壩上游1號臨時橋拱箱吊裝合攏方式按照“單基肋”合攏松索成拱，利用無支架纜索吊機安裝拱箱，其纜索吊機設(shè)計及吊裝過程中的精準控制為施工難點、重點和創(chuàng)新點。

主拱圈施工方案通過技術(shù)、工期、經(jīng)濟比較后，采用預(yù)制吊裝的方法進行施工[6]。拱橋纜索吊裝施工法主要用于預(yù)制拱肋施工的拱橋結(jié)構(gòu)，根據(jù)拱橋拱肋分段預(yù)制情況及最大預(yù)制件重量，合理設(shè)計纜索起重機的吊裝能力，在保證安全的情況下，由纜索起重機先將兩拱腳段吊裝就位，并用扣索將其固定，再依次吊裝其余段并與先吊段對接，直至吊裝完畢。

2.1 吊裝系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)大壩上游1號臨時橋主拱圈預(yù)制分塊情況，最重拱箱約73 t，考慮施工荷載等因素，起吊重量按93 t控制。在右岸搭設(shè)塔架，吊裝索由雙組主纜組成，跨度為239 m，沿橋軸線布置1組工作纜。在兩岸邊坡橋軸線上下游各5 m處分別設(shè)置2個最大抗拉力1 000 t的洞錨，用于錨固主索、工作索及壓塔索。塔架采用M型萬能桿件組合拼裝成門式結(jié)構(gòu)，塔頂用I56規(guī)格工字鋼上、下分配梁作為主索、扣索及工作索鞍支承。主索采用2組6根直徑60.5 mm和6根37 mm+1型號鋼絲繩，2組主索既有獨立功能，又可組合使用。拱箱纜風(fēng)索采用2根直徑19.5 mm鋼絲繩。大壩上游1號臨時橋吊裝系統(tǒng)布置見圖2。

圖2 大壩上游1號臨時橋吊裝系統(tǒng)布置示意圖

2.2 吊裝施工工藝

主拱圈分7個單箱，每肋采用5段預(yù)制吊裝，鋼筋混凝土拱箱單基肋吊裝施工工藝為關(guān)鍵施工技術(shù)。吊裝順序按兩岸、橫向?qū)ΨQ進行；縱向吊裝順序從拱腳至拱頂，橫向吊裝順序按橋的軸線向兩側(cè)。拱箱軸線、拱度線型的控制通過對拱箱風(fēng)纜、扣索張力調(diào)整。鑒于雅礱江河谷風(fēng)速較大，調(diào)整時需重點關(guān)注風(fēng)速影響。每道拱肋合攏并進行測量調(diào)整后，再對拱箱節(jié)段間進行縱橫聯(lián)結(jié)，直至所有拱箱節(jié)段吊裝完成。

(1) 拱箱的吊裝工藝

為防止碰撞，控制吊運速度，易緩不易快。各段就位時均應(yīng)對位平整，不能出現(xiàn)歪扭，軸線按設(shè)計要求無偏移。第Ⅰ、Ⅱ段就位后即在各段前端系好扣索、纜風(fēng)索。Ⅰ、Ⅱ段就位時，通過計算，在接頭處預(yù)留抬高值，從而保證拱軸線的平滑。

(2) 拱箱合攏

頂段基本就位后，暫不松吊的情況下，按1∶2 的比例緩緩松卸Ⅰ、Ⅱ段的扣索；逐步調(diào)整拱箱軸線和接頭標高；逐漸使頂段吊索受力減為其重量的30%，此時一片拱箱應(yīng)處于基本合攏狀態(tài)。此后，通過在頂板角鋼之間繼續(xù)墊填，并嵌緊鋼板不斷減小扣索、吊索受力，逐步使全片成拱。最后需擰緊螺栓，將接頭墊板和底板角鋼的連接板焊接牢固，將纜風(fēng)索系牢后，拆除吊索。全部拱箱均按上述步驟操作完成，并將連接各箱段接頭間的橫向連接螺栓擰緊牢固后，解除纜風(fēng)索。

(3) 主拱圈形成

拱箱吊裝完成后，為增強拱圈整體性，采用同標號的混凝土澆筑段間橫系梁。在各接頭處鋼板空隙中填塞環(huán)氧樹脂將端橫隔板封好，然后先進行拱腳處橫系梁澆筑，再按照由中間向兩邊的順序，依次對稱澆筑各段間橫系梁。

3 荷載試驗

3.1 試驗內(nèi)容

根據(jù)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》相關(guān)要求，在橋梁運行前，對橋梁進行了靜、動載試驗。動載試驗包括橋梁動力特性測試和橋梁動力響應(yīng)測試；分別利用車輛荷載激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動測定橋梁動力特性(固有頻率、阻尼比)、各種速度汽車激勵下橋梁的響應(yīng)測試、汽車在橋梁特定位置越過障礙物和制動沖擊激勵下橋梁的響應(yīng)測試。

3.2 測試截面

為確定橋梁各試驗控制截面的準確位置和對應(yīng)的控制內(nèi)力與應(yīng)力，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件進行建模計算。橋梁結(jié)構(gòu)計算模型立面見圖3，橋梁在設(shè)計荷載作用下正、負彎矩包絡(luò)圖分別見圖4、5。

圖3 橋梁計算模型圖

圖4 汽車使用荷載作用下的正彎矩包絡(luò)圖

圖5 汽車使用荷載作用下的負彎矩包絡(luò)圖

3.3 靜載試驗

主拱肋為鋼筋混凝土箱形截面，各測試截面應(yīng)變測點主要布置在拱腳截面、L/4截面、L/2截面、3L/4截面位置上，其中1號截面布置在右岸拱腳，2號截面布置在L/4處，3號截面布置在L/2處，4號截面布置在3L/4處，5號截面布置在左岸拱腳，均采用粘貼應(yīng)變片。主拱圈各位移測點主要布置在兩側(cè)拱腳、L/4、L/2、3L/4拱軸線上，采用全站儀測量位移值。為保證試驗的有效性，根據(jù)測試截面的內(nèi)力與撓度影響線，按最不利位置加載，經(jīng)過計算，采用9輛450 kN試驗車輛，實際重量平均為496 kN。經(jīng)現(xiàn)場實際檢測，所有工況加載效率系數(shù)均介于0.95～1.05，主拱結(jié)構(gòu)自振特性測試結(jié)果見表1，滿足JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》相關(guān)要求。

表1 主拱結(jié)構(gòu)自振特性測試結(jié)果匯總表

在荷載作用下，全橋各工況測點應(yīng)力校驗系數(shù)均小于1，全橋各工況測點撓度校驗系數(shù)均小于1。殘余變形分析引入相對殘余變位(或應(yīng)變)的概念描述結(jié)構(gòu)整體或局部進入塑性工作狀態(tài)的程度。相對殘余變位(或應(yīng)變)按計算公式如下：

(1)

St=Sl-Si

(2)

Sp=Su-Si

(3)

通過以上公式進行計算得出，在試驗荷載作用下，各測試斷面卸載后其相對殘余變形在YC4-4/1982《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》規(guī)定的20%范圍以內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形能夠得到恢復(fù)，表明結(jié)構(gòu)處于線彈工作狀態(tài)。

3.4 動載試驗

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及橋梁運行工況，動載試驗主要包括脈動試驗、無障礙行車試驗、跳車試驗、制動試驗。

(1)橋梁自振特性試驗

橋跨結(jié)構(gòu)自振特性計算基頻為0.657 Hz，實測基頻均為0.68 Hz，見圖6。自振特性測試結(jié)果見表2。

圖6 實測無障礙行車余振頻譜圖

表2 主拱加載工況的計算彎矩、試驗彎矩及相應(yīng)的荷載效率系數(shù)表

(2)跑車試驗

在橋面無任何障礙的情況下，用1輛20 t重的加載重車沿被測橋梁中軸線分別以10、20、30 km/h的速度勻速往返通過，測定橋梁結(jié)構(gòu)在移動車輛荷載作用下的動力響應(yīng)(動應(yīng)變)。

(3) 跳車試驗

跳車試驗主要針對主拱2號截面進行，以1輛加載汽車分別以5、10、20 km/h的速度跨越設(shè)在2號截面的障礙物(人工制造的三角形木板，高度為7.5 cm，縱橋向?qū)挾葹?0 cm，橫橋向長度為500 cm)，模擬橋面鋪裝局部損傷狀態(tài)，以測定橋跨結(jié)構(gòu)在橋面不良狀態(tài)時運行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)和振幅。

(4) 剎車試驗

其基本荷載及作用方法與無障礙行車試驗相同，讓一輛20 t重的試驗車以10、20、30 km/h的速度行駛到橋梁L/2處實施緊急制動，測定橋跨結(jié)構(gòu)在運行車輛荷載作用下的動力響應(yīng)。

3.5 結(jié) 論

(1) 在試驗荷載作用下，各控制截面撓度實測值均小于理論計算值，撓度校驗系數(shù)小于1.0，且最大實測撓度小于L/600，試驗時結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

(2) 在試驗荷載作用下，各測試截面的測點應(yīng)變值均小于理論值，應(yīng)變校驗系數(shù)小于1.0，試驗時結(jié)構(gòu)承載能力滿足設(shè)計荷載等級的要求。

(3) 位移測試控制截面量測的相對殘余變形均滿足相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

(4) 試驗過程以不同的車速跑車，沒有發(fā)現(xiàn)動應(yīng)變急劇增加并在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)保持很大數(shù)值的現(xiàn)象。

(5) 跑車作用下，實測的最大動力放大系數(shù)為1.045，其沖擊系數(shù)小于規(guī)范要求。

(6) 跳車試驗、剎車試驗表明，控制截面的振動加速度反應(yīng)正常。

綜上所述，1號臨時橋試驗時結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍，承載能力滿足設(shè)計荷載等級標準。

4 結(jié) 語

大跨度混凝土拱橋施工工藝復(fù)雜、多樣，主要有支架現(xiàn)澆施工法、纜索吊裝法、平轉(zhuǎn)法、頂推法等，1號臨時橋結(jié)合現(xiàn)場實際，選用吊裝施工工藝，在保障質(zhì)量、安全的前提下加快了施工進度。在運行前的各項荷載試驗中均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范和設(shè)計要求。為了長期有效的保持橋梁的整體剛度和穩(wěn)定的工作性能，在運行中嚴格按照設(shè)計規(guī)定的荷載等級要求通行，并定期對橋梁進行檢測、維修和養(yǎng)護。