大跨度不對稱連續(xù)梁設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)

翁方文 吳成 魯祖澤

1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，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，武漢 430040；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063；4.佳風工程有限公司湖北分公司，武漢 430050

1 工程概況

新福廈鐵路泉州灣跨海大橋原設(shè)計采用32 m簡支梁+（40+40）m T構(gòu)+32 m簡支梁跨越采石坑，T構(gòu)主墩位于采石坑。進場后發(fā)現(xiàn)采石坑大部分已被建筑垃圾和工程廢土填滿，且棄土被水浸泡，具有流動性，處理難度極大。鑒于大里程相鄰橋墩樁基已施工完成，根據(jù)現(xiàn)場施工條件，改用邊跨不對稱連續(xù)梁方案跨越采石坑。為了減小施工階段和成橋階段不平衡荷載的影響，不對稱連續(xù)梁設(shè)計通常采用先邊跨支架現(xiàn)澆并壓重，再中跨掛籃懸臂澆筑的不對稱施工方案。由于該橋邊跨不具備搭設(shè)支架條件，創(chuàng)新性地提出邊跨和中跨對稱懸臂澆筑并動態(tài)調(diào)整壓重的方案。

大橋采用主跨為110 m的不對稱變截面連續(xù)梁（圖1），跨徑組合為（62.7+110.0+45.7）m，箱梁0號塊長14 m。以1#墩為中心掛籃懸澆節(jié)段縱向?qū)ΨQ，劃分為A1—A13（B1—B13）節(jié)段；以2#墩為中心掛籃懸澆節(jié)段縱向不對稱，小里程劃分為B1—B13節(jié)段，大里程劃分為C1—C11節(jié)段。2#墩小里程與大里程節(jié)段長度不同，梁底按照不同圓曲線半徑變化，梁高漸變過渡。主梁設(shè)計為單箱單室直腹板截面，邊跨直線段及中跨跨中截面梁高為4.8 m，中支點處梁高為8.0 m。箱梁頂寬12.6 m，底寬6.7 m，頂板厚43.5 cm，腹板厚分別為50、70、90、110 cm，底板厚由跨中49 cm按拋物線變化至中支點梁根部150 cm。

圖1 連續(xù)梁立面布置（單位：m）

2 設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)分析［1-4］

1）如何控制由于結(jié)構(gòu)不對稱形成的不平衡內(nèi)力對結(jié)構(gòu)施工及運營安全的影響。

2）通過施工過程壓重及不對稱邊跨兩側(cè)箱梁高度、節(jié)段長度差異性設(shè)計，減小施工階段不平衡彎矩，增加支座最小反力儲備，防止邊支座出現(xiàn)負反力。

3）為了減小壓重荷載對結(jié)構(gòu)受力安全的影響，設(shè)計時適當加大小邊跨箱梁的底板、腹板尺寸。

4）掛籃懸臂澆筑施工過程中不平衡荷載控制難度大，施工組織難度大。通過對設(shè)計壓重方案進行優(yōu)化，將鐵砂混凝土調(diào)整為箱內(nèi)澆筑混凝土+預制鐵砂混凝土的方式來調(diào)整壓重荷載，確保安全施工。

3 受力分析

3.1 箱梁整體計算

根據(jù)實際施工順序，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS進行有限元整體分析。結(jié)構(gòu)均采用梁單元計算，懸澆狀態(tài)下中墩按臨時固結(jié)模擬，合龍后進行體系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成永久支座［5-7］。箱梁采用C55混凝土，混凝土重度取26 kN/m3，壓重及掛籃荷載按實際施工階段和實際位置進行加載，二期恒載按曲線無聲屏障146 kN/m計算。連續(xù)梁施工階段內(nèi)力及應力計算結(jié)果見表1，運營階段計算結(jié)果見表2，支座反力見表3。

表1 連續(xù)梁部分施工階段計算結(jié)果

表2 連續(xù)梁運營階段計算結(jié)果

表3 連續(xù)梁支座反力 kN

由表1—表3可知：①壓重措施下施工階段不平衡彎矩均較小，混凝土施工階段最大壓應力9.51 MPa＜fc=37 MPa，最大拉應力0.91 MPa＜0.8fct=2.64 MPa（fc和fct分別為混凝土的軸向抗壓、抗拉強度極限值）。②運營階段主梁未出現(xiàn)拉應力，且主力作用下，結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)大于2.2，主力+附加力作用下，結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)大于1.98，抗裂安全系數(shù)大于1.20，說明在施工及運營階段結(jié)構(gòu)均受力安全。③3#墩最小反力安全儲備達2 366 kN，未出現(xiàn)負反力。

3.2 臨時固結(jié)措施設(shè)計及計算

墩梁臨時固結(jié)設(shè)計采用臨時錨固塊（圖2），錨固鋼筋伸入梁體及橋墩長度不小于1.2 m。混凝土錨固塊承受不平衡壓力，錨固鋼筋承受不平衡拉力。

圖2 臨時固結(jié)平面布置（單位：m）

按照最不利原則對最大懸臂階段第13號節(jié)段施工時墩梁臨時錨固結(jié)構(gòu)進行計算。不平衡荷載［8-10］包括：一側(cè)自重為主梁結(jié)構(gòu)混凝土自重的105%，另一側(cè)自重為主梁結(jié)構(gòu)混凝土自重的100%；一側(cè)施工線荷載為0.48 kN/m2，另一側(cè)為0.24 kN/m2；考慮施工機具自重為1 100 kN，一側(cè)動力系數(shù)為1.2，施工荷載為1 320 kN，另一側(cè)動力系數(shù)為0.8，施工荷載為880 kN；節(jié)段澆筑不同步引起的混凝土重量偏差200 kN；一側(cè)考慮風荷載對箱梁產(chǎn)生的升舉力為0.8 kPa，另一側(cè)風荷載為0。

考慮1.5倍抗傾覆安全系數(shù)，計算得到單側(cè)臨時錨固結(jié)構(gòu)最大豎向抗壓承載力為102 585 kN，單側(cè)支座最大豎向壓力為89 179 kN；單側(cè)臨時錨固抗拔承載力為52 768 kN，單側(cè)支座最大豎向拉力為48 895 kN。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》8.3.1計算受拉鋼筋錨固長度為1.109 m，小于實際錨固長度1.200 m。綜上可知墩梁臨時錨固結(jié)構(gòu)受力安全。

4 總體施工工序

為了解決不對稱連續(xù)梁施工過程中的不平衡荷載問題，采用對施工邊跨C7—C12節(jié)段進行壓重的措施。總體施工工序為：以1#墩、2#墩為中心，對稱移動掛籃懸臂澆筑A1—A11（B1—B11）節(jié)段，B1—B11（C1—C11）節(jié)段。2#墩懸臂澆筑B9—B11（C9—C11）節(jié)段時，在C8—C10節(jié)段分別施加部分壓重荷載→在3#墩旁搭設(shè)現(xiàn)澆支架施工C12節(jié)段并預壓，安裝支座→移動掛籃懸臂澆筑1#墩A12—A13（B12—B13）節(jié)段、2#墩B12—B13節(jié)段→采用吊架或掛籃現(xiàn)澆邊跨合龍段→施工中跨合龍段，進行C9—C12節(jié)段剩余部分壓重。

5 不平衡荷載壓重施工

5.1 不平衡荷載壓重施工工序

為保證連續(xù)梁不對稱施工結(jié)構(gòu)安全性，施工過程壓重從B9（C9）節(jié)段施工開始共計分六次進行施加，前五次壓重荷載采用底板現(xiàn)澆混凝土施加，第六次采用現(xiàn)澆混凝土+鐵砂混凝土塊方式施加，共計壓重5 027.6 kN。考慮壓重施工的可操作性，按施工具體階段分步進行，具體施工工序為：2#墩懸臂澆筑B9（C9）節(jié)段時，在C8節(jié)段箱內(nèi)底板施加壓重荷載231.6 kN→2#墩懸臂澆筑B10（C10）節(jié)段時，在C9節(jié)段箱內(nèi)底板施加壓重荷載238 kN→2#墩懸臂澆筑B10（C10）節(jié)段時，在C10節(jié)段箱內(nèi)底板施加壓重荷載171.6 kN→2#墩懸臂澆筑B12節(jié)段時，在C7節(jié)段施加壓重荷載447.2 kN→2#墩懸臂澆筑B13節(jié)段時，在C8節(jié)段箱內(nèi)底板增加壓重荷載372 kN，C11節(jié)段箱內(nèi)底板施加壓重荷載231.6 kN→中跨合龍段澆筑前，在C9節(jié)段箱內(nèi)底板增加壓重荷載540.4 kN，在C10節(jié)段箱內(nèi)底板增加壓重荷載714.4 kN，在C11節(jié)段箱內(nèi)底板增加壓重荷載973.6 kN，在C12節(jié)段箱內(nèi)底板施加壓重荷載1 107.2 kN。

5.2 不平衡荷載壓重施工方法

原設(shè)計邊跨壓重均采用鐵砂混凝土，但鐵砂混凝土重度大，搬運困難且施工工效低，考慮壓重荷載施加的可操作性和施工方便性，結(jié)合梁內(nèi)空間尺寸，采取如下壓重施工方法：

1）C7—C10節(jié)段壓重采用與鐵砂混凝土等重的現(xiàn)澆C30混凝土方案，現(xiàn)澆混凝土在箱梁內(nèi)部采用竹膠板立模澆筑。為避免底板現(xiàn)澆壓重混凝土參與結(jié)構(gòu)受力，現(xiàn)澆混凝土壓重施工前在箱梁內(nèi)部鋪設(shè)一層土工布，將壓重混凝土與箱梁底板隔離。

2）C11節(jié)段壓重荷載大，若全部采用現(xiàn)澆混凝土方則梁內(nèi)空間不滿足要求，故采用鐵砂混凝土塊作為壓重荷載。其單塊尺寸為20 cm×20 cm×50 cm，單塊質(zhì)量80 kg，共配置1 217塊。為防止壓重塊發(fā)生移動，影響結(jié)構(gòu)安全，在底板預埋鋼筋對壓重塊進行限位，壓重塊之間采用砂漿堆砌，漿砌厚度1.5 cm。

3）受壓重荷載及梁內(nèi)空間影響，C12節(jié)段采用底部現(xiàn)澆混凝土+上層鐵砂混凝土塊的方式調(diào)節(jié)壓重荷載。通過底部現(xiàn)澆混凝土對梁底變截面斜坡進行調(diào)平，方便鐵砂混凝土塊施工。中跨合龍前節(jié)段壓重施工布置見圖3。

圖3 中跨合龍前節(jié)段壓重施工布置（單位：cm）

6 結(jié)論

1）通過施工過程壓重及不對稱邊跨兩側(cè)箱梁高度、節(jié)段長度差異性設(shè)計，減小了施工階段不平衡彎矩，防止邊支座出現(xiàn)負反力，可控制因結(jié)構(gòu)不對稱形成的不平衡內(nèi)力對結(jié)構(gòu)施工及運營安全的影響。

2）利用臨時混凝土塊+錨固鋼筋構(gòu)成的臨時錨固結(jié)構(gòu)，其抗壓、抗拉承載力和錨筋錨固長度均滿足結(jié)構(gòu)受力要求，能夠保證臨時支撐結(jié)構(gòu)安全使用。

3）采取現(xiàn)澆普通混凝土+預制鐵砂混凝土塊結(jié)合的施工工藝，有效提高了壓重荷載施加的可操作性和施工方便性。