泉州灣跨海大橋“假懸臂”施工合龍順序研究*

厲勇輝，黃劍鋒，胡 偉

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.交通運(yùn)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；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430040；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，北京 100120)

0 引言

海洋橋梁具有橋梁超長(zhǎng)、受海洋環(huán)境影響大、施工有效時(shí)間短等特點(diǎn)[1]。國(guó)內(nèi)建成的跨海橋梁中其非通航孔橋絕大多數(shù)采用簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁跨度小、基礎(chǔ)數(shù)量多、經(jīng)濟(jì)性差。連續(xù)剛構(gòu)橋其具有跨越能力大、承載力強(qiáng)、行車(chē)平順性好、經(jīng)濟(jì)、安全等特點(diǎn)[2]，可滿足海洋環(huán)境下減少基礎(chǔ)的要求。

常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋其邊跨跨度一般為主跨的0.6倍，邊跨直線段長(zhǎng)度較小，一般采用支架或托架施工[3]。對(duì)于處于海洋中多聯(lián)等跨的連續(xù)剛構(gòu)橋，如采用常規(guī)方案施工，其邊跨滿堂支架投入量巨大。為了取消邊跨滿堂支架，采用“假懸臂”施工工藝懸臂澆筑每聯(lián)邊跨主梁，“假懸臂”是通過(guò)配置臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋束來(lái)平衡邊跨主梁節(jié)段自重，實(shí)現(xiàn)邊墩主梁懸臂澆筑，目前國(guó)內(nèi)交接墩(相鄰聯(lián)邊墩)采用“假懸臂”施工工法應(yīng)用案例極少，僅在某公路高架5匝連續(xù)梁橋中有所應(yīng)用[4]。交接墩和中間墩主梁懸臂澆筑達(dá)到最大懸臂狀態(tài)時(shí)，合龍口合龍施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換次數(shù)多、施工線形控制難、工序復(fù)雜，施工合龍順序的合理選擇是對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和線形控制的重要保證。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

在建泉州灣跨海大橋?qū)儆诟咚勹F路橋，位于福建省泉州市內(nèi)，起于臺(tái)商投資區(qū)，跨越泉州灣后進(jìn)入晉江市、石獅市，橋梁全長(zhǎng)20 286.775m，橋梁類(lèi)型包含斜拉橋、簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。其中，47～74號(hào)墩設(shè)計(jì)為9聯(lián)3×70m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，連續(xù)剛構(gòu)橋編號(hào)分別為A1～A9，如圖1所示。

圖1 9聯(lián)3×70m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋布置

1.2 “假懸臂”施工臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造措施

為了減少深水中邊跨支架搭設(shè)，施工過(guò)程中除了A1聯(lián)秀涂港方向和A9聯(lián)泉州灣方向邊跨采用滿堂支架現(xiàn)澆外，其他聯(lián)中墩和相鄰聯(lián)交接墩主梁均采用懸臂法施工。交接墩為相鄰兩聯(lián)共用橋墩，采用雙壁墩結(jié)構(gòu)，箱梁也在墩中心處斷開(kāi)。中間墩和邊墩主梁最大懸臂狀態(tài)時(shí)劃分8個(gè)節(jié)段，為了平衡節(jié)段自重，每個(gè)節(jié)段位置處配置2束19φ15.24臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。交接墩0號(hào)塊臨時(shí)固結(jié)，通過(guò)在交接縫內(nèi)填充維薩板，同時(shí)為了使交接墩內(nèi)填充物儲(chǔ)備一定壓應(yīng)力，在交接墩橫隔板處張拉48根φ25螺紋鋼筋，0號(hào)塊頂、底板各配置了2束19φ15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線，如圖2所示。

圖2 臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造

1.3 合龍方案

常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋的合龍順序十分明確，對(duì)于3跨以上的多跨連續(xù)剛構(gòu)橋，合龍順序?yàn)椋合葘⒏鱐形結(jié)構(gòu)連成π形結(jié)構(gòu)，然后連接各π形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全橋合龍；為了縮短施工工期，各聯(lián)中間墩和相鄰聯(lián)交接墩同時(shí)進(jìn)行懸臂澆筑施工，達(dá)到最大懸臂狀態(tài)時(shí)，各聯(lián)均存在3個(gè)合龍口。為了便于區(qū)分，每聯(lián)合龍口編號(hào)由秀涂港—泉州灣方向編號(hào)依次為1，2，3(如A1聯(lián)合龍口編號(hào)為A1-1，A1-2，A1-3)，如圖1所示。

根據(jù)“先邊跨后中跨”“先中跨后邊跨”“中、邊跨交替合龍”及“依次合龍”合龍方式擬定4個(gè)合龍方案。4種合龍方案均以A5聯(lián)為中心向秀涂港海岸和泉州灣方向同時(shí)施工。各合龍方案中，臨時(shí)懸臂束預(yù)應(yīng)力筋在交接墩兩邊合龍口合龍完成后進(jìn)行拆除。邊跨合龍束分2批張拉，第1批是邊跨合龍時(shí)張拉，第2批是交接墩臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋拆除后張拉。方案1～4合龍順序簡(jiǎn)述如下。

1)方案1(中、邊跨交替合龍) 逐聯(lián)完成合龍，先合龍中跨，然后合龍?jiān)撀?lián)邊跨，具體步驟如下：合龍中跨(A5-2)→合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)中跨(A4-2，A6-2)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→拆除相鄰聯(lián)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)，以此類(lèi)推。

2)方案2(依次合龍) 從A5聯(lián)中跨合龍口開(kāi)始，向秀涂港海岸和泉州灣2個(gè)方向依次合龍，具體步驟如下：合龍中跨(A5-2)→合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→合龍相鄰聯(lián)中跨(A4-2，A6-2)→拆除臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋→合龍次聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)，以此類(lèi)推。

3)方案3(先中跨后邊跨) 先合龍每聯(lián)中跨，然后依次合龍每聯(lián)邊跨，具體步驟如下：依次合龍每聯(lián)中跨(A5-2，A4-2，A6-2，A3-2，A7-2，A2-2，A8-2，A1-2，A9-2)→合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→拆除臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)，以此類(lèi)推。

4)方案4(先邊跨后中跨) 先合龍每聯(lián)邊跨，然后依次合龍每聯(lián)中跨，具體步驟如下：合龍邊跨(A5-1，A5-3)→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-3，A6-1)→拆除臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋→合龍相鄰聯(lián)邊跨(A4-1，A6-3)→合龍A3，A7聯(lián)邊跨(A3-3，A7-1)→拆除臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋→…→合龍A5聯(lián)中跨(A5-2)，以此類(lèi)推。

2 4種合龍方案對(duì)比分析

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil有限元軟件建立9聯(lián)3×70m連續(xù)剛構(gòu)橋三維有限元模型，如圖3所示。模型中交接縫填充物采用梁?jiǎn)卧M，并釋放交接縫位置處單元兩端約束。

圖3 9聯(lián)3×70m連續(xù)剛構(gòu)橋三維有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比分析

施工過(guò)程中和成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，橋墩與合龍段梁截面易出現(xiàn)彎曲裂縫。各合龍方案中最大跨數(shù)為7跨，以A5聯(lián)和A4聯(lián)交接墩、中間墩處和合龍段處主梁及橋墩頂、底端截面作為應(yīng)力統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，對(duì)比分析不同合龍方案施工過(guò)程中和成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力，如圖4所示。應(yīng)力統(tǒng)計(jì)為結(jié)構(gòu)上、下翼緣4個(gè)位置處最大應(yīng)力(壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正)，結(jié)果如圖5～8所示。

圖4 應(yīng)力統(tǒng)計(jì)點(diǎn)示意

圖5 成橋階段橋墩應(yīng)力

由上述分析可知：

1)成橋狀態(tài)下，不同合龍方案主梁應(yīng)力相差較小，主梁均處于全截面受壓狀態(tài)，4種方案中最大應(yīng)力差為0.42MPa；不同合龍方案橋墩最大應(yīng)力相差不大，方案2應(yīng)力最大，為1.1MPa，方案4應(yīng)力最小，為0.85MPa，最大差值為0.25MPa。

2)不同合龍方案合龍施工中主梁最大應(yīng)力相差較小，最大應(yīng)力差為0.63MPa，中跨靠近中墩主梁施工過(guò)程中出現(xiàn)拉應(yīng)力，這主要和中跨合龍束預(yù)應(yīng)力張拉有關(guān)；合龍施工過(guò)程中橋墩最大應(yīng)力相差較小，方案4施工過(guò)程中橋墩應(yīng)力最大，為2.87MPa；方案2施工過(guò)程中橋墩最大應(yīng)力最小，為2.62MPa。成橋狀態(tài)下橋墩應(yīng)力狀態(tài)相差較大，其中方案1～3橋墩最大應(yīng)力出現(xiàn)在中墩，方案4施工過(guò)程中橋墩最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊墩。

圖6 成橋狀態(tài)下主梁應(yīng)力

圖7 合龍過(guò)程中主梁最大應(yīng)力

圖8 合龍過(guò)程中橋墩最大應(yīng)力

2.3 不同合龍方案結(jié)構(gòu)變形分析

在不考慮預(yù)拱度和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期撓度效應(yīng)情況下，可認(rèn)為成橋狀態(tài)各點(diǎn)撓度為0時(shí)的線形為橋梁成橋線形。由于橋墩處梁撓度較小，合龍口處撓度較大，以A4聯(lián)和A5聯(lián)合龍口位置處成橋撓度為例對(duì)比分析不同合龍方案成橋狀態(tài)下主梁線形，如圖9，10所示。

圖9 變形統(tǒng)計(jì)點(diǎn)

圖10 4種合龍方案合龍口豎向撓度

方案1和方案3成橋線形較接近，不同合龍方案成橋狀態(tài)下合龍口最大下?lián)狭亢蜕瞎傲肯嗖畈淮蟆８骱淆埛桨赋蓸驙顟B(tài)下最大下?lián)狭烤?0mm左右，最大起拱量均在10mm左右；方案4相對(duì)于其他合龍方案，各合龍口位移偏離撓度為0的基準(zhǔn)線要小，方案4較接近成橋線形。

2.4 環(huán)境溫度作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)Νh(huán)境整體溫度較敏感[5]，由于交接墩兩側(cè)箱梁進(jìn)行了臨時(shí)固結(jié)，不同合龍方案合龍過(guò)程中存在的最大跨數(shù)不同，合龍施工過(guò)程中跨數(shù)越多，結(jié)構(gòu)在溫度作用下效應(yīng)越明顯，方案1～4合龍過(guò)程中存在最多跨數(shù)分別為7，5，7，3。擬定合龍過(guò)程中環(huán)境溫度升、降溫差為15℃，方案1～4合龍施工過(guò)程中出現(xiàn)最大跨數(shù)施工階段，在環(huán)境溫度荷載作用下主梁和橋墩應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11，12所示(由于墩頂相對(duì)于墩底應(yīng)力較大，主梁合龍段處于受壓狀態(tài)，圖中未示出橋墩底部截面主梁合龍段截面應(yīng)力)。

圖11 溫度作用下主梁應(yīng)力

圖12 溫度作用下橋墩應(yīng)力

綜上分析可知：

1)施工過(guò)程中環(huán)境溫度變化對(duì)主梁和橋墩的應(yīng)力影響較大，環(huán)境溫度對(duì)主梁和橋墩應(yīng)力影響，方案4相對(duì)于其他3個(gè)方案影響較小。4種方案中，方案1和方案3主梁與橋墩最大應(yīng)力最大，分別為3.6，6MPa;方案2主梁和橋墩最大應(yīng)力分別為2.3，4.2MPa；方案4主梁和橋墩最大應(yīng)力分別為1.4，4.1MPa。由于上述計(jì)算結(jié)果是基于合龍過(guò)程中最大跨數(shù)，方案2最大跨數(shù)為5跨，當(dāng)臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋拆除后為3跨，環(huán)境溫度荷載作用下，方案2的橋墩最大應(yīng)力和方案4相當(dāng)。

2)環(huán)境降溫相對(duì)于升溫對(duì)主梁和橋墩應(yīng)力影響較大，主要是因?yàn)榄h(huán)境降溫對(duì)橋墩變形與合龍束預(yù)應(yīng)力張拉引起的橋墩變形相同。因此，主梁應(yīng)選擇環(huán)境溫度較低時(shí)進(jìn)行合龍。

3)在不考慮環(huán)境溫度作用下，不同合龍方案，合龍施工過(guò)程中和成橋時(shí)主梁與橋墩最大應(yīng)力及主梁合龍口下?lián)狭肯嗖钶^小；綜合考慮環(huán)境溫度荷載對(duì)合龍過(guò)程中主梁和橋墩應(yīng)力影響，防止施工過(guò)程中主梁開(kāi)裂，方案4應(yīng)為推薦方案。

3 施工過(guò)程中交接縫變形分析

交接縫變形過(guò)大，可能會(huì)造成交接墩臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋失效。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋失效后有最大懸臂T形和π形2種結(jié)構(gòu)。在分析交接墩交接縫相對(duì)變形時(shí)，忽略交接縫中填充物對(duì)墩約束作用。

3.1 交接縫豎向變形分析

由于T形懸臂結(jié)構(gòu)左、右兩邊荷載對(duì)稱，所以此時(shí)交接墩交接縫相對(duì)位移為0。π形結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)在方案4中，此時(shí)由于邊跨合龍束張拉和邊跨合龍段自重及掛籃荷載會(huì)導(dǎo)致交接縫產(chǎn)生變形，此時(shí)交接縫豎向相對(duì)變形為1.2mm。懸臂施工時(shí)，理論宜完全對(duì)稱澆筑，如混凝土泵送困難而難以實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)單位規(guī)定兩端澆筑不平衡≤8t，此時(shí)T形結(jié)構(gòu)交接縫豎向變形相對(duì)值為1.0mm(見(jiàn)圖13)。

圖13 交接縫豎向變形

3.2 交接縫橫向變形分析

造成施工過(guò)程中交接縫橫向變形的主要荷載是風(fēng)荷載，統(tǒng)計(jì)橋址處歷年氣象資料，橋址處瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)40m/s。根據(jù)JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中最大懸臂階段風(fēng)荷載最不利布置原則，計(jì)算得到T形結(jié)構(gòu)交接縫橫向相對(duì)變形為3.6mm，π形結(jié)構(gòu)交接縫最大相對(duì)變形為5.6mm(見(jiàn)圖14)。

圖14 交接縫橫向變形

4 結(jié)語(yǔ)

1)主梁不同合龍順序?qū)κ┕み^(guò)程中主梁最大應(yīng)力和成橋時(shí)主梁與橋墩應(yīng)力及主梁成橋撓度影響較小。

2)環(huán)境溫度對(duì)不同合龍方案合龍過(guò)程中橋墩和主梁應(yīng)力影響較大，綜合考慮環(huán)境溫度對(duì)合龍施工過(guò)程中主梁與橋墩應(yīng)力影響，方案4為最優(yōu)方案。

3)環(huán)境降溫相對(duì)于升溫對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大，主梁應(yīng)選擇在環(huán)境溫度較低時(shí)進(jìn)行合龍。

4)懸臂澆筑施工過(guò)程中不平衡荷載和風(fēng)荷載對(duì)交接縫相對(duì)變形影響較小，交接縫豎向和橫向相對(duì)變形≤6mm。