大跨度連續梁橋合龍段施工技術應用

潘曉飛 耿志華 張康榮 郭迎旗

(中電建路橋集團有限公司,北京 100048)

1 工程概況

臺城河特大橋全長1067.6m,由9 聯組成。其中跨臺城河部分采用120m 一跨過河的方案,上部結構采用P.C.連續箱梁,掛籃懸澆施工,下部結構主墩采用矩形實心墩,基礎采用鉆孔灌注樁形式。其余部分上部結構采用支架現澆,下部結構為樁柱式墩和方柱墩,基礎均為鉆孔灌注樁形式。全年降雨量分布不均勻,每年夏秋兩季常有臺風侵襲。

2 連續梁橋合龍段施工工藝

本橋為大跨度連續箱梁,第2 聯和第7 聯采用懸臂現澆法施工,其余部分采用預制箱梁吊裝施工。合龍段施工是將相鄰的T 形構件通過澆筑混凝土進行拼接,將橋梁從合龍前的剛構狀態到合龍后變為超靜定結構,完成結構體系轉換,對結構內力進行重分布的過程。合龍段可采用一次多孔合龍或逐孔合龍的方法進行施工。合龍段施工方案應結合項目工期、機械設備和人員配置等方面的實際情況進行綜合考慮。基于以上方面考慮本項目合龍順序為先邊跨對稱合龍后中跨合龍作業,合龍段作業時預埋勁性骨架并設置剪刀撐進行加固,合理設置配重后分批次張拉預應力鋼束,并選擇在年溫差梯度最小的時間段內澆筑混凝土。

3 施工技術要點分析

3.1 勁性骨架應用分析

3.1.1 勁性骨架的作用

勁性骨架的作用主要為以下兩個點：勁性骨架安裝后與臨時束構成的結構可以承受一部分的拉力和壓力。當合龍段澆筑的混凝土還處在養護期時,混凝土的各項指標還未達到設計值,容易發生變形和破壞,此結構組合能有效保護新澆筑的混凝土,保障合龍段的質量；其次通過勁性骨架相連的兩懸臂端其穩定性也得到提升,因為勁性骨架使用的型鋼材料具有良好的力學性能,其抗變形能力和拉壓強度高,如果設置了剪刀撐,其抗彎抗剪能力會得到更大提升,橋梁結構的穩定性得到提升。

3.1.2 勁性骨架的選擇與埋設

勁性骨架一般分為內置式和外置式兩種[1]。對于本工程選用外置式相對于內置式其優點在于安裝預埋方便,進行焊接作業時操作空間較大等方面。

外置式勁性骨架是通過預埋在箱梁里的鋼板再通過大尺寸型鋼焊接在一起,其位置通常布置在箱梁表面,對于本項目在箱梁上表面加設骨架剪力撐,更好提高勁性骨架的力學性能。布置示意圖如圖1 所示。

圖1 勁性骨架位置示意圖

3.1.3 勁性骨架的應變公式推導

對于勁性骨架的受力驗算從抗彎應力和應變進行考慮。對結構進行簡化分析,勁性骨架可視為一根梁,梁兩端分別為懸臂端和現澆混凝土的固定端。如圖2 所示,懸臂端在豎直方向上產生的位移將引起勁性骨架內力發生改變,對勁性骨架的抗彎和抗剪能力都有一定要求[2]。

圖2 勁性骨架計算簡圖

如圖2 進行簡化后,其固端彎矩和剪力計算公式如下：

式中：σmax為最大正應力(MPa)；[σ]為允許正應力值(MPa)；[ε]為允許應變值；εmax為最大最大應變值；hs為勁性骨架截面高度(m)。

此計算公式可用于校核選取的勁性骨架是否能滿足變形要求且易于手算,為工程質量安全提供保障。

3.2 配重的設置與計算

3.2.1 設置配重的作用

是否合理設置配重對橋梁合龍施工質量的影響較大,配重形式由基本配重和附加配重組成,基本配重的重量與合龍段澆筑的混凝土相當,附加配重是為了調節梁體變形,合龍標高及應力因素而設置的[3]。其作用主要分為以下三點：

(1)防止懸臂梁兩端產生擾動。在合龍段砼的澆筑施工中,由于梁端產生位移對勁性骨架所施加的彎矩和剪力也會發生變化對結構體系的受力產生不良影響,同時底部線型也會受到影響。在懸臂梁梁端設置配重,隨著澆筑砼過程進行釋放能有效控制懸臂梁兩端的位移,避免出現以上質量問題。

(2)調節梁體標高。在進行合龍施工時需對懸臂梁兩端的標高進行復核,由于各方面因素影響兩端的標高可能超出設計標高的允許誤差范圍,兩端的高差會影響橋梁的線型及澆筑質量,此時則考慮在高標高處的梁端施加附加配重。

(3)調節橋梁內力。橋梁在合龍施工前為靜定結構,合龍后轉變為超靜定結構,因此在合龍施工時附加配重的設置與拆除對結構的內力有一定的影響。

3.2.2 配重位置及大小選擇

(1)配重的位置。一般設置在橋梁懸臂端的最前方且均勻放置,兩懸臂端上的配重應同步放置同步卸載,防止結構出現不平衡受力導致產生不協調變形進而影響施工質量。

(2)配重大小的選擇。總配重的大小由W基本(基本配重)和W附加(附加配重)兩部分組成。其中基本配重主要由澆筑的混凝土重量確定,附加配重主要由W附加高差(合龍前的高差)、W附加內力(橋梁結構內力優化)以及W附加徐變(混凝土收縮徐變引起的內力差)三部分確定,所以配重大小計算公式為：

通過上式確定附加配重的組成結構,通過合理設置附加配重避免橋梁合龍施工因配重大小配置不當產生的一系列質量問題。

3.3 合龍段應力監測

3.3.1 合龍施工各階段應力監測

合龍段施工其內力分布由于結構體系發生轉換變得較為復雜,使用應力監控手段能較為直觀的分析橋梁內力應力變化情況。以本項目第七聯跨臺城河合龍段為例,沿著橋梁方向在箱梁的上頂面和下底面共布置101～108 共計8 個應變片,再在橋梁內部橫向布置兩個。具體分布如圖3 所示。

圖3 應變片布置圖

安裝好應力計后分四次對應力進行監控。第一次監控時間為箱梁混凝土養護強度達到設計值的80%時進行；之后當完成沿橋方向的預應力鋼筋的張拉進行兩次監測,時間間隔為10 天；最后一次監測時間為拆除吊籃、模板等臨時設備。根據應變片的數據曲線進行換算,得到各部位在不同時段的應力值。其應力值如表1 所示。

表1 合龍施工段箱梁應力監測值

對表1 進行分析可知箱梁縱向應力值在第二次監測時部分位置應力值變化波動較大,之后的變化幅度小趨于穩定,隨著時間推移到拆除臨時設備時,混凝土自身力學指標達到設計值,混凝土的收縮變形趨于穩定,同時在預應力鋼束的約束下應力變化進一步減小,箱梁處于穩定狀態。

由表1 知合龍段箱梁縱向上下兩板處均受壓,在監測時間段內頂部最大壓應力為9.73MPa,底部最大壓應力為17.65MPa,均小于設計允許的最大正壓應力值；合龍段箱梁橫向應力變化趨勢與縱向類似且均為受拉狀態,在監測時間段內頂部最大拉應力為1.68MPa,底部最大拉應力為2.53MPa,均小于設計允許的最大拉壓應力值。

3.3.2 溫度變化下各部位應力監測

本項目合龍段施工處于夏季,晝夜溫差變化大,而溫度梯度改變產生的荷載對混凝土的影響是不能忽視的[5],對合龍段懸臂端的箱梁頂板、底板和腹板分左右各放置兩個溫度傳感器,并選擇早上7 點和下午1 點兩個時間段對數據進行收集整理,其結果如表2 所示。

由表2 知,溫度對箱梁各部位的應力影響明顯。隨著溫度提升,溫差荷載產生不利彎矩加大箱梁各部位的應力值,并由數據統計知頂板應力對溫度變化最為敏感,其次是腹板應力再之后為底板應力。雖然在溫度變化作用影響下合龍段箱梁的應力發生改變,但均在設計值范圍內波動,在合龍段施工中橋梁結構處于安全狀態。

表2 不同時間段溫度對應的應力值

3.4 合龍段混凝土配合比試驗

由于項目地處沿海區域,該地區空氣潮濕且氯離子含量較高,而氯離子進入混凝土鋼筋層后會發生化學反應腐蝕鋼筋,不但降低了混凝土的抗拉性能更破壞了鋼筋與混凝土間的可靠連接,致使整個結構被被破壞[6]。因此對該項目的混凝土旨在提高其耐久性和防滲防腐性能。對于混凝土的配合比研究,遵循以下原則：降低氯離子的滲透能力、平衡混凝土各項性能、減少膠凝材料和水泥的占比、有效提高混凝土的結構穩定性以達到更好的防變形和開裂效果。

對于混凝土配合比的研究本文著重于不同礦物摻量對混凝土抗壓強度和氯離子擴散系數的影響,膠凝材料總量固定為510kg,礦物摻量占膠凝材料的比值分別取50%、60%與65%三種,試驗結果如圖4 所示。

圖4 不同礦物摻量下養護天數與混凝土抗壓、抗滲性能的關系曲線

從圖4(a)可以看出當礦物摻量占比為50%、60%時在7d、28d 混凝土抗壓強度均滿足規范要求,而占比在65%時28d 混凝土的抗壓強度未達到設計值固不能采用。從圖4(b)可以看出礦物摻量占比為60%時氯離子的擴散系數最低即混凝土的防滲性最好,有利于提高混凝土的澆筑質量。

綜上可知,當礦物摻量占膠凝材料總量為60%時,混凝土強度既能滿足規范要求同時取得最佳的防氯離子滲透性能。

4 結論

連續梁橋合龍段施工是橋梁施工中極其重要的一環,將橋梁結構由靜定轉為超靜定,施工的好壞對工程質量有重要意義。本文通過對合龍段施工工藝的應用進行研究得出如下結論：

4.1 通過對勁性骨架的作用分析,對勁性骨架的選擇與埋設提出建議并推導勁性骨架的應變公式便于進行人工復核。

4.2 通過對設置配重的作用進行分析,合理選擇出設置配重的位置及重量。

4.3 通過對合龍段箱梁的應變監控,找到不同時間段和不同溫度變化下應力的變化規律以及驗證了結構的安全性。

4.4 通過對不同礦物摻量占比進行配合比實驗確定了占比為60%時其防氯離子滲透性能最佳。