高墩大跨径连续刚构桥梁中跨合龙施工技术研究
——以芦沟河特大桥为例

周成龙, 张文东, 马明虎, 孙皓桐, 崔成男

(中建铁路投资建设集团有限公司, 北京 100088)

高墩大跨径连续刚构桥梁作为一种重要的基础设施,在现代交通建设中发挥着至关重要的作用。这种桥梁结构具有跨越能力大、结构稳定性好、承载能力强等特点,被广泛应用于高速公路、铁路和城市桥梁等场景。然而,高墩大跨径连续刚构桥梁在施工过程中,仍存在一定的技术和安全风险[1]。其中,中跨合龙施工是整个桥梁建设的核心环节之一,其施工质量直接影响到桥梁的结构安全和稳定性。吴月红和陈搏[2]以龙翔大桥为例提出了针对大节段钢梁作为跨中结合段吊针对大节段钢梁作为跨中结合段吊装施工过程的新型提升系统,以龙翔大桥为例,实现了悬臂梁施工、钢混结合段吊装、大节段跨中钢梁吊装3个施工阶段的快捷转换。牛爱国[3]对主梁线形、主梁结构应变测量、合龙监控等要点进行详细分析,为其测量提供参考。

本文所研制的中跨合龙技术中,采用区别于吊物配重的新型配重水袋装置,使水袋拆装和转移快速简便,配重加载和浇筑合龙段混凝土时卸载匀速高效。因此,对高墩大跨径连续刚构桥梁中跨合龙施工技术进行深入研究具有重要的现实意义。

1 工程概况

芦沟河特大桥(图1)位于重庆市巴南区东泉镇朝阳村,距离东泉镇约7.2 km,横跨芦沟河。主桥为96 m+5×180 m+96 m连续刚构桥,上部结构采用预应力混凝土连续刚构、单箱单室结构,下部结构采用空心薄壁墩、双柱实心墩、承台桩基础。左右线桥面纵坡分别为1.95%、2.85%。

图1 芦沟河特大桥建成后模型

每个T构纵桥向划分为21个对称梁段,从根部至跨中分别为6×3 m、7×4 m、8×4.5 m,累计悬臂总长为82.0 m,边跨现浇段长4.51 m,边跨合龙段及中跨合龙段长度均为2 m。

(1)将中跨小里程的挂篮前移至合龙段,并在中跨大里程挂篮配重。为确保合龙段混凝土质量,在中跨合龙段的两侧梁段分别放置一个水袋进行混凝土配重。

(2)为调整墩梁内力,在中跨合龙段的两侧悬臂端施加顶推力。施加顶力时,将以悬臂端的纵向位移量为控制指标,确保施加的顶力对称且分级进行。

(3)安装中跨合龙刚接构造,并按设计要求张拉临时钢束,以确保合龙段的稳定性。

2 工艺流程

(1)将中跨小里程的挂篮前移至合龙段,并在中跨大里程挂篮配重。为确保合龙段混凝土质量,在中跨合龙段的两侧梁段分别放置一个水袋进行混凝土配重。

(2)为调整墩梁内力,在中跨合龙段的两侧悬臂端施加顶推力。施加顶力时,将以悬臂端的纵向位移量为控制指标,确保施加的顶力对称且分级进行。

(3)安装中跨合龙刚接构造,并按设计要求张拉临时钢束,以确保合龙段的稳定性。

(4)在挂篮上浇注中跨合龙段混凝土。在浇注混凝土的过程中,边浇注混凝土边放水,以保持重量恒定。养生期间,密切关注混凝土的强度,待混凝土强度达到设计要求时,拆除刚接构造,完成中跨箱梁的合龙。

(5)依次张拉设计要求的中跨预应力钢束。

(6)拆除中跨临时钢束。

连续刚构桥中跨合龙施工工艺流程如图2所示。

图2 连续刚构桥合龙施工工艺流程

3 合龙准备工作

3.1 合龙段线性复测

在中跨合龙之前,需要对桥面上的施工荷载进行清理,并卸载所有可卸载的重量。对于无法卸载的荷载,需要进行详细的重量调查和位置描述,以便进行受力分析,并采取相应的控制措施[2]。在清理完施工荷载后,测量人员需对梁体的高程和坐标进行全面测量,同时,测量应选择夜间温度较为稳定的时候进行,以获得更准确的测量结果,将测量数据与理论值进行比较,以确定合龙标高和配重要求。此过程有助于确保合龙后桥梁的实际标高符合设计要求,并为后续的配重工作提供依据。总而言之,在中跨合龙前的准备阶段,清理并卸载可卸载的施工荷载,并进行详细的重量调查和位置描述。然后进行全面测量,将实测数据与理论值进行比较,确定合龙标高和配重要求,有助于确保合龙后桥梁的质量和稳定性[4]。

3.2 合龙温度的选择

在合龙前3天,每隔2 h观测一次昼夜温度场的变化是为了找出温度变化与悬臂梁变化、应力变化等方面的规律。通过这些观测数据,可以确定一个合适的合龙温度,一般要低于设计合龙温度,以确保新浇筑混凝土在温度缓慢上升时仍处于受压状态下终凝。

温度是合龙时最重要的影响因素之一[5]。当桥梁的不同部位受到不同温度影响时,可能会导致悬臂梁的变形和应力的变化。因此,在选择合适的合龙温度之前,需要详细观测昼夜温度场的变化,以了解温度对悬臂梁及其应力的影响规律。

观测期间,每隔2 h进行一次观测,包括白天和夜晚的温度变化。通过长时间的观测,可以得到温度随时间的变化曲线。同时,还需记录悬臂梁的变化情况,如挠度、位移等,并观察应力的变化情况。通过分析这些数据,可以找出温度变化与悬臂梁变化、应力变化等方面的规律。

根据观测数据的分析结果,可以选择一个合适的合龙温度。一般来说,合龙温度应稍低于设计合龙温度,以确保新浇筑混凝土在温度缓慢上升时仍然处于受压状态下终凝。这样可以避免混凝土在自由膨胀过程中产生裂缝或变形。

3.3 合龙段模板系统安装

合龙段模板由菱形挂篮改装而成,具体做法是拆除影响挂篮前移的部分前吊带,保留两侧前吊带及手拉葫芦,锚固挂篮前后的下横梁,调整挂篮底模组成合龙段底模。锚固挂篮外侧导梁,提升挂篮外侧模,形成中跨合龙段侧模。因挂篮内导梁长达10 m,合龙后拆除困难,应在合龙前拆除导梁,采用2组3 m长的40号工字钢代替,并与竖向精轧螺纹钢锚固,如图3所示。

图3 合龙段挂篮底模安装示意图

4 施工关键技术

4.1 合龙配重

常用的配重方式有沙袋配重和水袋配重,其中水袋配重的加载和卸载便捷,容易进行分级同步控制,因此施工中选择使用水袋配重的方式进行悬臂配重[6]。 连续刚构桥合龙段挂篮预埋示意图如图4所示,连续刚构桥合龙水袋配重实景图如图5所示。

图4 连续刚构桥合龙段挂篮预埋示意图

图5 连续刚构桥合龙水袋配重实景图

本项目工程中,为保证合龙段混凝土浇筑过程中悬臂端始终处于稳定状态,需在梁端设置配重,在混凝土浇筑过程中,按等量换重的方式撤除配重。配重重量和配重位置可根据梁体实际线型、标高等因素适当调节。

为了保持箱梁平衡不发生倾斜和扭转,配重应沿横桥向均匀对称布置。配重采用水袋式配重,其配重重量按下述计算:中跨合龙段混凝土方量为47.3 m3,C60钢筋混凝土容重按2.6 t/m3,合龙配重分两部分计算。

(1)基本配重t1。1/2中跨合龙段混凝土重心距离桥墩中心的距离为90 m,配重设置在21#节段中心位置,配重距离桥墩中心的距离为81.5 m。配重重量为:t1=(47.3×2.6/2)×90/81.5=67.9 t。

(2)附加配重t2。考虑悬臂梁段挂篮不平衡荷载产生的配重,计算公式为:合龙挂篮重量×挂篮重心至桥墩中心距离=另一侧挂篮重量×挂篮重心至桥墩中心距离+配重t2×配重重心至桥墩中心距离。

挂篮自重为117 t,合龙挂篮距桥墩中心距离为86 m,另一侧挂篮距桥墩中心距离为80 m,配重距离桥墩中心的距离为81.5 m,则t2=(117×86-117×80)/81.5=8.6 t。总计配重约76.5 t。

4.2 合龙顶推

4.2.1 合龙观测

合龙前应进行48 h连续观测,记录悬臂段标高随时间的变化曲线。

4.2.2 劲性骨架预埋安装

边跨现浇段、21#梁段施工时,预埋合龙段劲性骨架2#组合槽钢。槽钢伸入箱梁长度不少于1 m,外伸约29.5 cm。2#组合槽钢安装前,利用全站仪精确定位,确保位置准确。若槽钢与钢筋发生干扰时,可适当移动钢筋的位置。

4.2.3 合龙顶推

顶推工艺主要用于桥梁施工,其核心目的是优化桥墩的受力状态,以满足桥梁在运营阶段因降温、收缩徐变等荷载作用下的墩顶应力需求[7]。为确保有效的受力调整,关键在于合理设定合龙时的顶推力[8]。

在确定顶推力的大小之前,必须先确定顶推量的规模。桥梁在运营阶段会受到长期荷载的作用,主要包括混凝土的收缩徐变和温度荷载。收缩徐变计入年限,10年收缩徐变按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)计算。设计合龙温度为17±3 ℃,因实际合龙暂时未知,计算按照17 ℃取用。

根据芦沟河特大桥左幅桥 MIDAS/CIVIL 2022 模型计算得出芦沟河特大桥左幅全桥墩顶从施工完成到经历10年收缩徐变之后的累计位移,即为顶推力需要消除的墩顶位移,详情见表1。

表1 顶推位移

结合芦沟河特大桥左幅 MIDAS/CIVIL 2022 模型并按照理论计算方法计算得出芦沟河特大桥左幅在进行过顶推过后的10年后全桥墩顶位移值和芦沟河特大桥左幅合龙顶推时各合龙口应施加的顶推力及各合龙口的顶推位移值,详情见表2～表4。

表2 10年后左幅墩顶位移

表3 左幅合龙顶推力

表4 左幅合龙口顶推位移

为了减轻桥梁的重量,使用有限元模型进行模拟计算。在模型中,在各个顶推位置施加了100 kN的顶推力,并提取了各控制节点的水平位移。

芦沟河特大桥墩高联长,采用顶推辅助合龙。连续刚构桥中跨合龙顶推实景图如图6所示。合龙顶推力、顶推量根据梁段合龙时合龙温度、墩顶水平位移等确定,具体数值由监控单位提供。项目部测量队加强施工过程中的测量及监测,加强与监控单位的沟通,严格按照监控指令进行施工。顶推分4级(0→30%→50%→80%→100%)进行,按照对称、同步、分级加载原则进行,每级加载完毕持荷15 min,待位移稳定后方可进行下一级加载。

图6 连续刚构桥中跨合龙顶推实景图

顶推过程中,测量主墩0#块中心点、合龙段两悬臂端高程和位移,并做好记录。

4.3 合龙口临时锁定

顶推完成后,向监控部门反馈同意后,停止顶推,千斤顶油泵不回油保持稳压,对两悬臂端进行锁定。

合龙锁定时,梁端相对高差不得超过2 cm,相对轴线偏差不得超过1 cm。

合龙锁定在温度稳定的夜间进行,合龙温度应选择17±3 ℃。

临时锁定时,安排人员同时安装组合槽钢1,并将其与组合槽钢2通过连接板4、5焊接锁定(图7),确保焊缝质量满足要求。

图7 劲性骨架设计图

由于劲性骨架不但要承受混凝土温度变化产生的温度应力,还要承受顶推后产生的反力。因此对劲性骨架的焊接质量需要加强检查,确保焊缝饱满,焊接长度满足要求。

劲性骨架锁定后,张拉临时合龙束至50 t并临时锚固(不进行孔道压浆),使骨架受压,之后再安装合龙段模板,绑扎钢筋。然后现浇合龙段混凝土。

5 混凝土浇筑

在中跨合龙段进行混凝土浇筑时,应遵循“平衡、对称、连续浇筑”的原则[9]。具体而言,可以采取以下措施。

(1)平衡原则。在施工过程中,需要保持桥梁两侧的配重水袋中的水重量与正在浇筑的混凝土重量保持平衡。可通过边浇筑的同时,逐渐放出水袋中的水来实现平衡。这样做有助于维持合龙段的力学平衡状态,防止产生过大的不均匀荷载。

(2)对称原则。为了确保合龙段结构的稳定性和对称性,需要在两侧同时进行混凝土浇筑,以保持桥梁截面形状的均匀性。通过对称浇筑,可以减小桥梁结构受到的不对称力和应力,提高结构的整体性能。

(3)连续浇筑原则。在合龙段进行混凝土浇筑时,应尽量避免中断,保持连续性。连续浇筑可以保证混凝土的均匀性和一致性,避免出现冷缝和接缝等问题。

通过遵循以上原则,可以有效控制中跨合龙段混凝土浇筑过程中产生的不均匀荷载和应力,保证合龙段结构的稳定性和安全性。

芦沟河特大桥左幅合龙完毕实景图如图8所示。

图8 芦沟河特大桥左幅合龙完毕实景图

6 结论

在大跨径连续梁桥的悬臂施工中,合龙是关键环节,需要考虑环境因素和结构状态变化,制定严格的合龙方案,以确保合龙质量和桥梁成桥性能。在实际合龙施工中,需要结合具体工程情况,制定合理的合龙方案和细节施工技术。在一些大跨径连续梁桥工程中,采用了多次合龙的方法,通过逐步加长合龙距离和控制浇筑速度等方式,最终完成了整个合龙过程。