大跨径混合梁连续刚构桥钢箱梁施工技术

143摘　要：随着桥梁跨度的不断增加，采用单一材料往往很难在结构的力学性能与经济性之间寻求一个更好的平衡点。本文以某钢－混凝土混合梁连续刚构桥的精确合龙为依托，针对钢－混凝土混合梁的特征进行施工方案的分析以及施工过程中的技术要点进行讨论，介绍了节段悬臂浇注施工技术，整体吊装施工技术，以及线形控制中温度效应的模型计算和合理处置方案。对于类似的桥梁施工，可做参考。关键词：桥梁工程；钢－混凝土混合梁；线形控制；温度效应中图分类号：U448.23文献标识码：B文章编号：1008-0422（2014）08-0143-031工程概况1.1桥梁基本情况该桥主桥桥型布置为(84+200+84)m，采用三孔一联的钢－混混合梁连续刚构桥，如图1所示。中跨跨中80m采用钢箱梁(Q345D)，其余部分主梁采用混凝土结构(C60)，截面采用单箱单室斜腹板截面。主梁混凝土部分纵向按全预应力混凝土结构设计，采用变高梁;主梁钢箱梁部分采用等高梁。主桥按双幅布置，单幅箱梁宽度为15.5m，桥面横坡为2.0%，主桥两侧纵坡为3.5%，竖曲线半径为6400m。主墩处主梁混凝土梁高9.0m，跨中主梁钢箱梁梁高为3.5m。仅在主墩支点和边墩支点上布置横隔板，主墩处横隔板厚度与薄壁墩一致均为1.6m，边墩支点处横隔墙厚度为1.4m。整体钢箱梁为等高钢箱梁，箱梁宽15.5m，桥面板采用正交异性板，在不同部位分别采用U形肋、倒T肋及板肋纵向加劲。箱梁段横隔板间距为3.0m，腹板上开设人孔和体外索管道孔;在两相邻大横隔板中部设置一小横隔板，小横隔板采用倒T截面，下翼缘板件与悬臂根部翼缘板等高，规格为280mm×12mm。整体箱梁两端部在顶、底板及腹板纵肋间设置刚度过渡板。1.2该桥结构特点该桥主桥由于采用大跨径混合梁连续刚构桥，与一般的连续体系桥梁相比，该主桥结构形式具有诸多特点(图2、图3)。1.2.1桥梁采用混合梁连续刚构形式，钢箱梁设置在主跨，主跨钢箱梁达80m，其中75.6m采用整体吊装施工。1.2.2由于主跨并非全部采用钢箱梁，所以在主跨钢箱梁两端要各设置一个钢混结合段，且钢混结合段连接构造复杂，并布置有局部预应力钢束。1.2.3混合梁连续刚构桥由于主跨采用大节段钢箱梁，大幅减轻了主跨自重，为了改善主跨受力情况，保证结构整体刚度，边跨小于主跨的一半。该桥边中跨比γ为0.42，一般混凝土连续刚构桥边中跨比γ的经验数值在0.53~0.57之间。1.2.4梁高较矮，该桥支点梁高为9m，高跨比为1/22.22，一般混凝土连续刚构桥，高跨比多在1/16~1/20。1.2.5墩高较矮，主桥采用双肢薄壁墩，主墩高21.683m，较一般大跨径连续刚构桥矮。1.2.6温度变化，混凝土收缩徐变等复杂因素对结构的应力影响较大，实际成桥状态与合理成桥状态可能存在较大差别，对设计、施工及其施工监控高。较一般大跨径连续刚构桥矮。除此之外，该桥左右幅为布置形式相同的混合梁结构，其特殊的建设条件可能遇到的问更加复杂。根据以往刚构桥的施工方法，结合该大桥上部结构的具体特点，该大桥上部结构采用了如下的施工方法及步骤:(1)采用支架+挂篮悬臂现浇混凝土施工作者简介：夏卫峰（1978-），女，湖南益阳人，湖南省益阳公路桥梁建设有限责任公司工程师，从事公路桥梁施工工作；郭海军（1978-），男，湖南益阳人，湖南省益阳公路桥梁建设有限责任公司工程师，从事公路桥梁施工工作。大跨径混合梁连续刚构桥钢箱梁施工技术LongSpanHybridGirderContinuousRigidFrameBridgeSteelBoxGirderConstructionTechnology夏卫峰郭海军XiaWeifengGuoHaijun图1-主桥桥型布置图(单位:cm)图2-混凝土主梁边跨现浇段一般断面(单位:cm)图3-钢箱梁无横隔板处标准横断面(单位:mm)图4-钢混结合段施工节段(单位:cm)144混凝土箱梁。(2)搭设水中支架现浇边跨段，在边跨达到合龙条件后，完成边跨合龙。(3)对于中跨，采用吊机吊装预制的钢－混凝土结合段，通过劲性骨架把钢－混凝土结合段与混凝土箱梁相连，并浇筑二者间的后浇带。(4)采用整体吊装方法把钢箱梁提升到指定位置后与钢－混凝土结合段相连。本文仅对钢箱梁线形控制方法和施工技术进行详细的介绍和说明。2钢箱梁安装总体思路2.1钢箱梁安装思路该大桥主桥合龙段钢箱梁为长达75.6m的整体结构，施工方法为一次起吊安装就位。如此大的合龙口吊装施工，难点众多，其中如何保证大节段合龙段安装后的桥梁整体线形是施工控制的一大难点(图4)。钢箱梁的线形控制可以分为加工阶段和安装阶段2个阶段，同时这也是大节段钢箱梁施工的整个施工过程中重要环节。其中安装阶段的线形保证，关键在钢混结合段的准确安装，只有在合龙段安装时钢混结合段标高与预测标高一致，在合龙段安装后钢箱梁段的线形才能有所保证。而钢混结合段的标高控制难点就是计算结果中的施工累计位移突变问题，这在前面已作分析。钢箱梁加工阶段的线形控制，要求钢箱梁加工必须按照加工线形加工。钢箱梁的加工线形计算应从工厂无应力状态加工与现场吊装着手考虑，分析2种状态的区别，将施工累计位移准确计算。钢箱梁工厂加工是在胎架上组拼，这种状态为无应力状态组拼，此时的线形也最容易得到保证。钢箱梁现场吊装是采用合龙口两端的桥面吊机起吊，这种两端起吊的状态，对钢箱梁自身而言处于简支梁的状态，这种状态下发生的位移就是起吊阶段应考虑的位移，这个位移也应作为加工线形中预拱度的一部分予以考虑。在钢箱梁吊装完成后，进行体外预应力张拉，二期恒载施工等阶段发生的位移应作为另一部分预拱度值在加工线形中予以考虑。与一般悬臂浇注的混凝土连续刚构桥相比，该桥主桥在合龙段的最大特点就是合龙段过长，由于合龙段过长，采用了特殊的施工方法，导致合龙段累计位移的计算已不能按照常规的连续刚构桥进行。常规的连续刚构桥各节段的累计位移直接从整体模型中提取，由此就可以准确预测结构的变形。而大节段钢箱梁合龙的该大桥，合龙段累计位移计算时，由于激活单元时的边界条件与起吊状态的边界条件完全不同，故不能盲目的采用整体模型中的激活合龙段阶段的位移作为吊装阶段的位移，这是由于结构体系转换引起的模型计算误差，在施工控制过程中应得到准确的识别与修正。2.2合龙温度控制思路该大桥主桥采用混合梁连续刚构桥，温度效应除了对长悬臂时混凝土梁段的立模标高影响较大外，还对合龙段合龙精度有显著的影响。主跨合龙段长达75.6m，合龙时的中跨悬臂长58.2m，在单悬臂状态下吊装合龙如此长的合龙段，温度对合龙精度的影响显著。首先是悬臂较长，在单悬臂状态下，温度的变化导致合龙口大小会发生显著的变化;其次是合龙段过长，在吊装状态下，随着温度的变化，中跨钢箱梁会发生伸长或者缩短。主梁在施工过程中，不可避免的会出现实际温度与设计标定温度存在一定差异，由于工期的原因，也不可能等到环境温度达到理想值时再进行施工。所以准确把握温度影响规律，经过连续观测，寻求最佳合龙时机，是保障本桥高精度合龙的一个重要因素。合龙时温度效应分析的重点与悬臂施工时不同，悬臂施工时温度效应重点关注温度变化对结构变形和温度应力的影响，合龙时主要考虑结构整体升降温对合龙精度的影响。根据地区的年平均气温，在两主墩处于最大单悬臂状态时，即合龙前的阶段，对该大桥主桥进行温度效应分析计算，得到合龙口前端随温度变化发生的水平位移值。此外，随着温度变化，合龙口的标高也发生一定程度的变化，对吊装前及合龙后在温度变化下合龙段钢箱梁接缝处的竖向位移进行计算，计算结果如图5所示。由图5可知，在吊装前及合龙后的同一个点随温度变化的位移值差别较大，这是由于体系发生转换的缘故。在吊装前标高一旦随温度的变化发生变化，在中跨钢箱梁合龙后，与合龙段相接的断面已不能按照原有随温度变化的变形规律变形，而是遵循新的变形规律，这样就会导致线形出现误差。所以在钢混结合段定位时就应观测气温，提供准确的安装标高，在合龙段钢箱梁安装时尽量保持与钢混结合段安装时一致的气温，这样可以将误差减小到最低。3钢箱梁施工工艺3.1钢箱梁的吊装钢箱梁吊装采用桥面吊机整体提升方法，桥面吊机采用三角形桁架结构，桥面吊机布置见图6。吊装钢箱梁时，桥面吊机前支点距离悬臂梁段根部55m处，位于钢-混凝土结合段的混凝土部位上，前支点的中心位于距离钢-混凝土结合面1m处;后锚点距离悬臂梁段根部35m处，位于混凝土箱梁的腹板上方，前、后锚点顺桥向距离为20m。前支点通过钢垫块直接压在结合段的混凝土上，后锚点通过混凝土梁段预埋钢板相连(防止受拉分离)。同时，在一幅桥上，横桥向共设置2台吊机，2台吊机的中心距为7.9m，2台吊机通过4组桁架在横向连接。根据吊机的起吊能力和其支撑结构的尺寸，钢箱梁吊装时在钢箱梁共设置了8个吊点(两端各设置4个吊点)。每端的4个吊点分布在距离梁端最近的2道横隔板位置。每个横隔板布置2个吊点，在截面左右对称、靠近箱梁外腹板处。钢箱梁吊装依靠2台桥面吊机上的8个提升力各2000kN的竖向油缸，提升速度为10m/h。在提升作业时，使用1台计算机进行控制，由1位操作员监测和控制所有千斤顶和液压泵站，实时连续监测每台千斤顶的行程及荷载，在每一行程中，计算机可以对各行程进行自动检测和调节(确保各千斤顶同步);在千斤顶运行前，操作员将每台千斤顶的期望荷载值以及其允许变化幅度输入控制系统。提升过程中，控制系统可以实时连续显示各千斤顶的受力信息，如果某台千斤顶受力值在其允许变化幅度以外，整个系统将自动停止工作。在实际作业中，行程同步性和力的同步性均可以自动调节。钢箱梁整体提升的具体过程如下:(1)将钢箱梁拖运至桥下提升位置，抛锚定位。定位精度为±1m。(2)将吊具下放至钢箱梁吊点处，直至钢绞线松弛为止。将吊具与吊点进行销接。(3)将各竖向油缸逐渐加载至500kN、理论荷载的80%以及直至钢箱梁底部离开驳船0.5m时停止，并对吊点、吊具以及吊架等构件各进行一次检验。若检验通过，则继续进行下一工序。(4)利用计算机控制系统对钢箱梁进行调平；检查各竖向油缸的实际荷载是否在其理论荷载的±10%以内。(5)将计算机控制系统设置为自动提升模式，自动同步提升钢箱梁，直到其顶部距离钢-混凝土结合段悬臂端底部约0.5m高度处停止。在自动提升期间，根据所设定的竖向油缸的最大允许偏差值，计算机控制系统将自动调节油缸的速度，使各油缸同步运行。如果需要，系统控制员可随时暂停运行，对整个系统进行检查和调整。(6)利用位于千斤顶支撑梁下的纵向调位系统，沿纵向调节钢箱梁位置，直至沿桥轴方向居中为止。(7)对钢箱梁的两端同时进行配切。(8)将计算机控制系统设置为自动提升模式，自动同步提升钢箱梁段，直到其顶部与两侧钢-混凝土结合段悬臂端顶部平齐。(9)将计算机控制系统设置为微控模式，利用液压水平调位系统，沿纵向、横向和竖向微调油缸的伸缩，直至钢箱梁与钢-混凝土结合段悬臂端的各个方向匹配精度达到要求为止。(10)根据设计方指定的连接工艺，将钢箱梁与钢-混凝土结合段悬臂端相连接。待接缝连接强度可以承担钢箱梁自重时，逐渐释放竖向油缸荷载。吊装钢箱梁时，桥面吊机三维可调功能主要通过以下6个方面的调整来实现:(1)钢梁的竖向平动调整:通过8个竖向油缸位移调整实现。(2)钢梁的顺桥向平动调整:通过8个纵向调位油缸调整水平位移实现。(3)钢箱梁的横向平动调整:通过2组桥面145吊机上的8个横向调位油缸施加同步位移实现。(4)钢箱梁端面的倾角调整:通过2组吊机中各4个竖向调位油缸施加竖向反方向位移实现。(5)钢箱梁绕轴线转动角度调整:通过8个竖向调位油缸中一侧腹板上方的4个油缸与另一侧腹板上方的4个油缸施加竖向反方向位移实现。(6)钢箱梁绕竖直方向转动角度调整:通过2组桥面吊机上的横向调位油缸施加反向位移实现。1组主桁架结构上的3个方向调位的油缸布置见图7。3.2钢箱梁合龙口切口量钢箱梁合龙口切口量是依据合龙口端面的变形来确定的，合龙口端面的变形主要来自结构吊装时的变形和温度引起的结构伸缩2个方面。在吊装钢箱梁大节段时，由于吊装节段的重量较大，会在吊装梁段以及支撑梁段的端部产生较大的变形。经计算分析，支撑梁段在吊机荷载作用下结合段端部发生竖向变形，引起结合段端部截面转动，转动角度为0.059°，使得截面底板相对于顶板缩短3.60mm；钢箱梁段在两端共8个吊点吊装时，钢梁的跨中下挠，使得钢梁的端部截面发生转动，转动角度为0.055°，得到截面底板相对于顶板伸长3.36mm。吊装梁段和支撑梁段端部的变形量比较接近，而且变形的形式互补。如果钢箱梁与钢-混凝土结合段采用2个合龙口同时焊接时，其中温度变化引起的结构变形考虑±10℃的影响，在升温10℃时，由于混凝土伸长引起结合段梁端的伸长量为6mm，钢箱梁在2个梁端各自的自由伸长为4.8mm，合龙口的相对变形为10.8mm；在降温时数值相反。再考虑切割通常产生8mm的误差，则需预留的切口量为18.8mm，初步取20mm。如果钢箱梁与钢-混凝土结合段采用先合龙一端，后焊接另外一端的合龙口时，其中温度变化引起的结构变形考虑±10℃的影响，在升温10℃时，由于混凝土伸长引起的2个结合段梁端的伸长量各为6mm，钢箱梁在一个梁端的自由伸长为9.6mm，合龙口的相对变形为21.6mm；在降温时数值相反。再考虑切割通常产生8mm的误差，则需预留的切口量为29.6mm，初步取30mm，该值对于合龙口的焊接有一定难度。按此方法合龙，考虑±5℃的影响，则需预留的切口量为18.8mm，初步取20mm，该值对于合龙口的焊接比较合适。由此可见采用钢箱梁在两端同时合龙，还是先合龙一端后再合龙另一端，应根据钢箱梁合龙时的温度变化情况而定。在确定最终的切口量时，应严格关注合龙时的天气温度变化情况，并根据监控的混凝土梁段和钢箱梁段随温度变化规律确定最终的合龙切口量。初步推荐采用两端同时焊接的方法，温差控制在±5℃以内。钢箱梁节段在工厂制作时，梁段两端均留有200mm配切余量，并根据预拼装情况划好理论余量切割线。在钢-混凝土结合段吊装就位、相对位置满足要求后，即可对合龙口长度及两侧标高进行监测，每间隔1~2h测量1次合龙口间距及相邻箱梁的标高，连续72h测量合龙口的长度及大气温度，确定合龙时间。根据实测数据在大节段的两端标记实际配切时的切割线，标记切割线应以两端已划好的理论余量切割线为基准。配切余量时，沿切割线将大节段两端的余量同时切割，两端切割的顺序应相同，即先配切底板余量，再配切腹板余量，最后配切顶板余量。3.3钢箱梁的连接钢箱梁的桥上连接是指大节段钢箱梁吊装就位后，在形成整体钢箱梁过程中完成的焊接及相关作业。主要包括大节段间顶板U形肋、腹板、底板的焊接，顶板环缝的焊接、桥面附属件的现场安装和焊接等。待大节段余量切割及坡口开设后，根据吊装方案进行吊装，当大节段分别与两侧钢-混凝土结合段顺接时用强马板(采用20mm以上钢板，设置在内腹板及顶板部位)临时固定，并及时进行两侧拼缝的马缝焊接。马缝焊接一般选择在夜间完成，焊后立即打底，随后即可拆除强马板。钢箱梁合龙口焊接方法和顺序如下:(1)定位焊采用手工焊或CO2气体保护焊。(2)先焊接环形接头对接焊缝，待无损检验和产品试板都合格后再组焊嵌补件。对接焊缝焊接顺序为先施焊底板对接焊缝，再施焊腹板对接焊缝，最后施焊顶板对接焊缝。(3)顶、底板对接焊缝采用CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充、盖面。顶板环焊缝从桥中轴线向两侧对称施焊。顶、底板各安排2个焊工焊接，桥中轴线两侧各安排1个焊工，做到对称同步打底焊。顶、底板打底焊后，用2台埋弧自动焊机(2个焊工)对称焊接顶、底板盖面焊缝，做到对称同步焊接。(4)待环焊缝外观检验、无损检测和产品试板均合格后，组焊U肋和加劲板嵌补件。嵌补件从桥中线向两侧同时对称焊接。每一嵌补件按先对接后角接的顺序施焊，即:先焊一端的对接焊缝，另一端自由收缩(采用活马)；然后焊接另一端对接焊缝;最后焊接嵌补段角焊缝(嵌补件与顶板、底板、腹板间的焊缝)。(5)嵌补件组焊后，拆除箱内临时连接件，将箱内有连接处的刚性过渡板焊接。4结语该大桥主桥钢箱梁采用整体提升安装施工，根据现场4月15日以后的连续温度观测情况，4月18日合龙时温度变化在±5℃范围内，结合现场的焊接情况确定采用两端同时焊接，每端的合龙切口量为18mm。该桥2幅钢箱梁的吊装和连接已顺利施工完成，施工过程中各项工序进展顺利。4.1大跨径混合梁连续刚构桥合龙段钢箱梁制造线形应以实际吊装状态为依据进行计算，并在此基础上综合考虑合龙后至成桥阶段的结构变形。4.2通过对温度变形的修正，可以有效控制由于温度变形对钢箱梁合龙精度的影响，为合龙过程中的温度控制及合龙精度控制提供依据。参考文献:[1]聂建国.钢－混凝土组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社，2011.[2]徐国平，刘高，吴文明，等.钢－混凝土结合部在桥梁结构中应用新进展[J].公路，2010(2):18-22.[3]邵旭东.桥梁工程[M].2版.北京:人民交通出版社，2007.[4]杨昀，周列茅，周勇军.弯桥与高墩[M].北京:人民交通出版社，201.[5]华渝生.重庆石板坡长江大桥复线桥工程[M].重庆:重庆出版集团，2008.[6]公路桥涵施工技术[S].图5-合龙段钢箱梁接缝处随温度变化的竖向位移图6-桥面吊机布置图7-油缸布置