王敏 ,劉景紅 , 張永濤
(1.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040;2.中交第二航務(wù)工程局第二工程有限公司,重慶 404100;3.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司,湖北 武漢 430040)
節(jié)段預(yù)制拼裝和體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的綜合運(yùn)用,是現(xiàn)代混凝土橋梁工業(yè)化的發(fā)展方向之一。在橋梁的發(fā)展歷程中,隨著制造技術(shù)的進(jìn)步,環(huán)保意識的提高,對耐久性的重視以及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的積累,工程師們對“原位現(xiàn)澆”與“節(jié)段預(yù)制拼裝”、“體內(nèi)預(yù)應(yīng)力”與“體外預(yù)應(yīng)力”反復(fù)進(jìn)行著實(shí)踐和探索?!肮?jié)段預(yù)制拼裝”和“體外預(yù)應(yīng)力”技術(shù)也在經(jīng)歷“肯定—否定—重新肯定”的螺旋式發(fā)展過程。近30 a來,歐美、日本等國對“節(jié)段預(yù)制拼裝”和“體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)”的研究十分重視,新建的混凝土梁橋多以這些技術(shù)為核心[1]。
近幾年,短線預(yù)制施工工法在我國應(yīng)用逐漸增多,蘇通長江公路大橋、廈門集美大橋、上海祟啟大橋、南京四橋、嘉紹大橋等工程項(xiàng)目都采用該項(xiàng)技術(shù)。但這些項(xiàng)目中,除南京四橋外,其余橋梁結(jié)構(gòu)線形變化相對簡單,平曲線半徑較大,不存在緩和曲線段,箱梁斷面未有扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而南京四橋系采用逐孔懸掛拼裝,其預(yù)制、安裝難度均小于廈漳大橋。相對廈漳跨海大橋70 m跨徑空間扭曲箱梁技術(shù)研究,在國內(nèi)尚未見相關(guān)研究成果,因此,廈漳跨海大橋緩和曲線超高段節(jié)段預(yù)制安裝施工關(guān)鍵技術(shù)是值得深入研究的課題。
廈漳跨海大橋工程起于在建的廈門至成都國家高速公路(廈門海滄至漳州天寶段)青礁樞紐互通,跨廈門灣經(jīng)海門島,止于漳州龍海后宅。廈漳跨海大橋北汊南引橋K3+795~K6+007.4段,為雙幅70 m和66.7 m連續(xù)箱梁橋,采用短線匹配預(yù)制、拼裝設(shè)計(jì)與施工,且位于R=1 690 m的平曲線上。箱梁截面為單箱單室結(jié)構(gòu),梁高3.8 m,頂寬15.9 m,底寬6.7 m,共有節(jié)段數(shù)量1 332榀,見圖1。
圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置圖
與國內(nèi)類似工藝建設(shè)的橋梁相比,廈漳跨海大橋節(jié)段預(yù)制拼裝的難點(diǎn)在于:
1) 自里程樁號 K3+799.708~K3+940.333和K4+838.868~K4+979.493段,設(shè)有緩和曲線超高段,其橫坡值從-2%到3%,最大變幅為5%。超高段采用箱梁結(jié)構(gòu)扭曲調(diào)整,而非橋面輔裝調(diào)整方式,因而導(dǎo)致該段內(nèi)的箱梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象,使得梁段橫斷面尺寸產(chǎn)生變化,這與以前的短線匹配法流水作業(yè)的作業(yè)原理即在相同的模板系統(tǒng)內(nèi)完成多榀或全部梁段的預(yù)制相違背;同時(shí),梁段的扭曲帶來了控制數(shù)據(jù)的微變,即平面控制點(diǎn)和標(biāo)高控制點(diǎn)位置偏移。實(shí)現(xiàn)該緩和曲線超高段的梁段預(yù)制、拼裝,同時(shí)保證施工線形精度,進(jìn)而拓展該項(xiàng)工法的應(yīng)用范圍是非常有意義的。
2) 廈漳跨海大橋K3+940.333~K4+838.868段為半徑1 690 m的圓曲線。1 690 m的平曲線半徑對于一般的橋梁結(jié)構(gòu)而言,其曲線半徑足夠大;但對于跨徑為70 m的節(jié)段拼裝式橋梁,則其屬于小曲線半徑。用于廈璋跨海大橋70 m跨的節(jié)段的拼裝架橋機(jī),其長度至少須大于140 m(二跨橋長),此時(shí)的曲線中矢距達(dá)1.45 m,如何保證架梁時(shí)的橫向梁段就位以及克服邊跨懸掛時(shí)的架橋機(jī)偏載、架橋機(jī)過跨的擺位問題是非常值得研究的課題。
空間扭曲箱梁節(jié)段預(yù)制的難點(diǎn)在于通過對節(jié)段幾何尺寸的控制獲得期望的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型。匹配節(jié)段精確設(shè)置,需要嚴(yán)格的幾何控制、澆注現(xiàn)場精確調(diào)位和熟練的測量人員,而其硬件則直接通過模板系統(tǒng)來體現(xiàn)。主梁橫坡最大變幅為5%(橫坡值從-2%變化到3%),設(shè)計(jì)標(biāo)高處梁寬15 m,超高里程內(nèi)梁段超高值為750 mm,按最大預(yù)制節(jié)段長度4 m考慮,單節(jié)梁段兩端高差值為22 mm,如圖2(a) 所示。扭轉(zhuǎn)后箱梁各部位位移參數(shù)如表1。因此在預(yù)制過程中,多功能半剛性模板系統(tǒng)底模應(yīng)具有一定柔度,其剛度在滿足常規(guī)梁段預(yù)制的前提下,又能適應(yīng)表1變形的要求(底板可調(diào)整成空間曲面,其中1點(diǎn)低于或高于其他3點(diǎn)形成的平面16 mm)。箱梁在緩和曲線超高段呈一個(gè)扭面,其中1個(gè)點(diǎn)與其余3點(diǎn)所形成的平面有一定高差,最大差值22 mm。即要求通過底模臺車調(diào)整底模時(shí),匹配梁端的底模其中1點(diǎn)必須能滿足低于或高于其余3點(diǎn)所形成的平臺最大值22 mm要求。研發(fā)出的自動化模板系統(tǒng)通過ANSYS建模計(jì)算分析,計(jì)算圖示如圖2(b)所示。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,在頂升點(diǎn)頂升或降低22 mm時(shí)模板4個(gè)支點(diǎn)受力方向一致,說明當(dāng)匹配梁段調(diào)整超高值到位后,利用底模在自重作用下的彈性變形,即可實(shí)現(xiàn)通過臺車豎向千斤頂調(diào)整底模,與匹配梁段底面貼合。
圖2 空間扭曲箱梁節(jié)段預(yù)制半剛性模板
表1 扭轉(zhuǎn)后箱梁各部位位移變形值 mm
普通直線或者大半徑圓曲線箱梁采用架橋機(jī)懸臂安裝時(shí),橋軸線與架橋機(jī)軸線基本重合或者軸線偏位較小,在架橋機(jī)起重天車的橫向移位的可調(diào)整范圍0.5 m內(nèi),安裝過程中不需要橫向移位,安裝較簡單;而對于廈漳跨海大橋1 690 m的小半徑圓曲線箱梁安裝,橋軸線與架橋機(jī)軸線存在較大的軸線偏位,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了架橋機(jī)自身的橫向移動范圍(在架橋機(jī)長度內(nèi)、曲線中矢距達(dá)到了1.44 m,如圖3),為了使架橋機(jī)在自身的橫向移動幅度內(nèi)能夠完成曲線段箱梁節(jié)段安裝,在安裝過程中需要不停的根據(jù)橋軸線橫向移動或平面旋轉(zhuǎn)架橋機(jī)軸線方向,減少各工況下起重天車的橫向移動幅度,使其能夠在自身橫向移位范圍內(nèi)完成曲線段箱梁安裝。
本項(xiàng)目研發(fā)出的集機(jī)、電、液一體的自動化預(yù)制節(jié)段拼裝架橋機(jī)設(shè)備解決了在圓曲線半徑1 690 m上安裝70 m跨箱梁的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題:
圖3 平曲線半徑為1 690 m的橋機(jī)中矢距示意圖
1) 架橋機(jī)在T構(gòu)懸拼、0號塊安裝、前懸掛、后懸掛、架橋機(jī)過跨等各種工況下,既確保了架橋機(jī)能在自身范圍內(nèi)完成曲線段箱梁安裝,又能保證架橋各工序的銜接連貫性;
2)對稱懸拼和0號塊安裝時(shí),架橋機(jī)由3個(gè)支點(diǎn)(前支腿、中支腿、后支腿)支撐,要同時(shí)橫向移動后支腿和前支腿才能達(dá)到架橋機(jī)軸線橫向預(yù)偏位,本架橋機(jī)實(shí)現(xiàn)了三點(diǎn)支撐的超靜定架橋機(jī)體系橫向移位;
3)解決了在小半徑曲線段箱梁邊跨懸掛安裝時(shí),因箱梁與架橋機(jī)軸線的不重合,從而使得梁段對架橋機(jī)主桁架產(chǎn)生不均衡受力的偏載現(xiàn)象,同時(shí)架橋機(jī)前、中、后支腿橫向移動時(shí)可能存在的不同步性,對架橋機(jī)產(chǎn)生較大扭矩等不利于安全的問題。
本工程與其他短線法工程預(yù)制階段施工控制的不同之處在于,第一聯(lián)及第三聯(lián)的緩和曲線段內(nèi)均存在橫坡逐步變化的超高曲線段。以圖4中線段交點(diǎn)處橫線的坡度來擬合超高節(jié)段的橋面橫坡,新澆節(jié)段的頂面應(yīng)為雙曲面。超高段節(jié)段預(yù)制時(shí),新澆節(jié)段端模位置不動并使其與節(jié)段軸線垂直,在匹配節(jié)段匹配面頂?shù)闹悬c(diǎn)標(biāo)高、平面位置調(diào)整到位后,以匹配節(jié)段匹配面頂?shù)闹悬c(diǎn)為基點(diǎn),將匹配節(jié)段的匹配面橫向轉(zhuǎn)動傾角γ,見圖4(a)。為了使模板系統(tǒng)適應(yīng)節(jié)段外形變化,必須按要求消除限制其扭轉(zhuǎn)的多余約束[2]。
高程控制點(diǎn)偏離其理論位置,將形成高程誤差和接縫面橫坡誤差△αi,如圖4(b)。值得注意的是,假定理論節(jié)段頂面為一個(gè)平面,若高程控制點(diǎn)誤差發(fā)展方向與圖中類似,則此時(shí)箱梁頂面成為一個(gè)翹曲的雙曲面,4個(gè)高程控制點(diǎn)很難恰巧處于同一個(gè)平面內(nèi)。一旦節(jié)段預(yù)制后,由于節(jié)段幾何尺寸不可調(diào),這種誤差可能使匹配節(jié)段控制點(diǎn)于調(diào)整后仍無法同時(shí)處于其理論位置上,對調(diào)整方案起到很大的約束作用。所有糾偏方法應(yīng)考慮這種誤差帶來的不利影響。在實(shí)際施工過程中,節(jié)段預(yù)制后同時(shí)產(chǎn)生水平控制點(diǎn)誤差和高程控制點(diǎn)誤差。因此,節(jié)段空間位置的偏離將是以上兩種情況的耦合。
圖4 空間扭曲箱梁節(jié)段超高預(yù)制
考慮到廈漳跨海大橋空間扭曲箱梁的特殊性,對預(yù)制節(jié)段控制點(diǎn)誤差修正采用一種優(yōu)化調(diào)整方案,不在下一節(jié)段澆筑中一次修正,而是在之后若干個(gè)節(jié)段澆筑過程中,逐步加以修正。這種調(diào)整方案的目的是使誤差得到優(yōu)化(如圖5所示),使控制點(diǎn)位置在后續(xù)若干個(gè)節(jié)段澆筑后達(dá)到理論位置,并保證節(jié)段銜接光滑性[3]。
圖5 預(yù)制逐步修正法示意圖
在空間扭曲箱梁預(yù)制節(jié)段的安裝控制過程中,施工控制考慮了吊裝不平衡性的影響,做到精確匹配就位,同時(shí),研究了采取措施控制克服偏重,確保成橋線形與設(shè)計(jì)線形吻合。最終使“T”構(gòu)懸臂端標(biāo)高方向誤差控制在10 mm內(nèi),安裝精度符合要求。選取實(shí)際N16號墩“T”構(gòu)安裝誤差如圖6所示。
圖6 N16號墩“T”構(gòu)安裝誤差圖
節(jié)段預(yù)制拼裝是混凝土橋梁的工業(yè)化發(fā)展方向,與量大面廣的現(xiàn)澆混凝土梁橋相比,節(jié)段預(yù)制拼裝和體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國應(yīng)用還不普遍。其規(guī)?;?biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)方式,要求精心管理、精心設(shè)計(jì)和精心施工。在廈漳大橋引橋的建設(shè)過程中,通過管理、設(shè)計(jì)、施工科研等各方的通力協(xié)作,因地制宜地對預(yù)制、運(yùn)輸、拼裝過程及工藝進(jìn)行了優(yōu)化,研究成果對于推動我國節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)的進(jìn)步起到了積極的作用。
[1] 葛耀君.分段施工橋梁分析與控制[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2] 李惠生,張羅溪.曲線梁橋結(jié)構(gòu)分析[M].北京:中國鐵道出版社,1992.
[3] 李建斌,楊慶中,石現(xiàn)峰.預(yù)應(yīng)力混凝土曲線連續(xù)梁橋分階段施工的工程控制[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2001(1):37-40.