镇江京杭运河特大桥主跨(90+180+90)m连续梁拱施工技术

刘利军

(中交三公局第一工程有限公司,北京 100102)

拱梁组合式桥梁,以梁式桥为外部条件,拱的水平推力由水平预应力束承担[1],避免了传统混凝土拱桥在拱座处水平推力过大的风险。钢管混凝土作为钢与混凝土的组合结构,能够充分利用这两种材料的优点[2-3]。钢管混凝土应用于拱桥结构中同时解决了拱桥材料高强化和拱圈施工轻型化两大问题[4]。将高强度等级的混凝土灌注在高强钢管内,一方面借助内填混凝土提高钢管受压的稳定性,提高钢管的抗腐蚀性和耐久性；另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用,提高了混凝土的抗压强度和延性[5]。在施工方面,钢管混凝土可利用空钢管作为劲性骨架甚至模板,施工吊装质量轻,进度快,施工用钢量小[5]。在我国,1990 年建成第一座钢管混凝土拱桥—四川旺苍东河大桥,该桥为跨径110 m的下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥。近年来梁拱组合结构发展很快,短短二十几年的时间成功建造了上百座该类型的桥梁,2004年4月份建成通车的重庆巫山长江大桥主跨为460 m[6-7]。近七八年来,随着客运专线和高速铁路的大量建设,梁拱组合桥型也被大量采用[8],我国大跨径钢管混凝土拱肋的建桥技术,己经处于世界领先地位[9]。钢管混凝土拱桥在我国的兴建方兴未艾,跨径在不断突破,形式在不断创新,技术在日益提高[10]。结合京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥,详述其施工关键技术。

1 工程概况

京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥位于江苏省镇江市,主桥在丹徒区辛丰镇北於村以(90+180+90) m的连续梁拱跨越京杭大运河,本段运河原为四级航道,本桥施工时也正在进行三级航道的拓宽工程,桥位处河道弯曲,主桥与河道主流交角45°。

上部结构为(90+180+90) m的预应力混凝土梁钢管拱组合结构,采用先梁后拱的成桥工艺。主梁为预应力混凝土单箱双室变截面箱梁,跨中梁高4.5 m,中支点处梁高10.0 m,梁底按圆曲线变化。箱梁顶宽14.2 m,箱梁设18道吊点横梁。主梁设三向预应力筋。纵向钢索均采用两端张拉,真空压浆。

拱肋跨度180 m,拱肋为钢管混凝土结构,哑铃形截面,截面高度3.1 m。拱肋弦管及腹板内填充微膨胀混凝土。两榀拱肋间横向中心距为11.9 m。拱肋钢管采用工厂分节段制作,现场拼装。两榀拱肋之间共设9道横撑。吊杆顺桥向间距9 m,全桥共设18组双吊杆。吊杆采用PES(FD)7-61型低应力防腐拉索(平行钢丝束),配套使用LZM7-61型冷铸镦头锚。

主桥立面布置和成桥图分别如图1、图2所示。

图1 主桥立面布置

图2 主桥成桥实景

2 施工方案

主墩位于镇江京杭大运河岸边,施工时先筑岛施工钻孔桩,再插打钢板桩围堰施工承台。基础钻孔桩采用冲击钻机施工,承台采用预埋冷却水管法浇筑大体积混凝土。上部结构采用“先梁后拱”的施工方法,主梁0号块利用临时支墩搭设施工托架,一次性浇筑混凝土后安装全液压挂篮,利用挂篮悬臂浇筑主梁；边跨现浇段采用支架现浇,中跨合龙段采用吊架法施工；拱肋采用工厂分节段制作,运至现场利用支架进行拼装；拱肋混凝土采用对称压注；吊杆采用人工配合吊车进行安装,再按要求调整索力。

3 施工关键技术

3.1 大直径深孔钻孔桩

主墩桩基直径2.2 m,桩长67.5 m,入弱风化岩层深度25 m。根据桩基特点选用了冲击钻机钻孔,钻头呈梅花形,钻头直径2.2 m,重力100 kN,泥浆法护壁,钻进过程中经常检查孔位偏差、钻头磨损和泥浆比重的各项指标,及时检查成孔质量和调整泥浆比重。

钢筋笼由于自重较大,为了保证不变形，加工时每2 m设置φ32 mm“十字”筋1道。钢筋笼主筋间采用直螺纹套筒连接,为保证上下节钢筋笼连接时产生的对位偏差(即同一根主筋的左右错位和上下错位偏差)满足要求,采用卡板刻槽成型制作的办法来消除主筋在加强圈布置上的横向偏差。钢筋笼主筋的纵向偏差控制,采取分段连续预拼法。吊装过程中,为防止钢筋笼变形采用铁扁担,当上下两节笼在同一铅垂线上时,对正位置拧好直螺纹套筒。

采用导管法灌注水下高性能混凝土,超声波检测法检查成孔质量。

3.2 承台大体积混凝土

承台为双层承台,底层承台尺寸24 m×16.5 m,开挖深度7.5 m。采用钢板桩护壁开挖,经过检算钢板桩采用12 m长拉森Ⅳ型钢板桩,中间设置围囹2道,开挖时采用1台大挖掘机配合2台0.4 m3的小型挖掘机进行施工。混凝土浇筑采用泵送法,内部布设冷却水管和“双掺”控制水化热技术防止裂缝。

3.3 0号块一次浇筑

0号块长17 m,加强块处宽16.5 m,与1号块连接处宽14.2 m,支座处高10 m,端部高9.173 m。采用C55混凝土,共计1 500 m3。采用自行设计的1.6 m×1.9 m的矩形临时支墩,2次变截面后与梁体固结,不仅加大了临时支墩截面积,提高了连续梁悬灌施工的安全系数,而且施工也比较简单,预埋件容易安装,更重要的是采用临时支墩的变截面设计,大幅度减少了牛腿悬挑部分的荷载,增加了0号块施工过程中托架的稳定。在临时支墩顶部采用组合钢构横梁及支墩侧面预埋钢板焊接牛腿来支撑0号块底模支架。0号块托架利用墩旁的钢筋混凝土临时支墩预埋牛腿,搭设型钢托架,墩顶部分考虑到空间较小,采用了砖砌体内填充细砂,水密后顶部浇筑1层细石混凝土作为底模。0号托架结构见图3。

图3 0号块托架示意(单位：mm)

为避免0号块分次浇筑产生接缝影响美观和受力,采用了一次成形技术。采用2台泵车同时浇筑,由于梁段较高,在浇筑底板、腹板混凝土时,采用泵软管伸入箱梁腹板下部和腹板开窗的浇筑方案。

在腹板内模处每隔2 m开一进人孔和捣固孔,待混凝土灌注到该处后再按要求连接,将模板孔洞封严。每个入模点都设置软管或串筒,保证混凝土入模均匀、不离析,各处平衡。

3.4 全液压菱形挂篮悬臂浇筑

主梁共分79个梁段,梁拱结合部0号梁段长17 m,中孔K20号合龙梁段长3 m,边孔K21′直线梁段长6.8 m,其余梁段长分3、3.5、4、4.5 m 4种。主梁除0号梁段、K21′梁段在支架上施工外,其余梁段均采用挂篮悬臂浇筑。

施工挂篮采用简易菱式,3片主桁。挂篮走行为整体液压推动,一次性到位。底主锚为φ70 mm(40Cr)圆钢制作,其余悬吊锚固杆均为φ32 mm精轧螺纹钢。挂篮内外模均为液压缸控制脱落模。主要由主桁系、底模系、外模内模系、前吊系、底锚系、走行系和施工平台组成。该挂篮承载能力和刚度大,机械化程度高,操作方便快捷、安全可靠。挂篮自重1 000 kN。

挂篮悬臂浇筑施工工艺为：走行挂篮→挂篮就位→调整挂篮底模、外模高程并固定→安装顶板以下端头模板,固定底板,腹板锚具→绑扎底板、腹板钢筋,安装底板、腹板波纹管和竖向钢筋→内模就位,安装顶板端模,固定顶板锚具→绑扎顶板钢筋,安装顶板纵横向波纹管→对称浇筑梁段混凝土→养护→穿束张拉压浆→进入下一梁段的施工循环。

3.5 主梁线形控制

为了保证主梁的施工质量,施工过程对应力和线形进行双控,主要采用了线形监控测试系统和应力监控测试系统。线形监控测试系统主要采用电子水准仪和全站仪对每一节段上布设的测试点的三维坐标的观测,与理论计算数据进行比较,及时进行调整,确保成桥线形满足设计要求，主梁预抛高理论与实际设计值对比见图4。应力监控测试系统通过在主梁根部、18跨、14跨、1/2跨等部位埋设应变片,通过应力监测,再与理论计算应力进行比较,保证结构状态安全、稳定,成桥受力符合设计意图。

图4 主梁预抛高理论与实际设计值对比

主梁施工过程中,高程控制良好。主梁理论高程与实测值均小于12 mm,满足设计及连续梁控制要求。应力变化最大的工序为混凝土灌注加载预应力荷载施加工序,挂篮荷载移动引起的截面应力变化较小；截面在各施工阶段中应力变化相同；同部位测点应力变化均匀,应力测试准确；截面实测值与理论值绝对差值较小,荷载施加准确,混凝土灌注和预应力张拉质量控制良好。

两个中墩侧的主梁高程变化基本相同,合龙条件较好,梁体各阶段的理论高程与实测高程较为吻合,连续梁成形时,边跨理论高程与实测高程差值均小于10 mm,中跨略高于边跨。主梁合龙后及桥面系施加完成后主梁理论与实测高程对比分别见图5、图6。主梁实测上缘应力均略小于理论计算值,绝对差值约1.3 MPa,下缘应力略高于理论值,差值约0.8 MPa。连续梁成桥时,各测试截面的理论应力与实测应力较为吻合,连续梁成形质量良好。

图5 主梁合龙完成后理论与实测高程曲线

图6 桥面系施加完成后主梁的理论与实测高程曲线

3.6 拱肋拼装

拱肋分段在工厂制作,半跨预拼合格后运至工地支架原位拼装的施工方法。连续梁施工完毕后,于桥面搭设拼装拱肋用临时支架,用汽车吊上桥将钢管拱拱肋逐段吊装到支架上进行焊接拼装。合龙后拆除临时支架。

拱肋安装支架采用钢管作为立柱,立柱高度超过25 m时，采用纵横向联系桁架保证整体稳定性。

拱肋分段按照制作方案分为19节,拱肋最大吊装重力小于190 kN,横撑最大吊装重力小于120 kN,每段拱肋、横撑需焊吊耳,安装后割掉并打磨平整,拱肋及横撑安装按从两边向跨中的顺序进行。根据起吊重力和回转半径选择2台500 kN吊机和2台700 kN吊机配合吊装。利用2台吊机吊装拱肋节段,一方面可以分散吊重,另一方面可以方便的调整拱肋位置。钢管拱合龙节段,在加工时预留5 cm的富余量,在吊装合龙节段时,先在前一天的相同温度条件下,测量出合龙口的精确长度,现场采用氧气乙炔割枪手工切割,并按图纸要求采用手砂轮将切割端打磨出坡口,以上工作完成后,在第2天相同温度条件下进行合龙节段的安装。钢管焊接方法采用内壁贴钢板衬垫二保焊打底填充盖面(其中二保药芯焊条打底,实心焊条盖面),焊缝达到一级要求。对焊缝采用100%的超声波检测和不少于10%的X射线探伤以及外观检查。

3.7 拱肋混凝土填充

拱肋中填充C50微膨胀混凝土共计926 m3。

(1)混凝土泵送方案

根据设计,每条拱肋上下弦管各设隔仓板1处,腹板内设隔仓板3处,并在隔仓板附近开设出浆孔,压浆孔直径φ125 mm,出浆孔直径增加至φ150 mm。至拱肋混凝土采用从低处往高处的连续顶升施工,弦管内混凝土采用一级泵送,腹板内混凝土采用两级泵送。因桥下距拱顶近37 m高,泵送混凝土时采用4台HB90的地泵,配备12台混凝土运输车。

(2)混凝土泵送程序

根据设计要求,泵送混凝土的速度应协调一致,遵循对称、均匀的原则。泵送顺序为先上管、后下管、再腹板,当上一环混凝土达到设计强度的90%后,才可泵送下一环混凝土。具体泵送混凝土施工程序如下：

左右侧线上弦管→左右侧线下弦管→左右侧线腹板下段混凝土→左右侧线腹板上段混凝土,混凝土采用4台地泵对称压注。同时备用2台输送泵。

3.8 吊杆张拉及索力调整

全桥共设18组双吊杆,吊杆材料采用PES(FD)7-61型低应力防腐拉索,外套复合不锈钢管,配套使用LZM7-61型冷铸墩头锚,吊杆间距为9 m。

(1)施工方案

吊杆采用汽车吊吊起后,拱肋预留钢管中穿出至连续梁的桥面吊杆横梁下进行锚固,逐根穿好后,开始进行吊杆张拉的准备,当全桥吊杆索张拉完毕后,根据监控数据进行吊杆索索力调整。

(2)施工流程

吊杆索进场→拱肋混凝土达到设计值的90%后安装吊杆索→吊杆索初次张拉,索力调整→解除边孔压重→桥面系施工→张拉中跨顶板束并压浆→张拉吊索并调整至设计值。

3.9 施工过程仿真分析

施工过程仿真分析采用MIDAS/CIVIL2006,为了更准确的模拟施工过程,计算采用多个模型完成。主梁悬臂灌注施工模拟主要采用梁单元模型(图7)。连续梁成桥后,为了准确获得后续施工阶段主梁的局部应力状态,采用实体单元来模拟主梁,拱肋钢管采用梁单元模拟,进行钢管内混凝土灌注加载分析(图8、图9)。吊杆张拉控制力优化计算采用实体元—钢管混凝土组合梁单元-拉压桁架单元组合模型模拟(图10)。多个计算模型的结果进行叠加,获取准确的结构应力及变形状态。为了准确计算本桥的吊杆张拉控制力,避免繁琐的调索工序,节约宝贵的工期,必须对吊杆张拉控制力进行计算。吊杆张拉力优化计算模型从连续梁、钢管混凝土拱肋成形时开始。以成桥状态下吊杆张拉力设计值为目标进行反复迭代计算,直至满足设计要求位置。

4 结语

镇江京杭运河特大桥为京沪高速铁路重点控制工程之一,主桥上部结构采用连续梁拱,桥外观优美、轻巧,横跨在京杭运河上与周围景色融为一体,相互辉映。通过施工过程中对关键施工技术的研究和加强施工控制,使得成桥线形和受力状态满足了设计意图,该关键技术能够为以后类似桥梁的施工提供技术参考和借鉴,为进一步提升我国建造大跨度无砟轨道桥梁水平奠定了更坚实的基础。

参考文献：

[1] 金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁设计研究与实践[M].北京：人民交通出版社,2000:1-13.

[2] 陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社,2002:3-25.

[3] 项海帆,姚玲森.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社,2001: 12-58.

[4] 吴方明.我国大跨度高速铁路桥粱行车性能研究[J].桥梁建设,2004(3) :58-62.

[5] 莫悒.青藏铁路跨拉贡公路连续梁-拱组合结构桥设计[J].铁道工程学报,2001(2)：69-75.

[6] 朱志荣.野芷湖大桥连续梁拱组合主桥设计[J].铁道标准设计,2008(8)：41-43.

[7] 罗世东,严爱国,刘振标.大跨度连续钢构柔性拱组合桥式研究[J].铁道科学与工程学报,2004(2)：57-62.

[8] 吕志涛.高速铁路桥梁建设中的结构问题[J].建筑科学与工程学报,2006(3):37-41.

[9] 文望青.高速铁路桥梁实现跨越功能的桥式方案设计[J].山西建筑,2008(25)：330-331.

[10] 黄纳新,严爱国,罗世东.温福铁路昆阳特大桥主桥连续梁拱施工设计[J].铁道标准设计,2005(11)：33-36.