80 m钢-混凝土组合桁梁膺架法施工技术

张建科

(中铁一局集团桥梁工程有限公司,陕西渭南 714000)

1 工程概况

西安至平凉铁路位于陕西省中西部和甘肃省东部,全长263.119 km,设计为I级单线,设计车速120 km/h。西平铁路在甘肃庆阳市境内上跨银武高速公路位置设计有1孔80 m钢-混凝土组合桁梁。组合桁梁长82 m,支座中到中距离为80 m,主桁采用无竖杆三角形桁,上、下弦杆节间长度均为10 m,下弦杆长82 m,上弦杆长76 m,上下弦杆中到中距离为9 m,钢腹杆全部采用650 mm×550 mm的矩形钢箱截面。斜腹杆之间采用节点板连接,通过节点板与上下弦钢筋混凝土联结形成整孔桥梁。

组合桁梁混凝土采用C55聚丙烯纤维混凝土。下弦纵向为全预应力结构,上弦及横向受力为钢筋混凝土结构,上下弦混凝土分2次浇筑成型。上弦杆与端横撑分别为1.1 m宽、1.2 m高和1.0 m宽、0.8 m高的矩形钢筋混凝土截面,中横撑为宽0.35 m,高0.59 m的工字钢。下弦梁采用槽形截面,梁高为2.0 m,顶宽9.4 m,梁底宽7.8 m,底板为0.45 m厚纵向预应力钢筋混凝土。80 m钢-混凝土组合桁梁总体布置见图1。

2 施工方案选择及施工难点分析

2.1 方案选择

根据以往桥梁施工经验,并结合现场实际情况比较了3种施工方案[1-4]：膺架原位现浇法、水平转体架设法、纵向顶进架设法。3种施工方案比较见表1。

图1 80 m钢-混凝土组合桁梁结构(单位:m)

表1 施工方案比较

经过比选,膺架法能较好地实现工期、成本和质量控制等目标,优点明显,最终采用。

2.2 膺架原位现浇法施工方案

膺架地基处理→条形基础浇筑→膺架搭设→加载预压→底模精调→预埋件、节点板、腹杆加工→组拼定位→绑扎下弦梁钢筋→安装模板→混凝土浇筑→预应力张拉→搭设上弦梁支架→安装模型、绑扎钢筋→浇筑上弦混凝土，养护→拆除模板、支架及跨路膺架[5-7]。施工方案见图2。

图2 80 m钢-混凝土组合桁梁膺架施工方案(单位:m)

2.3 施工难点分析

80 m钢-混凝土组合桁梁上弦为钢筋混凝土结构,主要承压受力；下弦为单向预应力混凝土结构,以受拉为主,纵向预应力解决了混凝土受拉值偏低的不足；钢桁腹杆主要为轴向拉压受力,矩形钢箱结构性能稳定；腹杆与上下弦混凝土结合的节点部位,受力较为复杂,是全桥结构关键,节点的精确施工及保证钢-混凝土共同受力就显得尤为重要[8]。

(1)节点设计及实体试验。由于钢-混凝土组合桁梁在国内尚属首次应用,节点部位的结构类型和受力形式在设计期间就作为重点课题进行研究,通过多次建模分析并修改完善后,进行了2次同比缩小(1/2比例)的节点实体试验检测,进一步验证了受力时节点内力参数。为解决施工期间节点的精度控制和掌握工艺要点,施工前在工地按照与实物同比大小加工节点构件模型,模拟施工方案进行节点操作工艺试验,由设计、监理、施工等多方单位逐工序进行检查指导和现场验收讨论,成型后进行会议论证和工艺总结,形成作业指导书,为新型桥梁施工提供作业指导。

(2)拼装线形和精调定位。80 m跨钢-混凝土组合梁根据恒载及静活载挠度计算,下弦梁跨中预设66 mm上拱度,向梁端按二次抛物线变化。各节点高程随预拱度及膺架弹性变形值大小各不相同,由于钢构件拼装精度高,节点高程不同直接导致节点耳板及连接钢板的螺栓孔位有不同的变化(跨中与梁端节点板同位置的孔位最大相差5 mm),按照螺栓孔位的不同变化,经精细加工和现场多次精确调整钢构件才能准确就位,贯通后线形才能达到设计要求,只有构件定位和成桥线形与设计相符,才能确保各节点钢混结构共同合理受力。

3 主要施工工艺

3.1 钢构件组拼定位

钢-混凝土组合梁的钢结构部分主要由钢箱腹杆、耳板、拼接板、上纵联、下纵联、上弦横撑及高强螺栓组成。钢箱腹杆为550 mm×650 mm矩形结构,材质为Q345qE,最大钢箱质量8 100 kg。耳板为变截面型,由90 mm变到40 mm和32 mm、50 mm变到24 mm和16 mm,与腹杆钢箱间采用Ⅰ级坡口焊缝对接。耳板螺栓孔径φ33 mm,间距100 mm；剪力键预留孔径φ100 mm,间距180 mm。拼接板厚度20 mm,与耳板间采用高强螺栓摩擦连接。上、下纵联及横撑均为型钢。

钢-混凝土组合桁梁钢构件采用膺架法原位拼装,膺架采用φ426 mm×6 mm的钢焊管支墩与贝雷梁搭设而成[9],在膺架尾端纵延12.5 m作为钢构件拼装工作平台,利用膺架顶部的20t龙门吊进行钢腹杆吊装。钢腹杆临时安装在专用工装系统顶部,工装底部通过下弦梁底板泄水孔与膺架纵梁连接固定。为保证工装和钢桁拼装期间的整体稳定性,工装采用φ159 mm×5 mm无缝管焊成三角形框架,底部以4个支撑1与膺架贝雷梁连接,顶部以支撑5将左右两侧横向联接形成整体,以支撑2和支撑3将工装各部件连接加固稳定。支撑顶部安装钢腹杆位置设双向微调装置,对钢腹杆进行位置和高程调整,钢腹杆底部悬空，以利节点拼装和梁体钢筋混凝土结构施工。工装支撑结构见图3。

图3 组合桁梁钢腹杆拼装工装结构(正、侧面)(单位:mm)

钢腹杆拼装从工作平台另一端节点开始施工,以龙门吊提运安装,按照跨中66 mm预拱度逐断面调整各节点高程,初步定位后采用连接钢板将节点耳板以高强螺栓初拧紧固,初拧以板缝密贴为准(扭力扳手数值宜为终拧值的50%)[10]。由于膺架贝雷梁随拼装进程的荷载变化会产生下挠变形,已拼装钢桁高程会随之发生变化,为保证最终线形准确,钢腹杆拼装前,对膺架进行分级预压,按梁体截面形式模拟实际荷载分布进行加载,加载时量测支架弹性变形值。根据膺架不同部位的变形值,结合预拱度确定拼装控制高程。按照控制高程,从起始端逐个将16件钢腹杆在工装上初步拼装就位。钢腹杆拼装施工过程见图4。

图4 80 m钢-混凝土组合桁梁钢腹杆安装施工

钢构件组拼施工要点为：可靠安装工装系统,支撑体系与膺架贝雷梁连接稳固；龙门吊安全起吊、平稳吊运和准确安装钢腹杆；节点拼装控制高程的准确计算；工装顶部多向微调装置的精确调整定位和作业安全控制。

3.2 拼装线形精调及节点剪力键施工

钢腹杆全部拼装初调就位后,利用全站仪及精密电子水准仪进行全桥贯通线形复测,对不符合贯通线形要求的节点,在节点底部架设液压油顶,松开上下弦节点两侧纵向连接槽钢,利用工装顶部微调装置和节点底部液压油顶进行线形精调,调整就位后将微调装置全部锁闭,并将上下弦节点两侧纵向连接槽钢螺栓拧紧。逐个检查调整完所有节点线形均符合要求后,从跨中节点向两侧对称进行节点板高强连接螺栓的最后终拧,终拧采用数显扭力扳手逐个拧紧至设计扭力值。之后进行下弦梁钢筋绑扎,利用节点板周围绑扎成形的普通结构钢筋,准确安装节点板与混凝土结合部的抗剪连结粗钢筋(φ36 mm),粗钢筋须稳固安装在剪力键预留孔的中心位置。粗钢筋主要起与混凝土有效连结和抗剪作用,粗钢筋与预留孔内混凝土共同形成组合剪力键,充分发挥混凝土的抗压性能,确保钢混结构的共同受力。见图5。

图5 节点板剪力筋预留孔及抗剪联接粗钢筋定位

3.3 节点板处混凝土施工

组合桁梁下弦节点板处钢筋密集,有多种型号钢筋与节点板相交,因伸入节点锚固长度不足,须在节点板上进行搭焊锚固,施工操作难度大,极易损伤终拧后的高强螺栓。锚固焊后的钢筋对其他钢筋安装干扰较大,易造成窝工返工。节点处有多束预应力孔道穿过,2块节点板之间空间狭小,钢筋绑扎后波纹管在此无法实现定位操作。受节点结构外形所限,节点模板全部安装后仅留顶部交角部位可供混凝土灌入,不利于混凝土浇捣,节点板间空隙及剪力孔的混凝土密实度较难保证。为解决诸如此类的技术难题,施工前在工地进行了现场节点实体模拟试验,根据节点试验确定了节点顶部的倒漏斗模板做成活动节,待浇筑到此位置再安装就位,避免节点下部混凝土浇筑和振捣不实；节点处孔道定位网在钢筋绑扎前先行安装就位,实现后续孔道波纹管准确定位；伸入节点的锚焊钢筋在腹板箍筋安装后、纵向水平筋安装前,进行焊接锚固,最大限度地减少钢筋安装之间的相互干扰；结合节点试验,在锚固筋焊接时,以薄钢板加工专用防护罩对焊点两侧高强螺栓进行防护,防护效果极好,无一例高强螺栓损坏；聚丙烯纤维混凝土坍落度和泌水性较普通混凝土有所不同,经试验确定节点底部与顶部为防止混凝土过流翻浆,坍落度宜控制在160 mm以内,节点中部须流动性好以充分填充结构所有空隙,坍落度控制在180 mm以内；混凝土振捣采用附着式与插入式振动器相结合的方式进行,附着式振动器安装在节点正下方的底模位置,插入式振动器配备直径30 mm和50 mm两种振捣棒,根据钢筋疏密情况倒换采用；针对聚丙烯纤维混凝土泌水缓慢的特点,浇捣期间采用二次振捣方式,重点监控节点、锚头及支座等部位,保证关键结构部位施工质量。通过节点试验工艺总结,精确指导节点混凝土施工,取得了良好效果。节点试验见图6。

图6 同比例实体节点施工试验

组合桁梁上下弦共34个节点结构,上弦节点16个,下弦节点18个。上下弦混凝土分2次浇筑,钢构件组拼完成后,先进行下弦节点及下弦梁的钢筋绑扎、波纹管定位、安装模板和浇筑混凝土。混凝土浇筑采用2台汽车泵从跨中向两端,分底板、腹板、翼板左右对称,按照纵向5 m分段、每层0.2 m水平分层一次连续浇筑成形。在下弦梁混凝土养护等强期间,搭设上弦梁支架,搭设到位后铺设上弦底模。与此同时,在下弦梁混凝土强度和弹性模量达到设计要求后,按照由外到内、左右对称顺序进行下弦梁通长预应力束张拉,预施应力采用双控措施,以张拉力控制为主,伸长量校核。张拉完成后24 h内进行管道压浆。孔道浆液强度满足设计要求后,安装绑扎上弦梁钢筋、安装侧模,浇筑上弦梁混凝土,养护至设计强度及弹模要求后,进行下弦梁剩余短束预应力筋的张拉、压浆工作,最后清理锚口,绑扎钢筋、立模,浇筑同梁体强度等级无收缩混凝土封闭锚槽。

3.4 钢-混凝土组合桁梁结构受力检测

钢-混凝土组合桁梁因首次应用,梁体在承受荷载作用后,各结构部位的截面内力及空间位置情况需进一步监控量测,施工过程中,按照监测要求在不同截面埋设不同数量的振弦式应变计(图7),并结合温度变化因素,在主梁混凝土内埋设高灵敏度EBJ系列温度传感器,在完工后进行相关载荷试验,以准确采集试验数据[11]。

图7 钢-混凝土组合桁梁混凝土结构及钢构件受力检测原件埋设

3.5 贝雷梁卸落方案及膺架拆除。

钢-混凝土组合桁梁完工后,膺架贝雷梁按照从跨中对称逐级卸落方式进行,利用支墩顶沙筒放砂落架法卸落贝雷梁,分3次卸落到位。

膺架拆除为跨路施工,采取半幅封闭,设置交通疏导及警示标志,汽车吊于封闭路面分跨拆除该半幅膺架及基础,拆除工作安排在白天进行。半幅拆除完毕封闭另外半幅,完成全部膺架拆除施工。拆除后全桥见图8。

图8 80 m钢-混凝土组合桁梁完工后全景

4 结语

钢-混凝土组合桁梁采用工厂精确加工钢腹杆、原桥位搭设膺架,利用龙门吊拼装定位,泵车现场浇筑混凝土的施工方案,有效解决了构件吊装等施工作业对高速公路行车的影响,封闭后的膺架对跨路安全防护作用明显,降低了安全风险。与其他方案相比,膺架方案大大减少了钢材、机具和设备的投入,节约了成本,同时也加快了施工进度,较好地实现了安全、质量和经济目标,成桥线形和结构外观与设计相符,对同类桥梁施工有较好的借鉴作用。此方案中工装顶部微调系统荷重后操作不便,高空作业工作量和持续时间增加,需进一步优化改进。

[1] 李传琳.跨既有线铁路多箱斜交简支钢-混凝土结合梁桥设计[J].铁道标准设计,2011(4):62-64．

[2] 刘崇亮.宜万铁路宜昌长江大桥钢管拱拼装和竖转施工技术[J].铁道标准设计,2010(8):158-163．

[3] 张立超,赵煜澄,陈崇林.宜万铁路宜昌长江大桥大跨度连续钢构柔性拱施工[J].铁道标准设计,2010(8):164-169．

[4] 李 敏,李振国.宜万铁路落步溪大桥提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工工艺研究[J].铁道标准设计,2010(8):170-174．

[5] 陈宝忠.大跨度连续箱梁支架法现浇施工技术[J].铁道标准设计,2009(9):63-66．

[6] 中华人民共和国铁道部.TB10415—2003 铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社,2003．

[7] 铁道部经济规划研究院.TZ203—2008 客货共线铁路桥涵工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社,2008．

[8] 梁占旭,王贺敏.岭南高速公路蒲山系杆拱桥拱脚计算及分析[J].铁道标准设计,2009(7):53-55．

[9] 卢家友.郑西客专跨310国道提篮拱桥拱肋安装施工技术[J].铁道标准设计,2009(7):47-49．

[10] 中华人民共和国建设部.GB50205—2001 钢结构工程施工及验收规范[S].北京：中国计划出版社,2001．

[11] 闫林栋.石武客运专线京珠公路特大桥预应力混凝土连续梁桥施工监控技术[J].铁道标准设计,2011(9):55-58．