空间扭曲混凝土箱梁短线匹配法预制拼装施工关键技术

王敏 ，刘景红 ， 张永涛

（1.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；2.中交第二航务工程局第二工程有限公司，重庆 404100；3.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

节段预制拼装和体外预应力技术的综合运用，是现代混凝土桥梁工业化的发展方向之一。在桥梁的发展历程中，随着制造技术的进步，环保意识的提高，对耐久性的重视以及工程经验教训的积累，工程师们对“原位现浇”与“节段预制拼装”、“体内预应力”与“体外预应力”反复进行着实践和探索。“节段预制拼装”和“体外预应力”技术也在经历“肯定—否定—重新肯定”的螺旋式发展过程。近30 a来，欧美、日本等国对“节段预制拼装”和“体外预应力技术”的研究十分重视，新建的混凝土梁桥多以这些技术为核心[1]。

近几年，短线预制施工工法在我国应用逐渐增多，苏通长江公路大桥、厦门集美大桥、上海祟启大桥、南京四桥、嘉绍大桥等工程项目都采用该项技术。但这些项目中，除南京四桥外，其余桥梁结构线形变化相对简单，平曲线半径较大，不存在缓和曲线段，箱梁断面未有扭转现象。而南京四桥系采用逐孔悬挂拼装，其预制、安装难度均小于厦漳大桥。相对厦漳跨海大桥70 m跨径空间扭曲箱梁技术研究，在国内尚未见相关研究成果，因此，厦漳跨海大桥缓和曲线超高段节段预制安装施工关键技术是值得深入研究的课题。

1 工程概况

厦漳跨海大桥工程起于在建的厦门至成都国家高速公路（厦门海沧至漳州天宝段）青礁枢纽互通，跨厦门湾经海门岛，止于漳州龙海后宅。厦漳跨海大桥北汊南引桥K3+795～K6+007.4段，为双幅70 m和66.7 m连续箱梁桥，采用短线匹配预制、拼装设计与施工，且位于R=1 690 m的平曲线上。箱梁截面为单箱单室结构，梁高3.8 m，顶宽15.9 m，底宽6.7 m，共有节段数量1 332榀，见图1。

图1 桥梁结构布置图

2 厦漳跨海大桥节段预制拼装桥梁施工关键技术

与国内类似工艺建设的桥梁相比，厦漳跨海大桥节段预制拼装的难点在于：

1） 自里程桩号 K3+799.708～K3+940.333和K4+838.868～K4+979.493段，设有缓和曲线超高段，其横坡值从-2%到3%，最大变幅为5%。超高段采用箱梁结构扭曲调整，而非桥面辅装调整方式，因而导致该段内的箱梁结构产生扭曲现象，使得梁段横断面尺寸产生变化，这与以前的短线匹配法流水作业的作业原理即在相同的模板系统内完成多榀或全部梁段的预制相违背；同时，梁段的扭曲带来了控制数据的微变，即平面控制点和标高控制点位置偏移。实现该缓和曲线超高段的梁段预制、拼装，同时保证施工线形精度，进而拓展该项工法的应用范围是非常有意义的。

2） 厦漳跨海大桥K3+940.333～K4+838.868段为半径1 690 m的圆曲线。1 690 m的平曲线半径对于一般的桥梁结构而言，其曲线半径足够大；但对于跨径为70 m的节段拼装式桥梁，则其属于小曲线半径。用于厦璋跨海大桥70 m跨的节段的拼装架桥机，其长度至少须大于140 m（二跨桥长），此时的曲线中矢距达1.45 m，如何保证架梁时的横向梁段就位以及克服边跨悬挂时的架桥机偏载、架桥机过跨的摆位问题是非常值得研究的课题。

2.1 空间扭曲箱梁节段预制半刚性模板系统

空间扭曲箱梁节段预制的难点在于通过对节段几何尺寸的控制获得期望的结构几何构型。匹配节段精确设置，需要严格的几何控制、浇注现场精确调位和熟练的测量人员，而其硬件则直接通过模板系统来体现。主梁横坡最大变幅为5%（横坡值从-2%变化到3%），设计标高处梁宽15 m，超高里程内梁段超高值为750 mm，按最大预制节段长度4 m考虑，单节梁段两端高差值为22 mm，如图2（a） 所示。扭转后箱梁各部位位移参数如表1。因此在预制过程中，多功能半刚性模板系统底模应具有一定柔度，其刚度在满足常规梁段预制的前提下，又能适应表1变形的要求（底板可调整成空间曲面，其中1点低于或高于其他3点形成的平面16 mm）。箱梁在缓和曲线超高段呈一个扭面，其中1个点与其余3点所形成的平面有一定高差，最大差值22 mm。即要求通过底模台车调整底模时，匹配梁端的底模其中1点必须能满足低于或高于其余3点所形成的平台最大值22 mm要求。研发出的自动化模板系统通过ANSYS建模计算分析，计算图示如图2（b）所示。数据分析结果表明，在顶升点顶升或降低22 mm时模板4个支点受力方向一致，说明当匹配梁段调整超高值到位后，利用底模在自重作用下的弹性变形，即可实现通过台车竖向千斤顶调整底模，与匹配梁段底面贴合。

图2 空间扭曲箱梁节段预制半刚性模板

表1 扭转后箱梁各部位位移变形值 mm

2.2 小曲率半径节段安装架桥机设备

普通直线或者大半径圆曲线箱梁采用架桥机悬臂安装时，桥轴线与架桥机轴线基本重合或者轴线偏位较小，在架桥机起重天车的横向移位的可调整范围0.5 m内，安装过程中不需要横向移位，安装较简单；而对于厦漳跨海大桥1 690 m的小半径圆曲线箱梁安装，桥轴线与架桥机轴线存在较大的轴线偏位，远远超出了架桥机自身的横向移动范围（在架桥机长度内、曲线中矢距达到了1.44 m，如图3），为了使架桥机在自身的横向移动幅度内能够完成曲线段箱梁节段安装，在安装过程中需要不停的根据桥轴线横向移动或平面旋转架桥机轴线方向，减少各工况下起重天车的横向移动幅度，使其能够在自身横向移位范围内完成曲线段箱梁安装。

本项目研发出的集机、电、液一体的自动化预制节段拼装架桥机设备解决了在圆曲线半径1 690 m上安装70 m跨箱梁的3个关键技术难题：

图3 平曲线半径为1 690 m的桥机中矢距示意图

1） 架桥机在T构悬拼、0号块安装、前悬挂、后悬挂、架桥机过跨等各种工况下，既确保了架桥机能在自身范围内完成曲线段箱梁安装，又能保证架桥各工序的衔接连贯性；

2）对称悬拼和0号块安装时，架桥机由3个支点（前支腿、中支腿、后支腿）支撑，要同时横向移动后支腿和前支腿才能达到架桥机轴线横向预偏位，本架桥机实现了三点支撑的超静定架桥机体系横向移位；

3）解决了在小半径曲线段箱梁边跨悬挂安装时，因箱梁与架桥机轴线的不重合，从而使得梁段对架桥机主桁架产生不均衡受力的偏载现象，同时架桥机前、中、后支腿横向移动时可能存在的不同步性，对架桥机产生较大扭矩等不利于安全的问题。

2.3 空间扭曲箱梁短线法节段预制安装控制技术

本工程与其他短线法工程预制阶段施工控制的不同之处在于，第一联及第三联的缓和曲线段内均存在横坡逐步变化的超高曲线段。以图4中线段交点处横线的坡度来拟合超高节段的桥面横坡，新浇节段的顶面应为双曲面。超高段节段预制时，新浇节段端模位置不动并使其与节段轴线垂直，在匹配节段匹配面顶的中点标高、平面位置调整到位后，以匹配节段匹配面顶的中点为基点，将匹配节段的匹配面横向转动倾角γ，见图4（a）。为了使模板系统适应节段外形变化，必须按要求消除限制其扭转的多余约束[2]。

高程控制点偏离其理论位置，将形成高程误差和接缝面横坡误差△αi，如图4（b）。值得注意的是，假定理论节段顶面为一个平面，若高程控制点误差发展方向与图中类似，则此时箱梁顶面成为一个翘曲的双曲面，4个高程控制点很难恰巧处于同一个平面内。一旦节段预制后，由于节段几何尺寸不可调，这种误差可能使匹配节段控制点于调整后仍无法同时处于其理论位置上，对调整方案起到很大的约束作用。所有纠偏方法应考虑这种误差带来的不利影响。在实际施工过程中，节段预制后同时产生水平控制点误差和高程控制点误差。因此，节段空间位置的偏离将是以上两种情况的耦合。

图4 空间扭曲箱梁节段超高预制

考虑到厦漳跨海大桥空间扭曲箱梁的特殊性，对预制节段控制点误差修正采用一种优化调整方案，不在下一节段浇筑中一次修正，而是在之后若干个节段浇筑过程中，逐步加以修正。这种调整方案的目的是使误差得到优化（如图5所示），使控制点位置在后续若干个节段浇筑后达到理论位置，并保证节段衔接光滑性[3]。

图5 预制逐步修正法示意图

在空间扭曲箱梁预制节段的安装控制过程中，施工控制考虑了吊装不平衡性的影响，做到精确匹配就位，同时，研究了采取措施控制克服偏重，确保成桥线形与设计线形吻合。最终使“T”构悬臂端标高方向误差控制在10 mm内，安装精度符合要求。选取实际N16号墩“T”构安装误差如图6所示。

图6 N16号墩“T”构安装误差图

3 结语

节段预制拼装是混凝土桥梁的工业化发展方向，与量大面广的现浇混凝土梁桥相比，节段预制拼装和体外预应力技术在我国应用还不普遍。其规模化、标准化的作业方式，要求精心管理、精心设计和精心施工。在厦漳大桥引桥的建设过程中，通过管理、设计、施工科研等各方的通力协作，因地制宜地对预制、运输、拼装过程及工艺进行了优化，研究成果对于推动我国节段预制拼装技术的进步起到了积极的作用。

[1] 葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 李惠生，张罗溪.曲线梁桥结构分析[M].北京：中国铁道出版社，1992.

[3] 李建斌，杨庆中，石现峰.预应力混凝土曲线连续梁桥分阶段施工的工程控制[J].石家庄铁道学院学报，2001（1）：37-40.