G1501公路大泖港桥主桥工程建设中一些关键技术问题的探讨

2017-08-07彭玮

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：主桥挂篮悬臂

彭玮

（上海城投航道建设有限公司,上海市 200092）

G1501公路大泖港桥主桥工程建设中一些关键技术问题的探讨

彭玮

（上海城投航道建设有限公司,上海市 200092）

G1501公路大泖港桥主桥工程建设包括大跨度预应力混凝土连续梁旧桥的拆除和大跨度钢-混凝土混合梁新桥的重建,在整个建设过程中存在一些关键技术问题需要关注与解决。在工程实施前期对旧桥拆除方案进行了比选,并针对实施方案作了详细的施工风险分析,制定了可操作性强的旧桥拆除施工方案。在新桥建设施工中,重点关注了整个主桥的施工方法以及施工步骤的可行性,并对施工过程中的关键节点进行了详细的受力分析,以确保主桥施工过程的结构安全性。

大跨度桥梁拆除；施工风险分析；钢-混凝土混合桥梁；施工方法及步骤；关键节点受力分析

1 工程概况

平申线是长江三角洲高等级航道网规划航道,也是上海市“一环十射”高等级航道之一,为加强上海市与浙江省高等级内河航道对接,促进内河水运发展,服务上海国际航运中心建设,须将航道等级由V级提升至IV级。

大泖港桥为G1501高速公路跨越黄浦江上游支流平申线大泖港的一座大桥,原有桥梁净空、净宽不满足航道及交通运输要求,故对大泖港桥进行拆除重建。

大泖港桥的已有主桥为三跨变截面预应力混凝土连续箱梁,跨径布置56 m+80 m+56 m,全长192 m,单幅桥宽为13.25 m,中央分隔带净宽1 m,桥梁总宽为27.5 m。

新建桥梁的主桥为三跨变高度钢-混凝土混合连续梁桥,跨径组合65 m+135 m+65 m,总长265 m,单幅桥宽16 m,两幅桥梁间距为2 m。主桥主梁为变高度钢-混凝土混合连续梁,边跨65 m为预应力混凝土箱梁,主跨135 m为钢-预应力混凝土混合箱梁,主跨中间55 m范围为钢箱梁,钢-混凝土混合段长度2.5 m,见图1。

图1 大泖港桥新建主桥效果图

本主桥工程建设包括旧桥的拆除与新桥的重建,整个建设过程相对复杂,存在一些关键技术问题值得探讨与解决,这样可以确保工程建设的顺利进行,也可为类似工程的建设提供借鉴。

2 旧桥拆除方案比选及施工风险分析

本工程是上海市首座跨黄浦江大跨度预应力连续梁桥梁拆除,主桥的跨径组合为56 m+80 m+ 56 m,主桥0#块自重达到约450 t,节段最重为88 t左右；再者,主桥位于河道上,为通航航道,如何在确保安全、进度的前提下顺利完成桥梁的拆除任务成为本工程实施的重难点之一。为确保主桥拆除的顺利进行,在工程实施之前,对施工方案进行了有效的比选,并进行了针对性的施工风险分析。

主桥拆除主要适用静力切割拆除（方案1）、爆破拆除（方案2）、搭设支架凿除法（方案3）等几种方案[1,2]。三种方案的比选见表1,爆破拆除将产生大量的建筑垃圾,对环境产生较大的污染,同时爆破拆除后的垃圾清运会影响航道的正常运营,所以此方案不可行；搭设支架凿除法需要在江中搭设支架,对航道的影响大,可施工性也相对较差；静力切割拆除施工工期较长,但对环境的污染较轻,对航道通航影响也相对较小。综合比选,主桥拆除采用静力切割方案。

表1 已有主桥拆除方案的比选

主桥采用挂篮静力拆除方案施工。单幅桥的拆除顺序是:先对主引桥间跨的引桥跨拆除,然后进行引桥和主桥的同步平行拆除。主桥混凝土结构全部采用金刚石绳锯进行静力切割,并配合浮吊、吊篮、汽车吊、船舶等设备进行吊运拆除,运输到破碎场地进行破碎。

经综合分析,老桥拆除施工过程主要有以下潜在风险:

（1）主桥是预应力混凝土结构,混凝土的长期收缩徐变等引起预应力度的损失对结构的承载能力影响较大,挂篮反序法施工存在一定的结构安全风险。

（2）主桥上部结构拆除过程中,主墩两侧箱梁处于悬臂状态,施工过程中存在不平衡力,施工过程存在可能的结构安全风险。

（3）现场施工振动和施工附加荷载对桥梁结构安全有重要影响。

（4）混凝土切割是本工程重要的拆除工艺之一,如果对切割部位、切割时机、操作工艺等控制不当,容易造成安全事故。

（5）高空作业、水上作业、水下作业、吊装作业多,且桥下通航,这些容易形成施工安全问题；特别是,本工程位于黄浦江上游支流,属于感潮河流,且河道转弯处,水流速度较大,河岸两侧水流流速相差较大,以及涨、落潮均对浮吊、驳船等影响较大。

根据以上施工风险分析,在老桥拆除施工组织设计中重点体现了以下主要内容:

（1）详细分析了旧桥拆除时预应力的影响,制定了相应的有效措施,在拆除过程中尽量减少对未拆除部分混凝土预应力的影响,以保证施工安全。

（2）根据悬臂施工工艺及大跨度连续梁的施工特点,在主桥箱梁切割拆除前将在零号块及边跨现浇段下方设置钢管桩支撑架,同时对墩梁进行临时固结,两种支撑措施组成临时支撑体系,可以有效避免悬臂施工过程中不平衡力引起的结构安全风险。

（3）由于现场施工振动和施工附加荷载对桥梁结构安全有重要影响,将采取有效措施在拆除过程中尽量减小振动和施工附加荷载,以保证施工安全。

（4）认真研究了混凝土静力切割施工方法之一的金刚石绳锯切割的原理与施工特点,制订了有效的措施对切割部位、切割时机、安全措施、操作工艺进行严格控制,以避免造成安全事故。

（5）制定有效的紧急预案与相应处理措施,将对高空作业、水上作业、水下作业等采取有效措施保证施工作业安全。

3 新建主桥的施工方法及步骤

新建主桥采用钢—混合连续梁结构,主桥半侧混凝土箱梁共分:1个0号节段、18个悬浇节段（节段长度为3.5 m、4 m两种）、支架现浇段、1个合龙段、1个钢-混凝土混合段。主桥混凝土箱梁采用挂篮悬浇施工,中跨钢-混凝土混合段钢结构（也称工地连接段由钢-混凝土混合段的钢结构部分以及一段钢箱梁组成）采用挂篮上的提升装置提升就位（见图2）,跨中钢梁也采用挂篮整体同步提升安装。

图2 钢-混凝土混合段钢结构的提升

边跨节段B1～B9以及主跨节段M1～M8重量在124～169 t之间变化；但是,主跨最后一个悬浇节段M9包含了一个钢-混凝土混合段,节段重量为260 t,记上挂篮及模板自重85 t后,如再考虑悬臂浇筑设备及其它活荷载,该节段的施工荷载总重约为360 t。主桥0#块与节段B1～B8以及M1～M8的施工与常规采用悬臂浇筑的连续梁没有差别,但在悬臂施工节段M9的时候,由于包含了一个钢-混凝土混合段,B9与M9重量差别较大,为了减少两边悬臂的重量差,先浇筑B9与M9的混凝土箱梁与安装钢结构工地连接段,然后在B8节段上进行配重,最后浇筑钢梁工地连接段中的混凝土。

主桥与一般连续梁悬臂施工法不同的施工步骤见表2。

表2 主桥与一般连续梁悬臂施工法不同的施工步骤

此外,由于跨中钢梁较长,钢梁与两端钢梁工地连接段的合龙施工比一般的连续梁有难度。在提升安装跨中钢结构前连续48 h的白天,每半小时监测现场温度与合龙口距离变化,精确到毫米,并绘制曲线,找出一天中温度变化比较稳定时段,确定合龙时机及该温度下合龙口的长度,根据长度提前切割合龙段余量,必要时稍留余量以方便吊装后切割。测量数据分析时要考虑吊装后截面转角的影响量。

4 新建主桥施工过程关键节点的受力分析

如上所述,与一般悬臂施工的连续梁不同,菱形挂篮及其锚固的M7、M8节段在悬臂施工M9节段（包括钢-混凝土混合段）的施工荷载作用下受力大,主体箱梁及挂篮的结构安全性是一个必需关注的问题；所以有必要对其进行详细的受力分析,以验证施工过程最不利荷载工况作用下主体及临时结构的安全性。

挂篮施工M9节段的纵向布置示意见图3。菱形挂篮结构采用Midas分析软件,挂篮主桁结构、吊带、横向联系的桁架构件采用桁架单元模拟,其它采用梁单元模拟；模型中正确定位挂篮前、后支点与底模在底板的各个锚点位置,以得到准确的反力,作为箱梁锚固节段仿真分析的力边界。挂篮结构及底模的几何模型见图4。

图3 挂篮施工M9节段的纵向布置示意图（单位:mm）

图4 挂篮结构的几何模型图

挂篮结构所在锚固的M7、M8两个节段,两个节段总长8 m,其仿真模型采用ANSYS结构分析软件来建立,其三维实体仿真模型透视图及截面图分别见图5、图6。

图5 箱梁节段三维仿真模型透视图

图6 箱梁节段三维实体仿真截面图

仿真模型中,混凝土箱梁采用SOLID45单元模拟,纵向、横向与竖向预应力钢束采用LINK8单元模拟,对预应力的管道进行了开孔的模拟；整个仿真模型共有127,324个单元,模型单元划分精密,计算分析工作量较大。

箱梁节段模型在M7节段的端部采用位移约束边界,而与挂篮结构及底模的联系作用采用的是力边界。

根据分析结果,菱形挂篮结构在最不利施工荷载作用下,其应力、变形、稳定性等均能满足受力要求；只是前上横梁采用的是Q235,其应力水平接近钢材180 MPa的强度设计值,建议适当加强；挂篮所在锚固的M7、M8箱梁节段,在挂篮前后支点力、底模锚点力等作用下,局部产生应力集中,其中M8节段底板在底模的锚点区域较大范围出现较大的横向拉应力（M8节段前支点截面箱梁横向正应力云图见图7）,不能满足设计规范[3]的要求,如果底板不进行有效加强,在施工过程局部出现裂缝的概率较大。