南京长江五桥节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥施工监控*

2021-06-24巫兴发沈惠军王江成

施工技术(中英文) 2021年10期

许盟，巫兴发，沈惠军，王江成,3，黄超,3

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100088；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040；4.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北武汉 430040)

0 引言

近年来，波形钢腹板组合结构桥梁因自重小、预应力效率高、耐久性好、造型美观等特点在国内被广泛应用[1]。该类型桥梁基本采用悬臂浇筑、支架现浇等施工工艺[2-3]。随着桥梁工业化的发展，具有节能、环保、高效、耐久等优点的节段预制拼装技术在混凝土桥梁中得以推广[4-5]。将该技术引入波形钢腹板组合结构桥梁建设中，可显著提升施工质量、加快施工速度，提高常规节段梁接缝受力性能及抗震性能，降低建设成本[6]。

南京长江五桥中3座跨线引桥为波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥，其中主梁节段采用短线匹配预制、架桥机悬臂拼装的施工工艺，为国内乃至国外首创。

1 工程概况

南京长江五桥引桥中3个区段采用预制波形钢腹板节段梁，包括跨立新路桥(31+46+31)m、跨丰子河桥(38+68+38)m、跨大堤及滨江大道桥(左幅(41+78+45)m、右幅(45+78+41)m)。其中，跨立新路桥主梁为单箱单室等高结构(梁高2.6m)，跨丰子河桥为单箱单室变高结构(墩顶梁高4m，跨中梁高2.2m)，跨大堤及滨江大道桥主梁为单箱双室变高结构(墩顶梁高4.5m，跨中梁高2.2m)。箱梁顶、底板采用C50混凝土，波形钢腹板采用1600型Q345C钢材。跨丰子河桥构造如图1所示。

图1 跨丰子河桥构造(单位：cm)

波形钢腹板在钢结构厂制造，运输至混凝土构件预制场，采用短线匹配法预制逐节段成型新型钢筋混凝土组合梁，待存放期满足要求后转运至施工场地。采用短线匹配预制逐节段成型组合梁节段，待存放期满足要求后转运至施工场地。在梁段预制的同时施工下部结构，然后吊装2个中间墩1号节段，浇筑0号节段，架桥机过跨到位，悬臂拼装波形钢腹板组合箱梁节段，依次完成边跨及中跨合龙，解除墩梁临时固结约束后完成连续梁体系转换。

2 施工控制方法

基于全过程几何控制理念[7]，即通过对箱梁节段制造和安装等关键环节的全过程控制，实现箱梁无应力构形。首先对结构施工阶段进行参数敏感性分析，确定影响主梁结构线形的敏感因素，然后通过前期准备阶段的模拟分析和施工过程的线形跟踪测量结果，不断修正施工控制分析模型，更新预制及安装理论线形，使施工线形始终偏离目标线形最小，确保成桥线形最大限度接近设计线形。整个控制体系分为准备、波形钢腹板制造、节段梁预制及安装4个阶段，具体控制流程如图2所示。

图2 施工控制体系

3 有限元仿真分析

通过仿真分析确定主梁预制、安装线形及参数敏感性分析是整个控制体系的关键。基于Midas Civil建立跨丰子河桥主梁有限元模型，如图3所示，通过数值计算，得到主梁施工期变形、成桥累积位移及预拱度。

图3 跨丰子河桥主梁有限元模型

选取主梁自重、混凝土弹性模量、存梁期及温度进行参数敏感性分析，确定影响主梁线形的关键因素，具体结果如图4所示。由图4可知，自重对主梁线形的影响最大，存梁期次之。因此，各箱梁节段预制完成后需称重并记录预制完成时间。

图4 参数敏感性分析结果

4 线形控制

4.1 波形钢腹板制造

采用短线法预制节段波形钢腹板梁，其制造线形应满足在短线台座中定位安装的需求，即首节段两端均须垂直固定(浮动)端模，标准节段在固定端模侧(即预制前进方向)须垂直固定端模，如图5所示。

图5 节段波形钢腹板制造示意

波形钢腹板加工制造时，需布设线形测点，以便后续安装定位。每块腹板布设2个测点，位于翼缘板顶部，纵向距离节段分段线200mm，横向位于翼缘板中心线位置，具体布设如图6所示。此外，还需在波形钢腹板两端设置临时匹配件，用以固定相邻节段位置关系。

图6 测点布置示意

4.2 波形钢腹板箱梁预制

波形钢腹板箱梁均采用短线匹配法预制，其控制重点为梁段间的匹配及波形钢腹板在模板内的安装。

1)梁段匹配控制梁段匹配时，每一预制梁段顶部设6个控制测点。其中，沿节段中心线的2个测点(FH，BH)控制平面位置，沿腹板的4个测点(FL，FR，BL，BR)控制标高。固定端模上缘设3个控制测点(L1，I，R1)，测量中心线由旋转在测量塔上的全站仪和目标塔反光镜确定。在预制单元附近设置1个固定水准点(DM)，以校准测量塔和目标塔，测量控制网如图7所示。N号梁段预制完毕后移至匹配位置，通过底模台车调整至目标位置，N+1 号段浇筑完成后再次测量全部测点，采用专用线形控制系统自动比较匹配段各测点实测值与理论目标值，并进行误差调整，继续指导N+1号梁段定位。

图7 梁段匹配预制测量控制网

2)波形钢腹板模板内安装控制波形钢腹板模板内安装控制主要包括波形钢腹板剪力键埋入底板和顶板的深度控制、相邻节段钢腹板间的连接控制2个方面。由于相邻节段钢腹板夹角在工厂内已基本确定，在安装阶段可调余地小，因而波形钢腹板安装控制采用以前后端竖向高程为主、前后两段夹角控制为辅的控制方法。根据波形钢腹板箱梁节段安装线形精度控制需求，在现场验证其可实施性的基础上提出波形钢腹板定位标准：波形钢腹板中心距偏差±3mm，轴线偏位±5mm，内、外侧波形钢腹板间距偏差±5mm，高差±5mm；波形钢腹板横桥向垂直度(斜率)1/500，纵桥向坡度1/1 000。

首节段波形钢腹板定位对后续节段定位起决定性作用，其定位应保证波形钢腹板顶缘线、底缘线与固定端模交点位置符合设计要求；波形钢腹板顶、底缘线应与固定端模保持垂直。此外，波形钢腹板位置校核完成之后应进行有效固定，保证其与固定端模不发生变化。首节段预制完成后，匹配预制后续节段的活动端模，波形钢腹板与固定端模除满足上述要求外，待浇筑节段腹板、已成梁段腹板有效固定后的上、下焊缝宽度需一致，同时，匹配梁整体位置按监控指令执行。若无法同时满足，可微调焊缝宽度，但不能超过设计规定值。

4.3 波形钢腹板箱梁安装

波形钢腹板箱梁安装控制重点主要包括1号节段安装、架桥机悬拼及中跨合龙。

1)1号节段安装控制作为首个安装节段，1号节段既是0号节段浇筑的端模，又与2号节段相匹配。因此，1号节段的定位精度控制十分关键。现场将梁体与墩旁支架临时锚固，利用顶、底板内临时预应力将0号块两侧1号块拉结固定，以抵抗0号块混凝土现浇部分侧压力对1号块的影响。

2)架桥机悬拼控制每个梁段拼装完成后，比较梁面测点实际位置与目标位置，若当前梁段不满足精度控制标准或估算至合龙口的预测误差值超限，可在接缝处增加环氧树脂楔形垫片、调整临时预应力张拉力及压重。

此外，由于波形钢腹板节段箱梁的横向刚度较小，在架桥机吊装过程中会产生一定的横向变形，从而增大相邻梁段的匹配连接难度。对此，可在梁段吊装前及时掌握相邻梁段的横向变形相对量，必要情况下通过张拉横向预应力筋调整。

3)中跨合龙控制中跨合龙是主梁施工的关键工序，合龙前应对悬臂两端标高、长度及主梁温度、大气温度进行连续观测，结合气象资料，确定合龙时机。同时，在钢腹板制造阶段，中跨合龙段端部需预留5cm现场配切长度。

4.4 线形控制结果

基于上述控制措施，部分节段拼装过程中的高程误差沿桥轴线方向分布如图8所示。由图8可知，最大高程误差为12.2mm，说明节段波形钢腹板梁拼装施工精度可达到普通混凝土节段梁拼装精度标准。

图8 高程误差

5 应力监测

应力测点主要布置在主墩和中跨跨中附近，采用混凝土纵向应变计测量混凝土顶、底板应力与应变，三向钢应变花测量波形钢腹板应力、应变。其中，主墩附近测点位于1，2号节段接缝截面及2号节段中部截面处，具体布置如图9所示。由于钢齿坎的影响，两截面混凝土应变计的布置不完全相同；中跨跨中附近测点位于11，12号节段接缝截面及12号节段中部截面处，其测点布置与主墩附近截面类似。

图9 测点布置示意(单位：cm)

利用Midas/FEA建立波形钢腹板主梁的实体有限元模型，如图10所示。混凝土顶底板采用实体单元模拟，波形钢腹板及其双PBL剪力连接键采用板单元模拟，栓钉采用杆单元模拟，将栓钉节点与周边混凝土节点三向耦合，不考虑两者间滑移[8]。由于施工过程中主梁始终处于弹性阶段，混凝土和钢材均采用弹性本构模型模拟。

图10 主梁有限元模型

已有研究表明，即使环氧树脂胶与混凝土间为平接缝，其黏结力也可达1.5MPa以上[9-10]。通过试算，本桥在施工过程中混凝土顶、底板的拉应力<1MPa，故接缝处不会开裂。因此，接缝处混凝土顶、底板单元采用最近节点连接。

主墩附近接缝截面混凝土顶、底板纵向应力实测值与模拟值对比如图11所示。由图11可知，混凝土顶板纵向应力存在明显的剪力滞现象，底板应力分布较均匀；混凝土顶、底板纵向应力实测值与模拟值变化趋势一致。

图11 混凝土顶、底板纵向应力对比

主墩附近接缝截面波形钢腹板剪应力及纵向应力实测值与模拟值对比如图12所示。由图12可知，波形钢腹板剪应力沿其高度方向均匀分布，纵向应力除与混凝土接触附近区域较大外，其余部分均很小；波形钢腹板剪应力及纵向应力的实测值与模拟值变化趋势基本一致。由此表明，波形钢腹板主要承担剪应力，几乎不承受纵向应力，符合波形钢腹板箱梁的受力机理。