泉州湾跨海大桥“假悬臂”施工合龙顺序研究*

厉勇辉，黄剑锋，胡 伟

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.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；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.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100120)

0 引言

海洋桥梁具有桥梁超长、受海洋环境影响大、施工有效时间短等特点[1]。国内建成的跨海桥梁中其非通航孔桥绝大多数采用简支预应力混凝土箱梁，梁跨度小、基础数量多、经济性差。连续刚构桥其具有跨越能力大、承载力强、行车平顺性好、经济、安全等特点[2]，可满足海洋环境下减少基础的要求。

常规连续刚构桥其边跨跨度一般为主跨的0.6倍，边跨直线段长度较小，一般采用支架或托架施工[3]。对于处于海洋中多联等跨的连续刚构桥，如采用常规方案施工，其边跨满堂支架投入量巨大。为了取消边跨满堂支架，采用“假悬臂”施工工艺悬臂浇筑每联边跨主梁，“假悬臂”是通过配置临时预应力筋束来平衡边跨主梁节段自重，实现边墩主梁悬臂浇筑，目前国内交接墩(相邻联边墩)采用“假悬臂”施工工法应用案例极少，仅在某公路高架5匝连续梁桥中有所应用[4]。交接墩和中间墩主梁悬臂浇筑达到最大悬臂状态时，合龙口合龙施工过程中结构体系转换次数多、施工线形控制难、工序复杂，施工合龙顺序的合理选择是对结构质量和线形控制的重要保证。

1 工程概况

1.1 工程简介

在建泉州湾跨海大桥属于高速铁路桥，位于福建省泉州市内，起于台商投资区，跨越泉州湾后进入晋江市、石狮市，桥梁全长20 286.775m，桥梁类型包含斜拉桥、简支梁桥、连续梁桥和连续刚构桥。其中，47～74号墩设计为9联3×70m预应力混凝土连续刚构桥，连续刚构桥编号分别为A1～A9，如图1所示。

图1 9联3×70m预应力混凝土连续刚构桥布置

1.2 “假悬臂”施工临时固结构造措施

为了减少深水中边跨支架搭设，施工过程中除了A1联秀涂港方向和A9联泉州湾方向边跨采用满堂支架现浇外，其他联中墩和相邻联交接墩主梁均采用悬臂法施工。交接墩为相邻两联共用桥墩，采用双壁墩结构，箱梁也在墩中心处断开。中间墩和边墩主梁最大悬臂状态时划分8个节段，为了平衡节段自重，每个节段位置处配置2束19φ15.24临时预应力钢绞线。交接墩0号块临时固结，通过在交接缝内填充维萨板，同时为了使交接墩内填充物储备一定压应力，在交接墩横隔板处张拉48根φ25螺纹钢筋，0号块顶、底板各配置了2束19φ15.24预应力钢绞线，如图2所示。

图2 临时固结构造

1.3 合龙方案

常规连续刚构桥的合龙顺序十分明确，对于3跨以上的多跨连续刚构桥，合龙顺序为：先将各T形结构连成π形结构，然后连接各π形结构实现全桥合龙；为了缩短施工工期，各联中间墩和相邻联交接墩同时进行悬臂浇筑施工，达到最大悬臂状态时，各联均存在3个合龙口。为了便于区分，每联合龙口编号由秀涂港—泉州湾方向编号依次为1，2，3(如A1联合龙口编号为A1-1，A1-2，A1-3)，如图1所示。

根据“先边跨后中跨”“先中跨后边跨”“中、边跨交替合龙”及“依次合龙”合龙方式拟定4个合龙方案。4种合龙方案均以A5联为中心向秀涂港海岸和泉州湾方向同时施工。各合龙方案中，临时悬臂束预应力筋在交接墩两边合龙口合龙完成后进行拆除。边跨合龙束分2批张拉，第1批是边跨合龙时张拉，第2批是交接墩临时预应力筋拆除后张拉。方案1～4合龙顺序简述如下。

1)方案1(中、边跨交替合龙) 逐联完成合龙，先合龙中跨，然后合龙该联边跨，具体步骤如下：合龙中跨(A5-2)→合龙边跨(A5-1，A5-3)→合龙相邻联中跨(A4-2，A6-2)→合龙相邻联边跨(A4-3，A6-1)→拆除相邻联临时预应力筋→合龙相邻联边跨(A4-1，A6-3)，以此类推。

2)方案2(依次合龙) 从A5联中跨合龙口开始，向秀涂港海岸和泉州湾2个方向依次合龙，具体步骤如下：合龙中跨(A5-2)→合龙边跨(A5-1，A5-3)→合龙相邻联边跨(A4-3，A6-1)→合龙相邻联中跨(A4-2，A6-2)→拆除临时预应力筋→合龙次联边跨(A4-1，A6-3)，以此类推。

3)方案3(先中跨后边跨) 先合龙每联中跨，然后依次合龙每联边跨，具体步骤如下：依次合龙每联中跨(A5-2，A4-2，A6-2，A3-2，A7-2，A2-2，A8-2，A1-2，A9-2)→合龙边跨(A5-1，A5-3)→合龙相邻联边跨(A4-3，A6-1)→拆除临时预应力筋→合龙相邻联边跨(A4-1，A6-3)，以此类推。

4)方案4(先边跨后中跨) 先合龙每联边跨，然后依次合龙每联中跨，具体步骤如下：合龙边跨(A5-1，A5-3)→合龙相邻联边跨(A4-3，A6-1)→拆除临时预应力筋→合龙相邻联边跨(A4-1，A6-3)→合龙A3，A7联边跨(A3-3，A7-1)→拆除临时预应力筋→…→合龙A5联中跨(A5-2)，以此类推。

2 4种合龙方案对比分析

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil有限元软件建立9联3×70m连续刚构桥三维有限元模型，如图3所示。模型中交接缝填充物采用梁单元模拟，并释放交接缝位置处单元两端约束。

图3 9联3×70m连续刚构桥三维有限元模型

2.2 结构应力对比分析

施工过程中和成桥运营状态下，桥墩与合龙段梁截面易出现弯曲裂缝。各合龙方案中最大跨数为7跨，以A5联和A4联交接墩、中间墩处和合龙段处主梁及桥墩顶、底端截面作为应力统计点，对比分析不同合龙方案施工过程中和成桥状态下结构应力，如图4所示。应力统计为结构上、下翼缘4个位置处最大应力(压应力为负，拉应力为正)，结果如图5～8所示。

图4 应力统计点示意

图5 成桥阶段桥墩应力

由上述分析可知：

1)成桥状态下，不同合龙方案主梁应力相差较小，主梁均处于全截面受压状态，4种方案中最大应力差为0.42MPa；不同合龙方案桥墩最大应力相差不大，方案2应力最大，为1.1MPa，方案4应力最小，为0.85MPa，最大差值为0.25MPa。

2)不同合龙方案合龙施工中主梁最大应力相差较小，最大应力差为0.63MPa，中跨靠近中墩主梁施工过程中出现拉应力，这主要和中跨合龙束预应力张拉有关；合龙施工过程中桥墩最大应力相差较小，方案4施工过程中桥墩应力最大，为2.87MPa；方案2施工过程中桥墩最大应力最小，为2.62MPa。成桥状态下桥墩应力状态相差较大，其中方案1～3桥墩最大应力出现在中墩，方案4施工过程中桥墩最大应力出现在边墩。

图6 成桥状态下主梁应力

图7 合龙过程中主梁最大应力

图8 合龙过程中桥墩最大应力

2.3 不同合龙方案结构变形分析

在不考虑预拱度和结构长期挠度效应情况下，可认为成桥状态各点挠度为0时的线形为桥梁成桥线形。由于桥墩处梁挠度较小，合龙口处挠度较大，以A4联和A5联合龙口位置处成桥挠度为例对比分析不同合龙方案成桥状态下主梁线形，如图9，10所示。

图9 变形统计点

图10 4种合龙方案合龙口竖向挠度

方案1和方案3成桥线形较接近，不同合龙方案成桥状态下合龙口最大下挠量和上拱量相差不大。各合龙方案成桥状态下最大下挠量均在20mm左右，最大起拱量均在10mm左右；方案4相对于其他合龙方案，各合龙口位移偏离挠度为0的基准线要小，方案4较接近成桥线形。

2.4 环境温度作用下结构应力分析

连续刚构桥对环境整体温度较敏感[5]，由于交接墩两侧箱梁进行了临时固结，不同合龙方案合龙过程中存在的最大跨数不同，合龙施工过程中跨数越多，结构在温度作用下效应越明显，方案1～4合龙过程中存在最多跨数分别为7，5，7，3。拟定合龙过程中环境温度升、降温差为15℃，方案1～4合龙施工过程中出现最大跨数施工阶段，在环境温度荷载作用下主梁和桥墩应力统计结果如图11，12所示(由于墩顶相对于墩底应力较大，主梁合龙段处于受压状态，图中未示出桥墩底部截面主梁合龙段截面应力)。

图11 温度作用下主梁应力

图12 温度作用下桥墩应力

综上分析可知：

1)施工过程中环境温度变化对主梁和桥墩的应力影响较大，环境温度对主梁和桥墩应力影响，方案4相对于其他3个方案影响较小。4种方案中，方案1和方案3主梁与桥墩最大应力最大，分别为3.6，6MPa;方案2主梁和桥墩最大应力分别为2.3，4.2MPa；方案4主梁和桥墩最大应力分别为1.4，4.1MPa。由于上述计算结果是基于合龙过程中最大跨数，方案2最大跨数为5跨，当临时预应力筋拆除后为3跨，环境温度荷载作用下，方案2的桥墩最大应力和方案4相当。

2)环境降温相对于升温对主梁和桥墩应力影响较大，主要是因为环境降温对桥墩变形与合龙束预应力张拉引起的桥墩变形相同。因此，主梁应选择环境温度较低时进行合龙。

3)在不考虑环境温度作用下，不同合龙方案，合龙施工过程中和成桥时主梁与桥墩最大应力及主梁合龙口下挠量相差较小；综合考虑环境温度荷载对合龙过程中主梁和桥墩应力影响，防止施工过程中主梁开裂，方案4应为推荐方案。

3 施工过程中交接缝变形分析

交接缝变形过大，可能会造成交接墩临时预应力筋失效。临时预应力筋失效后有最大悬臂T形和π形2种结构。在分析交接墩交接缝相对变形时，忽略交接缝中填充物对墩约束作用。

3.1 交接缝竖向变形分析

由于T形悬臂结构左、右两边荷载对称，所以此时交接墩交接缝相对位移为0。π形结构可能出现在方案4中，此时由于边跨合龙束张拉和边跨合龙段自重及挂篮荷载会导致交接缝产生变形，此时交接缝竖向相对变形为1.2mm。悬臂施工时，理论宜完全对称浇筑，如混凝土泵送困难而难以实现，设计单位规定两端浇筑不平衡≤8t，此时T形结构交接缝竖向变形相对值为1.0mm(见图13)。

图13 交接缝竖向变形

3.2 交接缝横向变形分析

造成施工过程中交接缝横向变形的主要荷载是风荷载，统计桥址处历年气象资料，桥址处瞬时风速可达40m/s。根据JTG/T 3360-01—2018《公路桥梁抗风设计规范》[6]中最大悬臂阶段风荷载最不利布置原则，计算得到T形结构交接缝横向相对变形为3.6mm，π形结构交接缝最大相对变形为5.6mm(见图14)。

图14 交接缝横向变形

4 结语

1)主梁不同合龙顺序对施工过程中主梁最大应力和成桥时主梁与桥墩应力及主梁成桥挠度影响较小。

2)环境温度对不同合龙方案合龙过程中桥墩和主梁应力影响较大，综合考虑环境温度对合龙施工过程中主梁与桥墩应力影响，方案4为最优方案。

3)环境降温相对于升温对结构应力影响较大，主梁应选择在环境温度较低时进行合龙。

4)悬臂浇筑施工过程中不平衡荷载和风荷载对交接缝相对变形影响较小，交接缝竖向和横向相对变形≤6mm。