空间索面斜拉桥宽幅混凝土主梁施工关键技术

魏 星,黄剑飞

(1.中交第二航务工程局有限公司,湖北 武汉 430040; 2.中交二航局第二工程有限公司,重庆 401121)

1 工程概况

水东湾大桥为双塔双索面混凝土梁斜拉桥,三跨连续半漂浮体系,总长628m,桥跨布置为150m+328m+150m;主梁采用PK断面,全宽35.8m,双向6车道;主梁采用双向预应力体系,海工混凝土强度等级为C55;主梁中心线处梁高3.2m,边箱底板宽8.9m,中间桥面板宽18m,横桥向主梁底板水平,桥面设2%双向横坡;除27m的边跨现浇段及合龙段外,其余节段均采用前支点挂篮悬浇,标准节段长7m,桥型布置、横断面、三维构造分别如图1～3所示。

图1 水东湾大桥桥型布置(单位:m)

图2 主梁横断面(单位:cm)

图3 主梁三维构造

2 总体施工流程

主梁总体施工流程如图4所示。

图4 主梁总体施工流程

3 0号块施工

3.1 0号块支架

0号块长18m,混凝土总方量为675m3,采用落地支架现浇施工,0号块支架基础位于承台及塔座上,支架结构主要由贝雷梁、分配梁、水平梁、立柱、附着、支撑牛腿等组成,0号块支架结构如图5所示。

图5 0号块现浇支架

3.2 0号块施工

在0号块支架上搁置装配化底模支撑垫架,底模采用木模系统,0号块混凝土采用泵车一次浇筑成型,0号块须预留前支点挂篮锚固孔。

3.3 塔梁固结

塔梁固结与0号块同步施工,塔梁临时固结的方式为在主梁内侧腹板位置下方的主墩下横梁上分别浇筑4个C50临时垫块,临时垫块截面尺寸为150cm×160cm×150cm,每个临时垫块顺桥向两侧各布置2排HRB400型φ32钢筋,单排钢筋共16根,单根长462cm,间距10cm,加工成“L”形,钢筋上端锚入主梁,下端锚入下横梁,临时垫块中间设置3cm厚夹电阻丝硫磺砂浆层,待全桥合龙后解除固结约束,用电流熔化硫黄砂浆层,将锚固筋割断并凿除移除临时垫块,使主梁落在永久支座上,塔梁固结如图6所示。

图6 塔梁固结

4 复合式前支点设计、安装及预压

4.1 复合式前支点挂篮构造

前支点挂篮由主桁、承载平台、牵索系统、行走系统、定位系统、锚固系统、模板系统、操作平台及预埋件系统等组成,总装质量330t,全桥共需4套挂篮;承载平台是挂篮支承悬浇荷载及模板体系的主体结构;张拉机构的功能是在挂篮悬浇施工时将斜拉索与挂篮连接起来形成前支点,在悬浇完成后,将斜拉索与挂篮分离,实现索力转换;行走系统实现挂篮空载前移功能;定位系统实现挂篮浇筑前的初定位及微调定位功能;挂篮锚固系统设置于已浇梁段上,与斜拉索协同受力共同承受悬浇梁段施工荷载;模板系统由底模及外模、内腔模板及拱架、支撑等组成;工作平台主要供施工人员往返,保证挂篮施工人员安全;前支点挂篮构造如图7所示。

图7 前支点挂篮构造

4.2 挂篮安装

在塔区钢平台上组合拼装挂篮,整体拼装成型后,边、中跨2套挂篮采用8台TS200-250型连续千斤顶同步整体提升,监控观测控制提升相对高差在5cm以内。提升到位后,转换至挂篮自有提升系统,拆除连续千斤顶,利用挂篮自有提升系统将挂篮提升至预定位置,调整模板,安装中、后支点,安装止推机构,按设计要求预紧精轧螺纹钢。

4.3 挂篮预压

挂篮采用砂袋预压,预压荷载为1号节段施工组合荷载的1.2倍,分30%,70%,100%,120%共4级加载,消除挂篮的非弹性变形,并测量变形值大小,获取挂篮弹性变形值与荷载间的线性关系,为主梁预拱度的设置提供立模依据,确保主梁成桥后的整体线形及标高符合设计要求,验证挂篮的实际承载能力及结构安全性,挂篮预压如图8所示。

图8 挂篮预压

5 挂篮悬浇施工

5.1 挂篮行走

5.1.1三角桁架前移

1)施工节段预应力张拉完成,将挂篮上索力转换到已浇主梁上,进行斜拉索“三张”,实现索力转换,拆除张拉千斤顶。安装三角桁架反压梁,安装牵引千斤顶系统,拆除三角桁架后锚,三角桁架在牵引力作用下前移,前移到位后进行锚固,三角桁架前移如图9所示。

图9 三角桁架前移

2)安全注意事项。检查确认三角桁架前移方向无阻挡;反压滚轮注油保养,能自由转动;反压滚轮安装到位,防倾覆精轧螺纹钢撑杆与混凝土面距离≤50mm;在三角桁架两侧对称牵引前移,及时调整反压滚轮位置防倾覆;三角桁架到位后,锚固锁紧φ40精轧螺纹后锚,单根预紧力200kN;4台穿心千斤顶同步下放拱架,累计同步性误差≤50mm,单行程20cm,下放总高度340cm,共17个行程。

5.1.2挂篮下放

1)依次拆除挂篮主纵梁后锚、中横梁锚固、后支点、止推机构;采用挂篮前锚杆组与前吊点下放挂篮;挂篮下放1.5m,下放过程中保证各吊点受力均匀,挂篮整体下放如图10所示。

图10 挂篮整体下放

2)安全注意事项。三角桁架前吊点行走滑靴就位,精轧螺纹钢并锁紧锚固受力均匀;对称同步卸载并拆除中横梁锚固,将精轧螺纹钢吊放至桥面;全面检查确认挂篮下放空间范围内无干涉、无阻挡;主纵梁前锚杆组及三角桁架前吊点共4个吊点整体下放挂篮,所有吊点2台千斤顶均由1台油泵集中控制;空载试运转下放系统管路及电路工作正常;各吊点下放同步性累积误差控制在50mm以内,在精轧螺纹钢上标识刻度尺量控制,尺量检查4个吊点累计下放高度的同步性;挂篮下放到位后调整对位安装前、后行走系统钢吊带,将精轧螺纹钢卸载转换为钢吊带受力;后行走系统精轧螺纹钢锚固预紧,单根预紧力200kN,安装锚固支座及拉杆。

5.1.3挂篮行走

1)安装前行走滑靴钢吊带,安装后行走小车并预紧;拆除挂篮前锚杆组;安装千斤顶牵引系统;各牵引点同步启动进行挂篮前移,挂篮行走如图11所示。

图11 挂篮行走

2)安全注意事项。拆除主纵梁前、后锚杆组,将精轧螺纹钢上提放置在桥面;拆除后支点锚固支座放置在挂篮主纵梁上固定,回缩后支点螺杆;检查滑靴与三角桁架主梁接触面整洁无渣物且表面均匀涂抹黄油润滑良好;后行走滚轮注油保养,转动自由;全面检查确认所有行走干涉全部解除,挂篮前移方向无阻挡;挂篮由三角桁架2台50t千斤顶、后行走系统2台20t千斤顶同步工作牵引前移,各点累积误差≤50mm,单个行程前移25cm;后行走系统轨道尾部须安装限位挡板,防止行走车架与轨道脱空。

5.1.4挂篮提升

1)挂篮行走到位后,安装三角桁架前吊点锚杆组,拆除前吊点钢吊带,安装主纵梁前锚杆组,拆除后行走小车,采用主纵梁前锚杆组和三角桁架前吊点提升挂篮,4个提升点同步进行,受力均匀,挂篮提升如图12所示。

图12 挂篮提升

2)安全注意事项。全面检查挂篮锚杆组预留孔洞的平面位置及垂直度,平面偏差≤10mm,不垂直度误差≤5mm;桥面精轧螺纹钢锚固垫板范围内采用钢板或M50砂浆找平消除承压面纵横坡度及不平整度,平整度误差<1mm,调平层厚度<3cm;挂篮行走到位并经测量复核后,安装主纵梁前锚杆组及主桁前吊点锚杆组作为挂篮整体提升吊点;全面检查确认挂篮提升空间范围内无干涉、无阻挡;挂篮提升单个行程15cm,提升直至边箱室斜底模后端贴合已浇混凝土,千斤顶油表压力保持稳定在提升状态,提升同步性累积误差控制在50mm以内;安装中横梁锚杆组并锁紧螺母,顶升千斤顶直至边箱室水平底模后端贴合已浇混凝土,千斤顶油表压力保持稳定在提升状态。

5.1.5挂篮锚固

1)挂篮提升到位,复测并调整挂篮轴线,安装后支点,与前吊点共同调整挂篮标高。标高调整到位,依次安装并预紧主纵梁后锚杆组、止推机构、中横梁锚杆组、主纵梁前锚杆组,挂篮后支点及止推机构如图13所示。

图13 挂篮后支点及止推机构

2)安全注意事项。根据监控指令用三角桁架吊点调整挂篮模板标高,测量全程跟踪控制,调整过程中严密监测前吊点千斤顶油表读数,出现异常立即停止作业;安装后支点锚固支座,预紧φ40精轧螺纹钢(单根钢预紧力300kN),后支点千斤顶顶升直至后支点球铰支座顶面顶紧锚固支座底面,锁紧螺母;提升并预紧主纵梁前锚杆组(单根预紧力300kN)、中横梁锚杆组(单根预紧力500kN);安装并预紧主纵梁后锚杆组(单根预紧力300kN);安装止推机构,安装止推座及其φ40精轧螺纹钢,将止推座提升至梁底预留5mm间隙,顶升止推机构5t千斤顶,确保止推座抗剪柱贴紧预埋件后端,迫使止推螺杆顶紧主纵梁反力座,旋紧止推螺母密贴止推座,预紧止推座精轧螺纹钢(单根预紧力300kN);整体提升拱架3.4m,拱架模板后端密贴已浇梁段,前端标高根据监控指令测量调整。

5.1.6张拉机构定位

张拉机构由前支点调节支座、张拉分配梁、滑块、张拉杆和精轧螺纹钢筋组成,张拉机构如图14所示。前支点调节支座与分配梁间采用销轴连接,能调整张拉杆纵桥向角度,张拉分配梁上设置了滑块,用于调整张拉杆横桥向角度,张拉千斤顶通过撑脚固定在滑块上。因而该牵索系统可调整以适应各节段斜拉索空间角度的变化。精轧螺纹钢筋用于固定前支点调节支座,张拉产生的沿主纵梁头部斜面方向的分力由其来承受。挂篮锚固后,张拉机构采用液压千斤顶定位,先竖向定位,再横向定位,定位后锁死精轧螺纹钢螺母,防止移位。

图14 挂篮张拉机构

5.2 挂索

索上桥面后进行展索,先塔端入锚,采用塔式起重机或塔顶门架卷扬机提升斜拉索锚头,塔内卷扬机配合牵引将斜拉索锚头穿入索导管并锚固于塔内钢锚梁上,塔端牵引入锚如图15所示;梁端压锚时,在挂篮前端设置卷扬机滑车组,汽车式起重机配合牵引入锚,梁端牵引压锚如图16所示。

图15 塔端牵引入锚

图16 梁端牵引压锚

5.3 斜拉索张拉

斜拉索张拉包括初张、二张、三张及全桥索力调整;挂篮行走到位锚固后,挂索后进行第1次张拉,一张主要为挂篮前端立模调整标高、以标高控制为主,第1次张拉30%;第2次张拉在梁段混凝土对称悬浇至50%时进行,二张以标高控制为主、索力控制为辅,第二次张拉70%,二张完毕后继续浇筑梁段剩余混凝土,混凝土必须控制在整个梁段全部浇筑完毕后才允许初凝,因此混凝土初凝时间不得小于浇筑时间和二张时间之和;梁段混凝土浇筑完成且混凝土强度达到90%、弹性模量达到80%且养护7d,且预应力张拉完毕后进行斜拉索索力转换,索力转换完成后在塔端进行第3次张拉,三张以索力控制为主、标高控制为辅,斜拉索塔端张拉如图17所示。

图17 斜拉索塔端张拉

5.4 主梁钢筋混凝土施工

斜拉索初张完成后,进行主梁钢筋、模板混凝土施工,为提高施工效率,标准节段横梁钢筋、内模装配化施工,横梁钢筋、内模在已浇节段上进行组拼,成型后整体吊装。

浇筑顺序为腹板(或横隔板)→底板→腹板→顶板。先浇筑腹板,底板混凝土由内模顶部窗口入模,面板混凝土由两侧翼缘板边缘向中间相向靠拢浇筑,梁段混凝土由前端向后浇筑,最后在梁段根部与已浇筑梁段接合,混凝土浇筑顺序如图18所示。

图18 混凝土浇筑顺序

6 边跨现浇段施工

6.1 施工概述

边跨B18a现浇段长27m,梁段斜拉索索距为4.4m,共设计有6对斜拉索,C55海工混凝土方量为2 700m3,边跨现浇段三维模型如图19所示。

图19 边跨现浇段三维模型

6.2 现浇支架及预压

边跨现浇段采用水中支架施工,支架预压荷载取施工荷载的1.05倍,采用水袋预压,现浇支架如图20所示。

图20 现浇支架及预压

6.3 梁体锚固区定位

边跨现浇段施工须精确定位预埋斜拉索梁端索导管,通过三维建模干涉分析,垫架三维模型如图21所示,分组加工制作锚固区异形垫架,现场装配化安装,基于垫架可准确安装锚固区模板,并精确定位索导管,锚固区及索导管定位如图22所示。

图21 垫架三维模型

图22 锚固区及索导管定位

6.4 现浇施工

边跨现浇段分2层进行施工,第1层施工完成后,待混凝土达到一定强度后对混凝土表面进行凿毛,凿毛完成后将表面的杂物清除干净,绑扎第2层钢筋、横向预应力、安装纵向预应力管道,浇筑混凝土,混凝土采用2台泵车浇筑。

7 合龙段施工

1)边跨和中跨合龙段长度均为2m,先边跨合龙再中跨合龙,边跨合龙利用挂篮和边跨现浇支架作为支撑结构,中跨合龙利用挂篮作为支撑结构。

2)配重设置。合龙时采用水箱配重;边跨合龙段设计梁段长2m,混凝土方量为80.5m3,梁段重209t,边跨合龙段配重设置在悬臂侧,配重为209÷2=104.5t; 中跨合龙段混凝土方量为47m3,梁段重122t。中跨合龙段配重设置在悬臂端两侧,每侧配重为122÷2=61t,边跨合龙配重如图23所示;合龙过程中根据监控单位提供的数据和现场施工情况,适当调整配重。

图23 边跨合龙配重示意

3)劲性骨架安装锁定。合龙段施工时,为了使两边梁体尽可能协调变形,保证混凝土接合顺畅以及为保证两边梁段稳定,在合龙段两边梁端的顶板、腹板、底板设置了12组2m长I30a,通过与预埋在两边梁端的预埋件焊接在一起,起到刚性连接作用,劲性骨架如图24所示。边跨合龙段劲性骨架锁定前解除过渡墩支座临时限位;中跨合龙段劲性骨架锁定后,解除主塔与主梁间的临时固结装置,割除临时固结墩周围的钢筋及顶面的型钢,完成体系转换。

图24 劲性骨架

4)合龙段现浇施工。合龙段钢筋、预应力安装完成验收合格后,浇筑合龙段微膨胀混凝土,浇筑过程中,按新浇筑混凝土质量分级卸去平衡重。合龙段混凝土选择在1天中气温最低时进行浇筑,可保证合龙段新浇筑混凝土处于气温上升的环境中,在受压状态下达到终凝,以防混凝土开裂。

8 二期恒载铺设及索力调整

主梁合龙后,拆除边跨现浇段支架、边跨挂篮、中跨挂篮,进行二期恒载铺设,二期恒载包括护栏、沥青混凝土面层、照明、监控等设施自重。

二期恒载铺设完成后,监控单位对斜拉索索力及桥面标高进行监测,借助大型通用有限元计算程序MIDAS建立的有限元计算模型,通过模型设计计算的数据和实际监测数据进行分析,对斜拉索索力进行调整,使实际索力趋于设计期望值,使桥梁整体线形接近最终的设计恒载线形。通过分析,铺装后全桥实测索力与理论索力拟合较好,实测索力满足JTG F80/1—2017《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》及《省道280线水东湾大桥主桥施工监控实施方案》等的要求,无须进行索力调整。主桥线形及索力分析如图25～27所示。

图25 二期恒载铺装后主桥总体线形示意

图26 二期恒载铺装后西塔实测与理论索力对比

图27 二期恒载铺装后东塔实测与理论索力对比

9 结语

空间索面斜拉桥宽幅混凝土梁施工工艺复杂,安全风险高,通过技术创新,研发了复合式前支点挂篮进行主梁悬浇支撑体系,采用连续千斤顶整体提升方法安装挂篮,大大缩短混凝土梁施工周期,降低安全风险;研发了具有极强适应性的前支点挂篮张拉机构,解决了梁端锚固点定位难题;通过工艺优化,边跨现浇段采用装配式支撑垫架,确保了梁段锚固区及索导管的精确定位。通过上述技术攻关,最终保质保量按期完成水东湾大桥建设,对类似工程项目具有较高的推广价值。