京沪高铁濉河特大桥悬灌梁合拢段施工技术
2017-07-17
1.工程概况
濉河特大桥（DK754+432.93-DK754+570.59）跨正在修建的泗宿高速公路，线路与高速公路正交，桥跨布置为40m+56m+40m变截面预应力连续箱梁。梁顶宽度为12.0m，梁底宽度为6.7m,顶板厚度除梁端附近外均为0.4m，底板厚度0.4-0.8m，按直线形变化，腹板厚度0.48m-0.8m，按折线变化。该梁设计分为31个施工节段，梁高自0#块底部线形按二次抛物线变化，其中0#块长度为9m，高度为4.35m，中跨和边跨的合拢段长度为2m、边跨直线现浇段梁长11.75 m,梁高为3.05m。
2.合拢段施工程序
根据设计要求本桥梁合拢顺序为先合拢1986#墩边跨、后合拢1989#墩边跨、再合拢中跨（如图1所示），即先将T构转化为悬臂的简支梁结构再完成桥梁的最终体系转换，由静定的简支悬臂结构转变为超静定的连续梁结构。合拢段采用挂篮合拢的方法合拢，中跨合拢时用平衡水箱进行平衡，重量为合拢段梁体重量和施工人员重量之和。边跨合拢后，卸除主墩处临时支墩、边跨现浇段支架以及梁顶的两端挂篮，使梁体处于完全简支状态同时尽量减小中跨合拢前梁体在外力作用下产生的附加内力。中跨合拢采用吊架施工，将底模架及内外侧模对称吊在合拢段两端的6’#梁段上进行合拢施工；在中跨合拢时，对待合拢的两悬臂端进行平衡配重。而后，即可对待合拢两端梁体进行临时锁定施工，临时锁定完成后即可进行钢筋绑扎、混凝土浇筑施工。边施工边对平衡配重进行调整，当混凝土强度达到设计强度的95%，弹性模量达到100%，龄期5天以上进行底板预应力束张拉调整梁体内力完成桥梁体系转换。
3.合拢段施工准备
T构悬浇施工至4#节段以后对两T构顶底板高程、轴线进行联测，实测数据准确、及时进行监控分析，根据分析数据实时调整最后3段的现浇预抬值以保证合拢线形精度。
对5#（5’#）、6#(6’#)节段砼输送泵车泵送砼速度进行统计，为确定中跨合拢段两端在砼浇筑时配重卸载速度提供参考依据。
4.合拢段模板工程
4.1边跨合拢段
边跨合拢段模板由底模、外侧模、内模等几部分组成。
底模:采用8cm的槽钢加6mm厚面板的定型钢模板，模板一端支撑在支架平台方木上，另外一端支撑在挂篮上。
外侧模：外侧模利用现浇段模板，顺桥向长度为3.6 m。腹板及翼缘板部分一次支立并调整至正确位置。外模框架作为翼缘板施工时的支架。
内模：内模采竹胶板，内模设有内模框架。
4.2中跨合拢段
边跨合拢后，将中跨端挂篮主桁架即桥面杆件、轨道等全部拆除。对于下部模板体系，中跨合拢段两端悬臂端也作相关拆除，仅留有1套挂篮底模架、1套长2.5m的内模架和1套长度为2.5m的外模架作为中跨合拢段的施工吊架。将上述模板部件在中跨合拢段两端悬臂梁段对称吊挂，确保合拢施工时合拢段混凝土重量在两悬臂端同比例分配，使得两端梁变形同步，减小剪力差。
5.平衡配重
该梁中跨合拢段砼（包括跨中隔板）数量为10.271 m3,重量为26.704T。中跨合拢配重采用水箱蓄水方法，水箱由薄钢板焊制而成，底部设置流速可达20 m3/h的出水阀，其总长度为10m 、宽2m、高1.5，置于距6’#段梁端0.4m 处。1987#、1988#墩T构分别在中跨合拢段一端设水箱蓄水13.35 m3(即13.35T)。水箱就位后，使用红色油漆在水箱内立面上自底部至上做出水平标记线并以标示刻度，线距为5cm，即卸载时水位每降低一个线标记刻度卸载量为1T。合拢段两侧6’#段上水箱皆蓄满13.35 m3水后，即进行劲性骨架焊接与合拢束张拉相结合的待合拢T构临时锁定施工。
6.临时锁定
6.1临时锁定设计
合拢段临时锁定分为两部分：a、劲性骨架连接b、合拢束张拉。
本桥合拢口锁定拟采用2I32a槽钢组合，焊接为劲性骨架支撑（临时外支撑）和张拉合拢口一定范围内的顶底板临时预应力束外拉的方式，将合拢段两端临时连接共同锁定，用刚性支撑抵抗混凝土升温时产生的压力，用预应力抵抗混凝土降温时产生的拉力，以保护合拢段混凝土的完整性。
刚性支撑设置：边跨现浇段及6#块端部顶、底板各预埋4块50×60×2cm钢板，钢板加焊锚固钢筋进行加强，沿梁顶、底板纵向设4根2I32a的组合槽钢支撑。合拢段临时锁定设计见图2。
图2合拢段临时锁定设计立面图
6.2临时锁定计算及分析
根据宿州市气象局提供的2009年年6、7、8、9、10月气温，得到现场温度统计表(见表1)
表1现场温度统计表
项目名称 6月 7月 8月 9月 10月
最低气温 25.4℃ 29.1℃ 27.2℃ 21.5℃ 17.2℃
最高气温 31.5℃ 34.6℃ 35.2℃ 30.1℃ 26.2℃
平均气温 28.5℃ 31.9℃ 31.2℃ 25.8℃ 21.7℃
本桥根据目前施工进展，计划在9月份进行相应的边、中跨合拢。梁端到主墩27m，按梁体浇筑后洒水降温，升温后最大温差取18℃考虑计算。在桥墩1987#和1988#主墩位置设置了临时固结装置，箱梁截面特性统计表，如表2所示。
表240+56+40m连续刚构箱梁截面特性统计表
名称 节段号 平均截面积(m2) 节段长度(m)
悬臂长 0 15.51 9 16.58
1 14.53 3.5 6.88
2 13.74 3.5 7.28
3 12.72 3.5 7.86
4 11.40 4 10.03
5 10.50 4 10.88
6 10.27 4 11.13
合拢段 7 10.27 2 5.56
边跨现浇 8 11.75
依据中跨计算合拢段，对边跨合拢偏安全，假设两墩身无位移，则依变形协调原理，依据公式：
将L=56m，αh=10×10-6/℃，Lh=27m，Lg=2m，Eg=2.2×105Mpa，Ag=15.2×10-4m2，Eh=3.5×104Mpa，△t=18℃代入上式，计算得N=6028kN。
根据计算可知，梁因升温所受的轴向力较大，此时只有边跨合拢后对梁体有约束力，如果约束力小于梁因升温所受的轴向力，梁体肯定会产生位移。
因为合拢期短，可不计砼的徐变，由于温度升高将会产生数千吨的温度内力，刚性支撑无法承受，故为方便施工，在合拢口锁定后，立即释放一侧的固定约束，使梁一端在合拢口锁定的连接下能沿支座自由伸缩。边跨合拢的应力分析图如图3所示。
图3边跨合拢应力分析图
根据力学分析原理和上述分析：令N=Q×f（N为合拢口刚性支撑所受压力；Q为支座上的梁体重量；f为支座摩擦系数）
边跨合拢时：依据设计图纸，梁重取Q=3333.7kN，f=0.15
则N=Q×f=3333.7×0.15=500.06kN
中跨合拢时，梁重为T构重与边跨现浇段和合拢段重
依据图纸取Q=24658.8kN,f=0.05
则，N=Q×f=1232.94kN
故中（边）跨合拢段劲性骨架和临时张拉预应力按照中跨受力较大设计偏于安全，取N=1232.94kN,Ny=1232.94kN（Ny为预应力束的张拉力）。
根据现场的实际情况，在底板顶及顶板顶两边预埋2[32c槽钢，在其上焊接2[32c沿梁向槽钢，如图4所示。
①劲性钢骨架容许力计算
槽钢[32C截面特性：
A=61.5cmq=48.3kg/mIx=8690cm4Wx=543cm3
t=14mm b=92mm d=12mm h=32cm a=6cm Z0=2.09cm Z=7.11cm
h1=h一2t=32―2×1.4=29.2(cm)
Iyo=1/3[hz03-h1(z0-d)3]+2/3×t×z3=643(cm4)
Izo=1/12[bh3-(b-d)h13]=8524(cm4)
Am=[bh―h1(b―d)]×2=121.6(cm2)
本桥梁劲性骨架采取外锁式，槽钢预埋在边跨现浇段与边跨悬臂端，压杆长度取2.4m进行两端焊接，劲性骨架压杆验算时按μ=1进行。
槽钢2[32c截面组合后最大临界力为：
Iz=2Iz0=2×8524=17048(cm4)
Iy=2Iy0+A(a/2+z)2=2×643+121.6×(6/2+7.11)2
=13715(cm4)
Iyry=(Iy/Am)1/2=(13715/121.6)1/2=10.62(cm)
λ=μ×L/ry=1*240/10.62=22.6，查取φ=0.932
则单个立杆径性钢骨架受力
[N]=φ×Am×[f]
=0.932×121.6×168=1904kN
每个合拢段共设置4根组合槽钢，
则支撑力N=4×1904=7616kN＞1232.94kN
满足安全要求，其安全系数Kf=6.2。
下面对杆件所受应力进行验算，劲性骨架受温度应力和自重力影响，杆件的应力验算模型如图5所示。
图5 合拢段临时劲性骨架验算模型
L=2.4m，q为组合槽钢自重，q=2×48.3×4=3.864(kN/m)
N=1232.94kN
根据分析，杆件在跨中1/3长度范围内所受弯矩最大，最大弯矩计算如下：
M=ql2/24=3.864×2.42/24=0.93(kN•m)
rz=(Iz/Am)1/2=(17048/121.6)1/2=11.84(cm)
组合槽钢构件长细比λ=αL/h×rz/ry=1.8*240/32*11.84/10.62
=15.05
查表可知φ2=0.9，μ=1.4
δ=N/Am+φ/μφ2×M／Wx=1232.94/(121.6*4)+0.932/(1.4*0.9)*0.93*(543*4)=1.5MPa
杆件的容许弯矩为φ2[δ]=0.9*140=126MPa。
δ＜φ2[δ]，满足要求。
组合槽钢预埋位置受剪力计算：
τ=N／Am=1232.94/(121.6×4)=2.53MPa≤85MPa，满足要求。
根据以上验算可知选择的槽钢组合具有较大的安全系数，安全满足要求。
②预应力张拉临时束张拉力计算
边跨合拢段临时锁定张拉顶板束T9(16-7φ5)、底板束B12（15-7φ5），左右各一束，共4束；
中跨合拢段临时锁定张拉顶束采T10(16-7φ5)、底板束B1（17-7φ5），左右各一束，共4束；
张拉力值取：1232.94kN/4=308.235kN。
6.3焊接施工
优选八名专业焊工，每人配置一台电焊机，电焊机都接上电源线就绪。进行骨架焊接时，焊工分工明确、责任到人；一旦达到施工条件立即进行作业。在临时锁定前先将骨架一端与预埋钢板上的槽钢进行牢固焊接，待达到锁定时间后，再按临时锁定设计要求将骨架另外一端与预埋固定钢板满焊，施焊时选用J502焊条，三角焊缝高度12mm。施焊过程中调整焊机电流，保证焊点温度适中，既能形成有效焊缝又不烧伤被连接的钢板和槽钢。对于上层骨架的焊接，由具备较好仰焊技术的焊工完成。施焊过程应连续快速，同时焊接应符合设计和钢结构规范要求。每完成一条焊缝，现场质检工程师对其进行检查，并认真做好完整的焊接记录；一旦发现已焊部分（特别是下部钢板的仰焊部分）不能满足规范和设计要求的，必须更换施焊人员对其重新进行补焊。劲性骨架焊接完毕，立即进行合拢束的张拉施工。
6.4合拢束张拉施工
在焊接施工前，将合拢束穿好。对于边跨合拢， 4个YCW4000穿心千斤顶分别下放至合拢段6#段底板上和边墩墩顶，再人工分别使其滑移至5#段和边墩顶梁端T9束张拉槽口位置；对于中跨则将千斤顶安装至6’#段T10束张拉槽口位置。因合拢束是顶板束，需在张拉齿板处搭设操作平台，同时通过前段施工时的预留孔将穿心千斤顶从箱室底板吊起，安装好锚具夹片并将千斤顶油管接好油泵接电，做好一切张拉前准备工作。合拢束的张拉与梁体顶底板纵向预应力钢束张拉相同，在锁定施工中将顶板合拢张拉至3000KN(双束)。根据回归方程推算设计张拉力的油表读数，两侧钢束对称同步分级张拉，认真、准确记录钢绞线伸长值，对张拉过程进行双控。合拢段混凝土浇筑后，砼达到张拉强度，底板纵向钢束张拉完毕，对顶板合拢束T9（T10）进行二次张拉，此时将合拢束张拉至设计锚下控制应力。T9（T10）束张拉完成后对管道压浆，完成合拢段施工。
7.钢筋工程
合拢段的钢筋分两次绑扎；即先绑扎底、腹板部分钢筋，内模组装完成后再进行顶板钢筋的绑扎。
8.混凝土工程
合拢段砼浇筑时间选择为一天温度最低时，施工气温10-15℃。
合拢段施工前，应做好近期天气情况和气温变化记录。气温变化测量应连续3-5天，测量频率为每一小时1次。根据统计数据汇出每日气温随时间的变化曲线，拟定合拢段施工时间。施工当日继续测量气温，频率为每30min一次，根据温度变化趋势再结合拟定的合拢段施工时间段确定具体施工时间。
9.预应力施工
中跨合拢后，待张拉预应力束除T10束为顶板外，均为底板束，按设计张拉顺序进行预应力施工。因该梁体为变截面梁，而外轮廓的高度变化主要在于箱梁底板位置的变化较大，即箱梁底板沿桥梁纵向高程变化较大，所以底板钢束的管道曲率半径较小，张拉时钢束径向力较大。预应力张拉时应严格分级张拉，适当降低千斤顶加荷速度，尤其按设计要求最后张拉的钢束。
10.中跨合拢吊架拆除
中跨合拢后底板束张拉压浆完毕，全梁完成由简支状态变成连续状态的体系转换。对中跨合拢施工吊架进行拆除，拆除吊架时应将施工区域封闭，使用吊车分别将外侧模和底模拆除。内模由人工拆除后从箱室内转运至梁体边跨端部，再由吊车吊装至地面。
11.施工过程注意事项和控制要点
施工前测试合拢段施工时期的最低温度和最高温度，以便确定合拢时间，并为合拢口锁定提供依据，合拢口锁定应迅速，对称进行，刚性支撑安装、焊接完成后，立即张拉临时预应力束；边跨现浇段不需配重，中跨合拢口距梁端等距压载合拢口砼重的一半，并随砼的浇筑同时减载，减载量与砼的浇筑量相等。
合拢后，张拉前，支座附近10cm范围内砼及其他异物应清掉；合拢段施工前，应放出合拢段相邻梁段的梁端线，并用墨线弹好，人工凿齐，合拢段锁定3-5天前按1h/次测出梁端梁腔内气温、合拢段长度、标高、绘出气温-时间曲线、温度-长度、温度-标高曲线，确定锁定时间。
合拢段砼施工后，应采取降温与通风措施确保梁腔内温度不超过35度，混凝土养护不少于14天。
12.结束语
该技术方案得到了建设单位和监理单位的认可，合拢段在施工人员的精心组织下顺利合拢，并进行了体系转换，两端悬臂标高及轴线偏差符合设计及规范要求，合拢段与悬臂连接处未出现裂纹，节省了工程费用，确保了工程质量。
参考文献：
【1】《客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）
【2】《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》（铁建设[2005]160号）
【3】《京沪高速铁路高性能混凝土施工实施细则》
【4】张继尧、王昌江 《悬臂浇筑预应力混凝土连续桥梁》,2004
【5】林 哲《刚构连续梁合拢段施工方案与锁定计算》，企业技术开发，2009（4）
