王明剛 李強 祝平華 許小龍

（中鐵四局集團第五工程有限公司，江西九江332000）

1 項目概況及特點

玉溪至磨憨口岸鐵路是泛亞鐵路的重要組成部分，元江特大橋跨越紅河深切峽谷，水面至橋面垂直距離230 m。橋位處于上覆第四系全新統(tǒng)人工棄土碎石土，滑坡堆積層碎石土、塊石土，內(nèi)巖性較軟，容易開裂和產(chǎn)生崩塌。橋梁為上承式連續(xù)梁鋼桁聯(lián)，0#，5#采用鋼筋混凝土拱形橋臺，1#—4#采用鋼-混組合雙柱鋼架墩，雙柱薄壁空心墩間采用PBL剪力鍵和交叉鋼桁聯(lián)形式連接，左右兩肢墩柱整體受力［1-2］，在滿足抗震要求的同時有效降低了墩身重量。最高的3#主墩墩高達到154.0 m，是目前世界雙線鐵路特大橋第一高墩，見圖1。

圖1 元江雙線特大橋結(jié)構(gòu)示意（單位：m）

高墩采用整體式自行爬模施工，鋼構(gòu)件廠加工，剪力鍵預埋定位，交叉鋼桁聯(lián)現(xiàn)場拼裝。剪力鍵為外伸式結(jié)構(gòu)，單個PBL剪力鍵高度2.69 m，厚32 mm，質(zhì)量為1.39 t，交叉鋼桁聯(lián)與剪力鍵間為焊接，X形交叉節(jié)點為栓接，單個節(jié)間安裝高度達15 m，在國內(nèi)尚無實施案例，施工難度極大，見圖2。

圖2 PBL剪力鍵安裝剖解示意

2 施工方案分析

影響PBL剪力鍵定位精度因素［3-5］包括：剪力鍵連接鋼板吊裝變形；剪力鍵連接鋼板安裝后混凝土澆筑前受風荷載作用產(chǎn)生的變形；新澆筑混凝土振搗、傾倒引起的變形；墩身混凝土分層澆筑過程中，剪力鍵連接鋼板兩側(cè)混凝土澆筑高度差產(chǎn)生的側(cè)壓變形。

剪力鍵和交叉鋼桁聯(lián)安裝關(guān)鍵在于預埋件加固方式，對不同吊裝及安裝工況進行模擬，如只考慮底部固結(jié)，不加其余外部約束，外伸端變形最大達到2.5 mm，澆筑混凝土過程中按混凝土澆筑分層30 cm的高度模擬，一旦承受混凝土不均勻擠壓，變形將達到9.2 mm。

2.1 剪力鍵預埋加固方案分析

2.1.1 墩身分節(jié)分析

在設(shè)計定位支架時，支架高度取決于墩身分節(jié)高度，根據(jù)高墩施工經(jīng)驗和市場鋼筋定尺情況一般定為4.5 m和6.0 m兩種［6-8］。本橋交叉桁聯(lián)桿件的節(jié)間距為15 m，采用4.5 m或6.0 m分節(jié)高度，剪力鍵預埋件底部距離混凝土分界面的高度各不相同，每次剪力鍵預埋安裝位置均需進行墩身模板修改，工作量大。若采用5.0 m分節(jié)，每次預埋件距離混凝土分界面高度為固定值，墩身模板只需一次修改便可周轉(zhuǎn)使用，方案更優(yōu)。

2.1.2 支架固定方案分析

剪力鍵連接鋼板采用I20勁性骨架預拼成格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，外伸臂鎖邊鋼板在剪力鍵預埋時一次安裝就位，使剪力鍵連接鋼板形式一個閉合的箱形結(jié)構(gòu)，從而提高剪力鍵預埋鋼板整體剛度，減少施工過程中變形［9］。

在設(shè)計支架固定方案時，根據(jù)現(xiàn)場條件主要考慮以下2種形式。

方案1：在上節(jié)墩身施工時預埋2排［14槽鋼，預埋槽鋼與剪力鍵連接板焊接固定，利用定位支架承擔剪力鍵外伸部分的不平衡荷載。這種定位支架高度低，節(jié)省材料，但施工中支架抵抗扭轉(zhuǎn)和預埋件頂部偏位能力較弱。

方案2：在上節(jié)墩身施工時預埋2排［14側(cè)向預埋槽鋼支撐架，以抵抗施工過程中的水平荷載，預埋件正后方位置設(shè)置拉桿，以平衡預埋件外伸部分的不平衡荷載。定位支架均與剪力鍵連接板焊接固定，相當于在剪力鍵預埋鋼板設(shè)置x，y，z3個方向的平動、轉(zhuǎn)動約束，增加剪力鍵連接鋼板約束剛度，但薄壁墩內(nèi)安裝內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，與墩身構(gòu)件交叉干擾較多，實施難度大，焊接施工工作量相對較大。

定位支架的變形情況是保證PBL剪力鍵預埋鋼板定位精度的控制性要素［10-11］。為進一步進行方案比選，對定位支架按4種工況進行計算分析：①剪力鍵連接鋼板吊裝工況變形情況；②剪力鍵連接鋼板安裝定位完成后，混凝土澆筑前，受風荷載作用產(chǎn)生的變形；③新澆筑的混凝土振搗、傾倒產(chǎn)生的荷載，對剪力鍵連接鋼板產(chǎn)生的變形情況；④墩身混凝土分層澆筑過程，剪力鍵連接鋼板兩側(cè)混凝土澆筑高度差產(chǎn)生的側(cè)壓力。工況③的變形情況如圖3所示。可知：方案1最大變形為2.4 mm；方案2最大變形為0.13 mm；方案2變形更小，更合理。

圖3 剪力鍵預埋鋼板施工過程中的變形情況（單位：mm）

2.2 交叉鋼桁聯(lián)安裝

2.2.1 安裝方案

交叉鋼桁聯(lián)施工關(guān)鍵在于安裝時機的確定，包括以下3種形式。

1）緊跟墩身同步安裝，交叉鋼桁聯(lián)在墩身施工過程中同步安裝，墩柱模板爬升后，墩身預埋剪力鍵不受爬模架體干擾影響后立即進行交叉桁聯(lián)桿件安裝。

2）一次異步安裝，墩柱施工至墩高1/2進行墩身施工高度以下節(jié)間交叉桁聯(lián)桿件安裝，墩柱封頂前，進行第2輪次交叉鋼桁聯(lián)安裝。

3）全異步安裝，墩柱施工至墩頂高度時，進行全部節(jié)間交叉桁聯(lián)施工，交叉桁聯(lián)桿件一輪次逐節(jié)段吊裝就位。

2.2.2 方案比選分析

為確保方案的合理性，分別從技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性、時間性等角度進行綜合考慮，見表1。

表1 交叉鋼桁聯(lián)安裝時機方案總結(jié)

方案1交叉鋼桁聯(lián)安裝受爬模影響，現(xiàn)場吊裝難度大，墩柱交叉施工影響大，考慮每節(jié)間安裝時間為4 d，影響墩柱施工時間3 d；方案2交叉鋼桁聯(lián)安裝不受爬模影響，但工序作業(yè)不連續(xù)，受墩柱施工影響，安裝時間按3 d/節(jié)考慮，第1輪次交叉鋼桁聯(lián)安裝第5節(jié)間，對墩柱施工影響工期按10 d考慮；方案3交叉鋼桁聯(lián)在墩柱封頂前，爬模拆除后一次安裝就位，施工作業(yè)連續(xù)，班組安裝作業(yè)熟練，不存在交叉干擾，安裝時間按2.5 d/節(jié)考慮，綜合比較優(yōu)勢明顯。

根據(jù)一階屈曲模態(tài)分析結(jié)果可知，裸墩穩(wěn)定性滿足要求，方案3可行，為最佳方案。

2.3 監(jiān)控量測方案

通過整墩鋼桁聯(lián)滯后安裝工況計算分析看出，最高的3#墩墩身最大變形節(jié)段位于第24節(jié)，最大變形量14.4 mm?？刹扇☆A先對預埋件設(shè)置偏移量來抵消墩身變形產(chǎn)生的誤差。將計算預偏量應(yīng)用于現(xiàn)場，確保MIDAS/Civil模型計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際相匹配。同時運用信息化對全橋墩身應(yīng)力、溫度和沉降進行實時監(jiān)測［12-13］，并進行交叉復核，減小理論計算與實際施工誤差。

2.3.1 變形監(jiān)測

主墩墩身最高達154.0 m，監(jiān)測內(nèi)容包括順橋向、法向與豎向3個方向變形的測量。橋墩各節(jié)段對應(yīng)的各六分點處布置控制標高及平面坐標點作為觀測點，見圖4。在橋墩施工過程中進行實時跟蹤監(jiān)測。

圖4 變形測點布置

2.3.2 應(yīng)力監(jiān)控

為了推算施工過程中橋墩不平衡狀況，需觀測墩身兩側(cè)關(guān)鍵截面的軸向應(yīng)力分布情況，可為整個結(jié)構(gòu)在施工過程中起到積極主動的實際指導作用［14］。

應(yīng)變測量采用埋入式振弦應(yīng)力傳感器，主橋在主墩墩底內(nèi)倒角上去約1 m位置的空心截面處布置10個混凝土應(yīng)力監(jiān)測點，均為豎向布置。應(yīng)力監(jiān)測截面布置如圖5所示。

圖5 應(yīng)力測點布置

3 方案實施

3.1 PBL剪力鍵件精確定位

為保證2塊剪力鍵連接鋼板整體吊裝剛度滿足要求，連接鋼板外露部分利用預留螺栓孔使用鎖邊角鋼板連接螺栓定位，并在工廠設(shè)置預拼裝胎架。通過定位勁性骨架將2塊連接板進行焊接固定，采用沖釘對連接螺栓進行臨時定位固定。

PBL剪力件是結(jié)構(gòu)重要受力構(gòu)件，保證精度的同時，必須保證在密集的鋼筋中確保預埋件位置混凝土密實［15］。采取優(yōu)化配合比，使用細石混凝土，可以保證混凝土有充分流動性。澆筑過程中做好全程旁站，混凝土澆筑過程時避免直接沖擊預埋件，采用φ30搗固棒距離預埋件15 cm處進行勻速振搗，確保不接觸預埋件，保證預埋件位置混凝土密實，強度合格，見圖6。

圖6 現(xiàn)場安裝

墩身澆筑完成后，組織對預埋件誤差進行復核測量，測量時間為凌晨一點至五點氣溫最低時進行測量，以規(guī)避溫度影響，平面、高程誤差滿足預期目標值。

3.2 交叉鋼桁聯(lián)安裝

墩柱交叉鋼桁聯(lián)桿件為箱形截面，截面尺寸為7 400 mm×500 mm×500 mm，每節(jié)間垂直高度為15 m，剪力鍵與斜向鋼桁聯(lián)桿件焊接，桿件交叉部位采用連接板高強螺栓聯(lián)接。

1）合理設(shè)計吊具

根據(jù)交叉鋼桁聯(lián)桿件的結(jié)構(gòu)特點采用兩點起吊。桿件臨時吊點設(shè)置在桿件兩端，通過在桿件頂板中心位置焊接臨時吊耳［16］，吊具上設(shè)置手拉葫蘆臨時掛設(shè)點，便于調(diào)節(jié)吊裝桿件的安裝角度。根據(jù)最大吊重，按照GB/T 8918—1996《鋼絲繩》中鋼絲繩規(guī)格，選用6×37+1（麻芯鋼絲繩），鋼絲繩直徑為15.0 mm，鋼絲繩的抗拉強度為1 850 MPa。

2）桿件安裝

安裝前應(yīng)對交叉鋼桁聯(lián)桿件進行打磨、噴砂和除銹清理。安裝時，首先將2根交叉鋼桁聯(lián)桿件起吊對孔，并用普通螺栓拼裝成倒V形，整體吊裝至安裝位置，經(jīng)縱橫軸線、高程詳細復測后，采用CO2氣體保護焊焊接。將單根橫梁桿件與安裝就位的倒V形構(gòu)件進行普通螺栓栓接，待調(diào)整完成后，桿件上端與PBL剪力鍵焊接，形成X形聯(lián)接體系。最后將普通螺栓逐根替換為設(shè)計要求的高強螺栓，見圖7。

圖7 施工步驟

3）高強螺栓擰緊

高強度螺栓施擰分2部分進行：初擰、終擰。拼裝工班只要求一般擰緊，當懸掛好緊螺栓的腳手架后，螺栓施擰工班才進行初擰和終擰。初擰扭矩值為終擰扭矩值的50%，終擰扭矩值由試驗數(shù)據(jù)確定。終擰檢查合格后，螺栓頭、螺母、墊圈的外露部分立即涂裝，板層尤其是朝上的縫隙應(yīng)用膩子膩縫。

3.3 施工監(jiān)測

現(xiàn)場對橋墩施工過程進行了信息化監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)掌握鋼筋混凝土高墩施工過程中各種影響結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的參數(shù)誤差，并加以控制調(diào)整，避免高墩結(jié)構(gòu)變形和受力嚴重偏離理論計算軌跡。現(xiàn)場應(yīng)力采集數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 3#墩第8節(jié)澆筑后應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù) MPa

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)相差較小，說明模擬工況數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)基本相符，既定墩身預偏量和全墩滯后安裝交叉鋼桁聯(lián)施工工況具有較高可靠性。

4 結(jié)語

元江特大橋超高墩PBL剪力鍵和交叉鋼桁聯(lián)安裝施工屬于在橋墩結(jié)構(gòu)中首次運用，無先例可參照。通過對施工技術(shù)的研究和工況模擬，交叉施工干擾預判，變形值理論計算，設(shè)置預偏差，動態(tài)監(jiān)控量測，糾偏控制調(diào)整，形成了一套解決此項新型結(jié)構(gòu)的施工方法，可確保結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定，保證結(jié)構(gòu)的受力合理和線形平順，避免施工差錯，盡可能減少調(diào)整工作量，為大橋順利建成提供有力的技術(shù)保障。

現(xiàn)場實施后，PBL剪力鍵和交叉鋼桁聯(lián)在現(xiàn)場定位精度達到預期效果，施工質(zhì)量可靠。此外，施工過程中所采集的各監(jiān)測數(shù)據(jù)，能為日后該橋營運過程中的健康診斷提供可靠的參考依據(jù)，其相應(yīng)的研究成果也可為其他同類橋型的建設(shè)提供有益的借鑒。