尹光順 彭旭民
1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司,武漢 430034;2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室,武漢 430034
成貴(成都—貴陽)鐵路鴨池河特大橋主橋為中承式拱橋[1],拱肋采用鋼-混凝土結(jié)合桁架拱結(jié)構(gòu),跨徑為436 m,矢高115 m,拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)為3.5[2]。全橋有兩片拱肋,提籃布置,兩片拱肋在拱頂處中心距為15.0 m,在拱腳處中心距為33.6 m。拱肋腹桿采用箱形或H形截面,形成空腹式N形桁架拱。拱肋上下弦桿(H形截面)A0E1—A8E9節(jié)間全包混凝土,除拱肋下弦桿(箱形截面)E20—E28節(jié)間不包混凝土外,其余部位上下弦桿(箱形截面)均半包混凝土。拱肋在拱腳處與拱座固結(jié),拱肋鋼桁架材質(zhì)為Q370qE。拱肋混凝土為C60高性能混凝土,拱上立柱采用雙柱式框架結(jié)構(gòu)。
主梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,全長336 m。主梁支撐于兩側(cè)拱上立柱和拱肋支撐橫梁處,形成(32+272+32)m的三跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。兩岸引橋分別設(shè)一座(32.7+2×61.75)m的三跨連續(xù)剛構(gòu)橋,與主橋主梁形成連續(xù)橋面。
吊桿采用φ7鍍鋅平行鋼絲,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa。吊桿順橋向按8 m間距布置,橫橋向與拱肋傾角一致,每一處吊點(diǎn)橫向布置2根吊桿,全橋共布置108根吊桿。特大橋總體布置見圖1。
圖1 鴨池河特大橋總體布置(單位:cm)
成貴鐵路鴨池河大橋施工分為拱肋鋼桁架拼裝、拱肋混凝土澆筑和主梁大節(jié)段澆筑三個施工階段。拱肋、主梁成型過程復(fù)雜,控制難度大。
拱肋鋼桁架拼裝。采用纜索吊機(jī)整節(jié)段吊裝、斜拉扣掛法[3-4]輔助懸臂拼裝。拱肋桿件工廠制造,散運(yùn)到橋位處預(yù)拼場。場內(nèi)每兩個節(jié)間先組拼成一個吊裝節(jié)段,再利用纜索吊機(jī)吊裝到指定位置,對位、調(diào)整、固定、焊接、松鉤,安裝拱肋橫向連接系,最后掛設(shè)并張拉扣錨索。依次循環(huán)施工,直至拱肋鋼桁架合龍。
拱肋混凝土澆筑。對于拱腳全包混凝土段,起拱段采用支架現(xiàn)澆,剩余全包混凝土段采用吊掛模板法現(xiàn)澆;對于拱肋半包混凝土段,以弦桿兩側(cè)腹板和弦桿間鋼底板為模板,從拱腳往拱頂分段依次澆筑,形成鋼-混凝土結(jié)合桁架拱肋。依次拆除斜拉扣掛體系,僅保留4對扣錨索,待主梁合龍完成后再拆除。
主梁大節(jié)段澆筑。對于拱外邊跨34 m梁段,以拱上立柱及支撐橫梁作為支點(diǎn),在拱肋上搭設(shè)滿堂支架進(jìn)行整體澆筑;對于拱內(nèi)中跨無吊桿區(qū)32 m梁段,以拱肋上緣為支點(diǎn),搭設(shè)剛性吊架支承體系進(jìn)行整體澆筑;對于拱內(nèi)中跨吊桿區(qū)204 m梁段[2×(5×16+20)m現(xiàn)澆段+4 m合龍段],采用多點(diǎn)彈性支承整體吊架體系分節(jié)段對稱澆筑。待主梁合龍后,拆除主梁整體吊架體系,并適時張拉調(diào)整吊桿索力,施工二期恒載。
3.1.1 預(yù)拼場內(nèi)胎架上拱肋鋼桁架節(jié)段組拼
鋼桁架桿件在橋位處預(yù)拼場胎架上進(jìn)行拼裝,一次組拼4個拱肋鋼桁架節(jié)間,兩兩節(jié)間(第1節(jié)與第2節(jié)間,第3節(jié)與第4節(jié)間)焊接成型,組成兩個節(jié)段,分別進(jìn)行吊裝和懸臂拼裝。胎架上4個節(jié)間拼裝線形采用相鄰兩個節(jié)間弦桿的夾角β與制造時線形保持一致的原則進(jìn)行控制,見圖2。
圖2 拼裝控制示意
視線高度H3的理論計算公式為
式中:H1~H3分別為各控制點(diǎn)在同一測站下的水準(zhǔn)儀視線高度;L1為已拼節(jié)間弦桿控制點(diǎn)1到控制點(diǎn)2的距離,L2、L3為兩個節(jié)間弦桿的交點(diǎn)到控制點(diǎn)1、控制點(diǎn)3的距離。
拼裝過程中,首先測量各控制點(diǎn),得到H1、H2和H3實(shí)測值,然后將H1、H2實(shí)測值和計算所得的L1、L2、L3、β代入式(1)中,得到H3計算值,再將H3實(shí)測值與計算值進(jìn)行對比,若超過容許偏差(±5 mm)則需調(diào)整,直至偏差滿足要求。按此方法,依次確定相鄰兩根弦桿的相對位置,最終確定該批次拱肋鋼桁架節(jié)段在胎架上的拼裝線形。
采用該方法能快速確定各弦桿的空間相對位置,但容易放大誤差。因此,組拼完成后須在統(tǒng)一坐標(biāo)系內(nèi)測量各弦桿關(guān)鍵控制點(diǎn)坐標(biāo),以確保成型的桁架結(jié)構(gòu)各弦桿空間相對位置與設(shè)計保持一致。
3.1.2 橋位處拱肋鋼桁架節(jié)段懸臂拼裝
橋位處兩個拱肋節(jié)間焊接成一個吊裝節(jié)段,采用纜索吊機(jī)吊裝到位,與已拼拱肋節(jié)段懸臂前端對位拼接。待拼拱肋節(jié)段空間位置的確定受已拼拱肋節(jié)段空間姿態(tài)的影響,采用絕對坐標(biāo)法進(jìn)行控制。方法如下:
1)計算待拼拱肋節(jié)段沿已拼拱肋節(jié)段切線拼裝時產(chǎn)生的虛擬位移δvi,即
式中:δci為第i節(jié)段架設(shè)完成松鉤后累計位移;Δδi為第i節(jié)段在自重作用下的位移增量。
2)確定待拼拱肋節(jié)段的定位坐標(biāo)(xLi、yLi、zLi),即式中:xmi、ymi、zmi分別為第i節(jié)段制造坐標(biāo);xδvi、yδvi、zδvi分別為δvi在坐標(biāo)軸x、y和z方向上的分量。
采用絕對坐標(biāo)法對拱肋節(jié)段進(jìn)行定位控制,待拼拱肋節(jié)段狀態(tài)明確,有利于總體把控,避免誤差累積。需要注意:①不同工序?qū)?yīng)拱肋的不同線形狀態(tài),因此確定待拼拱肋節(jié)段定位坐標(biāo)時虛擬位移δvi須與現(xiàn)場實(shí)際施工步驟一致。對于一個懸臂拼裝的拱肋節(jié)段,存在先吊裝定位上游拱肋還是先吊裝定位下游拱肋的問題,因此須區(qū)分兩種狀態(tài)下的δvi。②須避免日照產(chǎn)生的拱肋不均勻溫度場的影響,實(shí)測值與計算值的偏差宜控制在±20 mm以內(nèi)。
拱肋混凝土施工涉及到拱肋鋼桁架與拱肋混凝土的受力分配問題,且受施工工序的影響。從拱腳開始至拱頂?shù)?個節(jié)間(A0E1?A8E9)的鋼桁架弦桿均為H形截面。拱肋鋼桁架懸臂拼裝階段,拱腳段鋼桁架整體剛度偏弱,隨著懸臂的伸長拱腳段鋼桁架受力越來越大,趨于不利狀態(tài)。因此,須擇機(jī)澆筑拱腳混凝土形成固結(jié)拱腳的鋼-混凝土結(jié)合桁架拱肋結(jié)構(gòu),但由此會帶來拱腳混凝土受拉開裂問題。
根據(jù)拱肋懸臂狀態(tài)和合龍后兩種力學(xué)模型的受力特性[5],參考既有研究和施工經(jīng)驗[6-8],對拱肋混凝土澆筑工序進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前是待拱肋鋼桁架合龍后由拱腳往拱頂分段依次澆筑。優(yōu)化后工序為:①拱肋鋼桁架首節(jié)段拼裝到位后,及時支架現(xiàn)澆拱腳混凝土,固結(jié)拱腳;②拱肋鋼桁架懸拼至A7節(jié)點(diǎn)后,第2次澆筑拱腳混凝土,混凝土全包至A2E3截面,以減小拱肋H形截面鋼桁架的懸臂長度,確保鋼桁架受力安全;③拱肋鋼桁架合龍后,澆筑后續(xù)拱肋混凝土的過程中擇機(jī)二次張拉1#—4#扣錨索(第一次張拉扣錨索在拱肋鋼桁架拼裝階段),增大其索力,以抵抗后續(xù)澆筑拱肋混凝土對拱腳截面受力的不利影響;④拱肋混凝土澆筑過程中擇機(jī)在3/8跨附近壓載,限制拱腳截面混凝土產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力;⑤鋼-混凝土結(jié)合桁架拱肋成型后,保留部分扣錨索,直至主梁合龍后再拆除,以抵抗主梁分節(jié)段澆筑對拱腳截面受力的不利影響。
通過以上措施,使得拱腳截面混凝土應(yīng)力得到有效控制。這里僅列出拱肋混凝土澆筑工序優(yōu)化前后及實(shí)測拱腳截面混凝土應(yīng)力變化情況,見圖3??芍?,拱腳截面混凝土施工過程中最大理論壓應(yīng)力優(yōu)化前為-12.2 MPa,優(yōu)化后為-12.5 MPa,實(shí)測值為-14.7 MPa,出現(xiàn)在E13—E17節(jié)間拱肋混凝土澆筑階段拱腳截面底緣;最大理論拉應(yīng)力優(yōu)化前為5.5 MPa,優(yōu)化后為3.4 MPa,實(shí)測值為3.9 MPa,出現(xiàn)在A7—A9節(jié)間拱肋混凝土澆筑階段拱腳截面頂緣。按偏心受壓結(jié)構(gòu)驗算拱腳截面頂緣裂縫寬度為0.14 mm,小于限值0.20 mm,滿足規(guī)范要求。
圖3 拱腳截面混凝土應(yīng)力變化情況
中跨吊桿區(qū)主梁采用多點(diǎn)彈性支承整體吊架體系[9](圖4)分節(jié)段澆筑。通過對中跨吊桿區(qū)主梁進(jìn)行一次總體預(yù)拱度[10]設(shè)置,實(shí)現(xiàn)主梁線形控制;對吊桿索力分兩階段張拉控制。整體吊架體系成型后對吊桿進(jìn)行一次初張拉,使得整體吊架的線形符合主梁預(yù)拱度線形。主梁分節(jié)段澆筑過程中不再張拉吊桿,待主梁合龍完成后再對全橋吊桿索力進(jìn)行整體調(diào)整,最終使主梁線形和吊桿內(nèi)力同時達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
圖4 主梁整體吊架體系布置(單位:cm)
主梁預(yù)拱度設(shè)置主要考慮的因素有:①吊架體系自搭設(shè)成型至主梁合龍后,其承受荷載作用產(chǎn)生的累計變形;②各吊桿處橫梁沿橫橋向的變形;③整體吊架體系的非彈性變形;④主梁合龍后至成橋,吊桿索力調(diào)整、預(yù)應(yīng)力張拉、施工二期恒載、混凝土收縮徐變等所產(chǎn)生的變形;⑤吊架體系構(gòu)造。
成橋后拱肋、主梁頂面高程實(shí)測值與理論值的偏差見圖5??梢?,拱肋、主梁頂面高程實(shí)測值與理論值的偏差總體上在50 mm以內(nèi),滿足偏差小于L/3 000(L為跨徑,拱肋跨徑436 m,主梁跨徑272 m)且不超過50 mm的預(yù)期要求,但主梁各測點(diǎn)偏差波動較大。這是因主梁梁面混凝土掃面不均所致。
圖5 成橋后拱肋、主梁頂面高程實(shí)測值與理論值的偏差
成橋后吊桿索力實(shí)測值與理論值的偏差見圖6??梢姡鞯鯒U索力實(shí)測值與理論值的偏差總體上在5%以內(nèi),小于10%的規(guī)范限值。
圖6 成橋后吊桿索力
1)成貴鐵路鴨池河特大橋為中承式拱橋,采用纜索吊機(jī)分節(jié)段吊裝拱肋鋼桁架、斜拉扣掛法輔助懸臂拼裝,拱肋鋼桁架合龍后再依次澆筑拱肋混凝土,最終形成鋼-混凝土結(jié)合桁架拱肋。拱肋鋼桁架施工過程中重點(diǎn)控制鋼桁架節(jié)段胎架上組拼、橋位處節(jié)段懸臂拼裝時的線形;優(yōu)化了拱肋混凝土澆筑工序,并對拱腳截面混凝土的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,確保成橋后拱肋受力安全,線形可控。
2)對整體吊架體系中跨吊桿區(qū)主梁進(jìn)行一次性總體預(yù)拱度設(shè)置,對吊桿索力分兩階段張拉控制,實(shí)現(xiàn)了主梁線形和最終吊桿索力的有效控制。
3)成橋后拱肋、主梁的高程實(shí)測值與理論值的偏差滿足小于L/3 000且不超過50 mm的預(yù)期要求;各吊桿索力的實(shí)測值與理論值的偏差總體上在5%以內(nèi),滿足規(guī)范要求。
該橋已于2019年12月建成通車,目前運(yùn)營狀態(tài)良好。