逐跨施工的鋼板組合梁橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)

楊繼承，魏家樂

陜西通宇公路研究所有限公司，陜西 西安 710118

鋼板組合梁橋充分發(fā)揮了鋼材抗拉強(qiáng)度高和混凝土受壓性能好的優(yōu)勢(shì)，不僅具有結(jié)構(gòu)重量輕、抗震性能好、抗疲勞等特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)預(yù)制化生產(chǎn)和裝配化施工，近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1-3]。目前，鋼板組合梁施工順序一般為鋼板梁制作與安裝、預(yù)制混凝土橋面板吊裝架設(shè)、澆筑混凝土濕接縫、施工橋面系等，其中鋼板梁的施工方法又分為搭設(shè)支架法、頂推施工法和逐跨吊裝法[4]。對(duì)鋼板組合梁而言，搭設(shè)支架法和頂推施工法均是在整聯(lián)鋼梁施工完成后，再進(jìn)行混凝土板的施工，施工控制難度與常規(guī)的鋼梁或混凝土梁基本相同，而逐跨施工涉及鋼梁與混凝土板的交替循環(huán)作業(yè)，施工過程受外界影響因素更多，施工過程的控制難度更大。本文以全國(guó)最長(zhǎng)的鋼板組合梁橋西鄉(xiāng)涇洋河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，結(jié)合無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法的基本理論[5]，對(duì)逐跨吊裝施工的鋼板組合梁橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

1 工程背景

西鄉(xiāng)涇洋河特大橋是西鄉(xiāng)至鎮(zhèn)巴高速公路的一座特大橋，全橋長(zhǎng)6.02 km，最小平曲線半徑460 m。上部結(jié)構(gòu)采用雙工字鋼鋼混組合梁橋，跨徑布置主要為( 4×35) m或(3×35) m 2種形式，下部結(jié)構(gòu)為常規(guī)的樁柱式橋墩，墩高約20 m，墩徑1.8 m。橋面分左右兩幅，單幅全寬12.5 m。該橋某(4×35) m一聯(lián)橋梁橫斷面如圖1，橋梁立面布置圖如圖2。

圖1 橋梁橫斷面（單位：cm）

上部結(jié)構(gòu)施工采用逐跨吊裝法，各吊裝節(jié)段分段位置距離墩頂5 m，以(4×35) m一聯(lián)為例，吊裝節(jié)段長(zhǎng)度則分別為40 m、35 m和30 m，節(jié)段具體劃分如圖3，施工總體步驟如下：

1）鋼梁工廠將板材拼裝為10 m、15 m等2種小節(jié)段（第1次拼裝）；

2）小節(jié)段運(yùn)輸至橋位后，拼裝為長(zhǎng)度為40 m、35 m和30 m等3種吊裝節(jié)段（第2次拼裝）；

3）將吊裝節(jié)段1架設(shè)并調(diào)整就位；

4）在第1跨主梁的起、終點(diǎn)分別吊裝2塊預(yù)制板于鋼板梁上（便于便架橋機(jī)過孔）；

5）架橋機(jī)移動(dòng)至下一孔；

6）架設(shè)吊裝節(jié)段2，并與吊裝節(jié)段1拼裝完成后，放松臨時(shí)吊點(diǎn)（第3次拼裝）；

7）依次吊裝第1跨剩余預(yù)制橋面板；

8）按步驟5)、6)和7)完成后續(xù)鋼梁及預(yù)制板的吊裝直至第4跨安裝完成；

9）澆筑全橋濕接縫，形成聯(lián)合截面；

10）完成橋面鋪裝及附屬設(shè)施施工。

圖2 橋梁立面布置圖（單位：cm）

圖3 鋼板梁節(jié)段劃分示意圖（單位：cm）

2 鋼板組合梁橋施工控制難點(diǎn)

鋼板組合梁施工過程中從鋼板梁轉(zhuǎn)化為鋼板組合梁，而鋼板梁施工控制的質(zhì)量又對(duì)最終結(jié)果起決定作用?？偨Y(jié)起來(lái)，鋼板組合梁橋施工控制存在如下難點(diǎn)。

1）鋼板組合梁施工過程體系轉(zhuǎn)化次數(shù)多。鋼板組合梁形成過程中，需經(jīng)歷鋼板梁的拼裝、預(yù)制混凝土板安裝、濕接縫澆筑到橋面系施工等多個(gè)步驟，施工過程中邊界條件、外荷載作用、截面特性不斷發(fā)生變化，尤其是在形成組合截面前，純鋼板梁的截面抗彎慣性矩僅有組合梁截面抗彎慣性矩的1/4～1/3，整體剛度很小，受外荷載反應(yīng)十分敏感，施工控制難度大。

2）前一跨懸臂端點(diǎn)控制精度要求高。鋼板梁從鋼板出廠到成橋階段，需經(jīng)歷場(chǎng)內(nèi)板件拼裝、運(yùn)輸至橋位拼裝以及吊裝架設(shè)拼裝3個(gè)階段[6]，其中前2個(gè)階段拼裝受力基本類似，均為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)拼裝，第3個(gè)階段是在自重及外荷載作用下的有應(yīng)力拼裝（如圖4所示），此時(shí)鋼板梁的形態(tài)由預(yù)制板重量、施工荷載、臨時(shí)吊點(diǎn)位置以及鋼梁剛度等因素決定，后一跨鋼梁拼裝只能根據(jù)前一跨的幾何形態(tài)與其完成順接，無(wú)任何調(diào)整空間（若必須調(diào)整，則應(yīng)在高空對(duì)梁端進(jìn)行切配，施工難度大，且不經(jīng)濟(jì)），是一個(gè)被動(dòng)拼接過程。因此，施工控制的質(zhì)量取決于前一跨梁端幾何形態(tài)控制的好壞，這不僅關(guān)系到成橋線形的控制，也關(guān)系到該對(duì)接焊縫施工質(zhì)量。

3）曲線梁橋內(nèi)外側(cè)鋼梁預(yù)拱度差異。曲線鋼板梁在自重及外荷載的作用下，不僅發(fā)生豎向變形，還會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。對(duì)雙工字鋼鋼混組合梁橋而言，一般在雙工字鋼之間設(shè)置了多道強(qiáng)大的橫向聯(lián)系，限制了鋼板梁繞形心的轉(zhuǎn)動(dòng)，雙工字鋼形成了一個(gè)整體性構(gòu)件。但是，雙工字鋼內(nèi)外側(cè)半徑不同，在相同的外荷載作用下產(chǎn)生的變形也不同，工字鋼頂面橫向角度也將不斷發(fā)生變化。為達(dá)到目標(biāo)成橋狀態(tài)，鋼板梁拼裝時(shí)需逐跨對(duì)內(nèi)外側(cè)鋼板梁設(shè)置不同的預(yù)拱度值，施工過程應(yīng)分別對(duì)內(nèi)外側(cè)鋼板梁變形進(jìn)行控制。

圖 4 有應(yīng)力拼裝示意

3 施工控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 合理劃分吊裝節(jié)段

鋼板組合梁吊裝節(jié)段劃分不僅要考慮運(yùn)輸?shù)姆奖?，還應(yīng)兼顧成橋內(nèi)力狀態(tài)和施工控制兩方面因素。從成橋內(nèi)力狀態(tài)分析，逐跨吊裝施工的鋼板組合梁吊裝節(jié)段應(yīng)劃分在彎矩零點(diǎn)位置，最大程度減小現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)和復(fù)雜環(huán)境引起的焊縫質(zhì)量難以保證的影響[7-8]。從施工控制角度分析，吊裝節(jié)段劃分位置距離墩頂越近，懸臂長(zhǎng)度越短，施工控制就越容易。很明顯，距離墩頂位置越近，負(fù)彎矩值也就最大，二者實(shí)際上是相互沖突的。因此吊裝節(jié)段劃分應(yīng)統(tǒng)籌考慮以上兩方面因素。

3.1.1 鋼板組合梁彎矩零點(diǎn)討論

經(jīng)計(jì)算，考慮10年收縮徐變后，(4×35) m連續(xù)梁成橋狀態(tài)恒載彎矩比如表1所示，墩頂位置彎矩為-11 439 kN·m，距離墩頂位置5 m處減小到墩頂彎矩的42%， 10 m處幾乎減小到零。從恒載彎矩值分析，吊裝節(jié)段宜劃分在距離墩頂5～10 m處較為合理。

表1 成橋狀態(tài)恒載彎矩比

設(shè)計(jì)移動(dòng)荷載作用下墩頂位置最大負(fù)彎矩-937 kN·m，跨中最大正彎矩5 636 kN·m。為更好比較移動(dòng)荷載作用下最大正負(fù)彎矩，表2列出了正彎矩與負(fù)彎矩絕對(duì)值之比。從表3中可以看出，距離墩頂位置0～5 m，正彎矩明顯小于負(fù)彎矩；5～10 m，正彎矩大于負(fù)彎矩。因鋼板組合梁中性軸更靠近頂板，相同彎矩作用下鋼梁底緣比頂緣應(yīng)力更大，因此，從移動(dòng)荷載分析，宜選擇正彎矩較小的區(qū)段，即墩頂向跨中位置0～5 m。

表2 汽車荷載工況各斷面最大正負(fù)彎矩比值

3.1.2 施工控制誤差分析

鋼板組合梁逐跨施工過程中，在架設(shè)后一跨鋼板梁前，需在前一跨鋼梁頂先鋪設(shè)1～2塊預(yù)制板，以給作業(yè)人員和架橋機(jī)支腿提供平臺(tái)空間。吊裝后一跨鋼梁時(shí)，架橋機(jī)該支腿荷載和預(yù)制板重量都將作用于前一跨鋼板梁上，跨中向下?lián)锨?，懸臂端部向上位移，懸臂端部的位移量不僅與各外荷載密切有關(guān)，鋼板梁的懸臂長(zhǎng)度也是一個(gè)重要影響因素。懸臂長(zhǎng)度越長(zhǎng)，端部發(fā)生的位移就越大，受外荷載及其他因素影響就越敏感，在相同的施工精度下施工控制就更難。為此，對(duì)采用不同的懸臂長(zhǎng)度的位移進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。計(jì)算結(jié)果表明，懸臂長(zhǎng)度控制在5 m時(shí)，懸臂端部總位移δ為13.9 mm，在正常的施工條件下，即使考慮動(dòng)荷載、溫度荷載等不利因素，懸臂端部位移誤差也可控制在5 mm以內(nèi)，有應(yīng)力拼裝的質(zhì)量可以得到有效保證。

表3 懸臂端位移表

綜合以上分析，鋼板組合梁最終確定在距離墩頂位置5 m處作為吊裝節(jié)段劃分位置。

3.2 鋼板梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)理論計(jì)算與實(shí)施

3.2.1 鋼板梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)理論值計(jì)算

根據(jù)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法的基本原理，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件單元無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和無(wú)應(yīng)力曲率卻不隨外荷載的變化而變化[9-10]。鋼板組合梁施工過程中，盡管鋼板梁和混凝土板吊裝交替循環(huán)進(jìn)行，中間施工工序多，結(jié)構(gòu)受力和線形也受各種內(nèi)外因素不斷發(fā)生變化，但是成橋狀態(tài)確定，鋼板組合梁的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)就不會(huì)變化，施工控制的關(guān)鍵就是控制鋼板梁的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)值。

西鄉(xiāng)涇洋河特大橋鋼梁的無(wú)應(yīng)力拼裝線形按照規(guī)范要求[11-12]，并考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工步驟、施工荷載對(duì)平曲線半徑從400 ～1 000 m內(nèi)外側(cè)鋼梁受力進(jìn)行模擬，分別計(jì)算無(wú)應(yīng)力拼裝線形。計(jì)算表明，不同曲線半徑(4×30) m連續(xù)梁邊跨拼裝曲線偏差最大約20 mm，中跨偏差相對(duì)不到10 mm。對(duì)同一平曲線半徑的內(nèi)外兩幅橋，四道鋼板梁拼裝曲線也不相同，其預(yù)拱度大小規(guī)律為：曲線外側(cè)外側(cè)梁＞曲線內(nèi)側(cè)外側(cè)梁＞曲線外側(cè)內(nèi)側(cè)梁＞曲線內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)梁（單幅橋以較小曲線半徑的鋼板梁為內(nèi)側(cè)梁）。

3.2.2 鋼板梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的精確調(diào)整

鋼板梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的理論計(jì)算盡管已經(jīng)考慮了實(shí)際的施工組織方案，但該理想方案并未結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行實(shí)施，實(shí)際架設(shè)時(shí)局部施工步驟還可適當(dāng)優(yōu)化，同時(shí)混凝土橋面板重量、臨時(shí)荷載、吊點(diǎn)位置等施工偏差也是需要在施工時(shí)才能完全確定的。而鋼板梁的拼裝存在鋼板下料、組裝、檢驗(yàn)等一系列流程，必須在以上因素完全確定前完成加工。因此，鋼板梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)理論計(jì)算采用的參數(shù)是與現(xiàn)實(shí)情況存在一定偏差的，不可能完全一一對(duì)應(yīng)。但對(duì)于逐跨吊裝施工的鋼板組合梁而言，鋼板梁的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)是經(jīng)過3次拼裝完成的，其中前2次均可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，當(dāng)鋼梁第1次在工廠拼裝成小節(jié)段運(yùn)輸至橋位后，第2次在橋位現(xiàn)場(chǎng)拼接時(shí)還有條件進(jìn)行適當(dāng)修正。尤其是對(duì)大規(guī)模的鋼板組合梁，每一座橋由多聯(lián)相同的橋梁組成，結(jié)構(gòu)形式和施工方法也基本相同。當(dāng)安裝初期對(duì)鋼板組合梁施工過程磨合后，技術(shù)將十分成熟，施工控制應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工況、截面參數(shù)等進(jìn)一步修正有效元模型，重新計(jì)算鋼板梁的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)第2次拼裝時(shí)進(jìn)行修正，可實(shí)現(xiàn)鋼板組合梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的精確控制。

經(jīng)分析，即使2次計(jì)算的無(wú)應(yīng)力拼裝線形邊跨跨中預(yù)拱度偏差達(dá)到18 mm，只要在第2次拼裝時(shí)將兩個(gè)小節(jié)段之間拼裝線形（角度）進(jìn)行調(diào)整，即可將節(jié)段內(nèi)誤差縮小至4 mm以內(nèi)（如圖5所示），能夠較好地滿足規(guī)范要求。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整后線形偏差

3.3 施工監(jiān)測(cè)方法與措施

鋼板組合梁施工監(jiān)測(cè)與常規(guī)其他橋梁施工監(jiān)測(cè)類似，除對(duì)溫度、濕度等外部環(huán)境條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，重點(diǎn)為鋼板組合梁線形及應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。

鋼板組合梁的線形監(jiān)測(cè)可分為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)（含拼裝線形和梁端角度）、鋼板梁及預(yù)制板架設(shè)過程監(jiān)測(cè)和預(yù)制板架設(shè)完成后監(jiān)測(cè)3個(gè)階段。根據(jù)每個(gè)時(shí)段監(jiān)測(cè)任務(wù)和特點(diǎn)的不同，采用不同的測(cè)量?jī)x器和方法，見表4所示。線形測(cè)點(diǎn)布置在節(jié)段拼接點(diǎn)、支點(diǎn)、跨徑1/4、1/2和3/4等特征點(diǎn)位置。

表4 各施工階段線形測(cè)量方法

鋼板組合梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)根據(jù)受力特點(diǎn)，選擇在各跨鋼板梁跨中和中支點(diǎn)頂?shù)装宀贾谜裣沂綉?yīng)力傳感器，混凝土應(yīng)變計(jì)布置在各跨跨中截面。因溫度梯度對(duì)鋼板梁線形、應(yīng)力影響敏感，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量應(yīng)盡量選擇溫度較為穩(wěn)定的清晨或傍晚進(jìn)行測(cè)量，將溫度梯度影響降低到最小。

4 實(shí)施結(jié)果

按照上述施工控制理論和方法，西鄉(xiāng)涇洋河特大橋共完成85聯(lián)（共340跨）鋼板組合梁施工監(jiān)控，成橋線形誤差均控制在10 mm以內(nèi)，鋼板梁應(yīng)力誤差最大約10%，全過程施工控制精度高，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1）鋼板組合梁在形成組合截面前，整體剛度小，受外荷載影響十分敏感，施工控制的重點(diǎn)和關(guān)鍵是鋼板梁無(wú)應(yīng)力拼裝線形的控制。

2）基于成橋分段位置成橋彎矩和施工誤差控制兩大參數(shù)，提出了(4×35) m跨徑鋼板組合梁宜在懸臂5 m左右劃分吊裝節(jié)段。

3）提出了鋼板組合梁有限元計(jì)算應(yīng)充分考慮施工的具體步驟、預(yù)制板重量偏差、臨時(shí)荷載位置與大小等諸多因素，以真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)施工；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工優(yōu)化引起的無(wú)應(yīng)力線形偏差可在橋位現(xiàn)場(chǎng)小節(jié)段拼接時(shí)進(jìn)行修正，大幅度縮小誤差影響。

4）曲線鋼板組合梁應(yīng)考慮內(nèi)外側(cè)鋼梁受力的不同，分別提供無(wú)應(yīng)力拼裝線形。同一平曲線半徑的左右幅橋預(yù)拱度大小規(guī)律為曲線外側(cè)外側(cè)梁＞曲線內(nèi)側(cè)外側(cè)梁＞曲線外側(cè)內(nèi)側(cè)梁＞曲線內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)梁。

5）鋼板組合梁施工階段線形監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)各階段監(jiān)測(cè)任務(wù)和特點(diǎn)采用不同的監(jiān)測(cè)方法，其中鋼板梁工廠和橋位的無(wú)應(yīng)力拼裝線形監(jiān)測(cè)應(yīng)從拼裝線形和切線拼裝角度進(jìn)行雙控。