跨海高速鐵路結(jié)合梁斜拉橋上部結(jié)構(gòu)施工關鍵技術

葉德炳翁方文

1.東南沿海鐵路福建有限責任公司，福州 350013；2.中交第二航務工程局有限公司，武漢430040

鐵路鋼-混凝土結(jié)合橋梁采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁或鋼桁梁等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和混凝土橋面板結(jié)合成共同工作的鋼-混凝土組合截面，具有良好的經(jīng)濟性，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢，可快速便捷施工，在國內(nèi)外公路橋梁和國外鐵路（公鐵兩用）橋梁中得到了廣泛應用。國內(nèi)已建成鐵路斜拉橋采用結(jié)合梁的僅有數(shù)座，而國內(nèi)外鐵路橋梁中主梁全聯(lián)長采用鋼-混組合梁的斜拉橋未見工程應用先例［1-5］。本文依托國內(nèi)首座跨海高速鐵路結(jié)合梁斜拉橋，基于其設計特點及現(xiàn)有施工資源，對上部結(jié)構(gòu)施工方案進行優(yōu)化分析并應用，形成一套跨海高速鐵路結(jié)合梁斜拉橋上部結(jié)構(gòu)施工可行的方案。

1 工程概況

泉州灣跨海大橋為國內(nèi)首座跨海高速鐵路斜拉橋，主橋設計為（70+130+400+130+70）m雙塔雙索面鋼-混結(jié)合梁半漂浮體系斜拉橋，見圖1。

圖1 泉州灣跨海大橋主橋立面布置（單位：m）

鋼梁采用Q370qE鋼，主梁含風嘴全寬21 m，梁高4.25 m，采用單箱三室等高截面，由平底板、斜底板、中縱腹板及邊板圍封而成。鋼梁劃分為13種梁段類型，77榀梁段，其中標準節(jié)段長10.5 m。標準結(jié)合梁標準橫斷面見圖2。橋面板分成預制板、縱向濕接縫、橫向濕接縫三部分施工，其中預制板采用C55高性能海工混凝土，所有濕接縫均采用聚丙烯纖維補充收縮混凝土。每個節(jié)段橋面板由1塊中板和2塊邊板構(gòu)成，全橋共計231塊，最大尺寸為4.65 m×9.80 m，重約560 kN。橋面板+鋼主梁節(jié)段最大重量4 500 kN。斜拉索采用抗拉標準強度1 770 MPa環(huán)氧涂層平行鋼絲拉索，全橋共72對斜拉索，最長斜拉索長219.2 m，最大自重（含兩端錨頭）248 kN。

圖2 標準結(jié)合梁標準橫斷面（單位：m）

上部結(jié)構(gòu)設計總體指導性施工方案為：中跨及次邊跨標準段采用橋面吊機分節(jié)段進行懸臂拼裝。鋼梁與橋面板需在節(jié)段架設前完成結(jié)合，整體吊裝定位后現(xiàn)場澆筑梁段間橫向濕接縫。塔區(qū)存梁梁段利用浮吊吊裝。邊跨及輔助墩墩頂梁段77.9 m采用大型浮吊一次安裝到位，邊跨橋面板在合龍后進行安裝。

2 上部結(jié)構(gòu)總體施工方案優(yōu)化

2.1 邊跨大節(jié)段吊裝優(yōu)化為懸臂拼裝

原設計方案邊跨及輔助墩墩頂梁段吊裝重量達12 000 kN，受邊跨海域礁石影響，大型浮吊無法就位吊裝。

綜合考慮施工安全性及浮吊經(jīng)濟性，將邊跨大節(jié)段吊裝工藝優(yōu)化調(diào)整為懸臂拼裝工藝，充分利用橋面吊機對邊跨梁段進行吊裝施工。

2.2 標準段整體吊裝工藝優(yōu)化

原設計方案標準節(jié)段鋼梁與橋面板先結(jié)合后進行整節(jié)段吊裝，吊裝節(jié)段重量見表1?？芍鯔C最大吊重3 481 kN，傳統(tǒng)吊機無法滿足吊裝要求，且受橋面寬度影響，若橫向采用雙臺吊機抬吊吊裝，橋面空間不足。因此，需要對整體吊裝工藝進行優(yōu)化。

表1 原設計方案整體吊裝重量 kN

采用橋面板與鋼梁后結(jié)合工藝（縱向濕接縫在吊裝后現(xiàn)場澆筑）可以減小吊裝重量，提高吊機資源可選范圍。選定吊重2 900 kN的變幅吊機進行吊裝作業(yè)。優(yōu)化方案吊裝重量見表2。優(yōu)化后標準段總體工藝：若主梁（含橋面板）重量不超過2 900 kN則整體一次吊裝完成，橋位施工橫向濕接縫；若主梁（含橋面板）重量超過2 900 kN則分兩個步驟完成吊裝，先吊裝鋼梁+2塊邊橋面板，待鋼梁栓焊及斜拉索初張后使用橋面吊機變幅吊裝中橋面板，最后施工濕接縫。

表2 優(yōu)化方案吊裝重量 kN

2.3 橋面板吊裝工藝優(yōu)化

標準節(jié)段吊裝總體工藝優(yōu)化后，橋面板與鋼梁后結(jié)合，橋面板在后場進行預制。通過平板車將預制橋面板經(jīng)過海上棧橋運輸至鋼梁吊裝區(qū)域。通過主墩施工平臺處700 kN全回轉(zhuǎn)吊機將預制橋面板安放在駁船上方對應的鋼梁上，然后進行鋼梁與面板整體吊裝施工［4］。橋面板預留鋼筋間距125 mm，鋼梁頂面剪力釘間距125 mm，鋼筋與剪力釘凈間距僅20 mm（圖3）。橋面板鋼筋及鋼梁頂面剪力釘空間位置有限，考慮到鋼梁廠剪力釘施工誤差及安裝風浪影響，橋面板現(xiàn)場難以保證安裝精度且安裝困難。為保證現(xiàn)場施工工效，鋼梁制造時不考慮橋面板區(qū)域鋼梁頂面剪力釘，待橋面板吊裝到位后濕接縫施工前現(xiàn)場進行焊接施工。

圖3 橋面板鋼筋與剪力釘相對位置（單位：mm）

橋面板與鋼梁結(jié)合前，在預制橋面板與鋼梁上翼緣板間的重合處粘貼防腐橡膠條。在橫隔板上緣處，兩側(cè)橡膠條之間澆筑環(huán)氧砂漿（圖4），靠近橡膠條的位置砂漿高度與橡膠條初始高度相同，中部隆起5 mm，形成上拱的弧面。在橋面板自重作用下，橡膠條完全壓密封閉，環(huán)氧砂漿與上下接觸面充分接觸，從而保證結(jié)合面密封。

圖4 橡膠條及環(huán)氧砂漿布置

為保證橋面板與鋼梁結(jié)合的氣密性，橡膠條最小壓縮量不小于5 mm。根據(jù)混凝土橋面板重量，確定橋面板作用與橡膠條的應力為0.33 MPa，并對橡膠條進行壓載試驗。橡膠條尺寸為50 mm×100 mm×25 mm，試驗壓力由0.5 kN遞增至3.0 kN，測量橡膠條在該壓力作用下的壓縮量。壓載試驗結(jié)果見表3?？芍鹉z條在0.33 MPa應力作用下最小壓縮量為5.1 mm，滿足設計要求。

表3 壓載試驗結(jié)果

2.4 超長超重斜拉索施工

S/M1—S/M4索長較短且重量較輕，可直接利用塔吊將斜拉索吊裝至橋面，并利用塔吊牽引索頭進行展索施工。S/M5—S/M14索長相對較長，通過塔吊吊裝上橋，利用主塔處卷揚機進行輔助展索。S/M15—S/M18斜拉索重量均超過塔吊吊裝能力，采用變幅吊機將此拉索吊裝至橋面。以S/M15斜拉索為例，具體施工流程為：斜拉索進場，臨時存放于主墩；S/M14斜拉索初張完成；回轉(zhuǎn)吊吊裝S/M15斜拉索至鋼梁運輸船；橋面吊機松鉤變幅，吊裝S/M15斜拉索至S/M14斜拉索對應梁段。

斜拉索展索由梁端向塔區(qū)進行，受橋面吊機影響，無法沿直線展索，需繞開橋面吊機。為保證斜拉索展索時的安全性，同時避免展索時對斜拉索造成二次損傷，研發(fā)了一種斜拉索展索導向裝置，見圖5。

圖5 斜拉索展索導向裝置

2.5 上部結(jié)構(gòu)施工組織及耐久性

為保證上部結(jié)構(gòu)施工安全，在主梁架設施工前與海事部門技術對接，并在吊裝施工期間進行通航維護，確保吊裝施工安全。

為保證結(jié)構(gòu)耐久性，索塔鋼錨梁采用含量不低于1%的Ni系高性能耐海洋大氣腐蝕鋼，不進行涂裝、不設除濕系統(tǒng)，靠其自身生成致密穩(wěn)定的鈍化銹層阻止氯離子滲透，實現(xiàn)全壽命期的長效防腐。

結(jié)合大橋的環(huán)境特點和設計目標，鋼主梁采用適用于海洋大氣腐蝕環(huán)境的超長壽命耐久防腐涂裝體系。鋼主梁內(nèi)外表面涂裝體系見表4。

表4 鋼主梁內(nèi)外表面涂裝體系

3 優(yōu)化方案理論分析及實施效果

3.1 優(yōu)化方案理論分析

根據(jù)優(yōu)化調(diào)整后的施工方案，采用有限元軟件進行施工全過程分析，并對邊跨鋼梁與混凝土橋面板結(jié)合前鋼梁的應力進行局部分析。按照設計要求成橋線形目標為塔直梁平，通過施工全過程分析得出，成橋狀態(tài)主梁最大撓度在10 mm以內(nèi)（圖6），小于設計要求±20 mm。成橋狀態(tài)計算索力與設計索力差在±3.9%以內(nèi)（圖7），小于設計要求±5%。成橋線形及索力滿足設計要求。成橋狀態(tài)下主塔縱向最大偏位12 mm，橫向最大偏位6 mm，滿足設計成橋塔偏位小于H/3 000（H為塔高）且不大于30 mm的要求。

圖6 成橋主梁撓度變形

圖7 計算索力和設計索力對比

通過有限元施工全過程分析可知，合龍工況下橋面板最大拉應力（2.0 MPa）小于混凝土極限抗拉強度（3.3 MPa），且為短暫受拉狀態(tài)；成橋狀態(tài)主塔區(qū)域橋面板最大壓應力（14.1 MPa）小于混凝土極限抗壓強度（37.0 MPa）；輔助墩處鋼梁頂升工況下鋼主梁最大拉應力（115.7 MPa）小于基本容許應力（210.0 MPa）；成橋工況下鋼主梁最大壓應力（120.7 MPa）小于基本容許應力（210.0 MPa），橋面板及鋼主梁結(jié)構(gòu)受力安全。對邊跨鋼梁進行局部受力分析可知，鋼箱梁最大應力為153 MPa，在鋼箱梁底板和橫隔板相交處為主拉應力。頂板最大等效應力（115.6 MPa）小于基本容許應力（210.0 MPa），鋼主梁局部受力安全。

3.2 優(yōu)化方案實施效果

通過方案優(yōu)化及過程中嚴格按照優(yōu)化方案管控，成功利用橋面吊機完成了邊跨大節(jié)段鋼梁懸臂拼裝；采用鋼梁與橋面板吊裝后再結(jié)合的方式順利完成了梁段施工；利用吊機完成了超長超重斜拉索的吊裝。目前斜拉橋已合龍，施工全過程結(jié)構(gòu)受力、拉索索力及成橋線形滿足設計要求，結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

4 結(jié)論

1）將邊跨大節(jié)段吊裝調(diào)整為對稱懸臂拼裝，解決了大型浮吊無法就位的問題，充分利用了吊機，節(jié)約了成本。

2）將標準節(jié)段鋼梁與橋面板先結(jié)合再整節(jié)段吊裝優(yōu)化調(diào)整為先吊裝后結(jié)合工藝，解決了吊機吊重問題，優(yōu)化了吊機資源。

3）充分利用吊機可變幅特性對橋面中板及部分超重拉索進行了吊裝，通過拉索導向裝置的應用，解決了有限橋面寬度下拉索展索的施工困難。