赤壁長江公路大橋4#墩主橋組合梁施工技術

安東航

(中鐵大橋局集團第五工程有限公司,江西 332001)

1 工程概況

赤壁長江公路大橋主橋為半漂浮結構體系全鋼混組合梁斜拉橋[1],橋跨布置為(90+240+720+240+90)m,全長1 380 m。赤壁長江公路大橋主橋橋式布置如圖1 所示。該橋主塔墩為3#墩、4#墩,橋塔結構為H 形,空間索面,兩岸各設置一個輔助墩和一個邊墩,以720 m 主跨跨越長江,南輔助跨240 m 作為備用通航孔,進一步覆蓋水域,其中主橋4#主塔墩位于水中,5#輔助墩及6#邊墩位于長江漫灘區,高水位時淹沒在水下,枯水期于灘地外露。

圖1 赤壁長江公路大橋主橋橋式布置(單位:m)

全橋主梁順橋向共分為121 個節段,3#墩、4#墩主梁以主橋跨中為分界線對稱布置,各60 個梁段(梁段號自邊跨向中跨依次為ZL1～ZL60),中跨一個合龍段(梁段號ZL61)。4#墩主梁橋面總寬為36.5 m,橋梁中心線處梁高為3.8 m,設置2%的雙向橫坡,標準節段主梁長12 m。標準節段主梁示意如圖2 所示。

每個標準節段均由邊箱梁、橫梁、小縱梁和橋面板組成,邊箱梁采用雙邊箱截面形式[2]。橋面板與鋼梁通過布置于邊箱梁、橫梁和小縱梁頂面的圓柱頭剪力釘結合后共同受力。鋼梁各桿件采用高強度螺栓連接[3]。斜拉索塔端錨固在鋼錨梁,梁端錨固在邊箱梁錨拉板,錨拉板偏心布置在邊箱梁外腹板。標準段橋面板厚26 cm,邊跨采用59 cm 的加厚橋面板壓重,在距離輔助墩22 m 處的次邊跨設置變厚橋面板過渡段(厚度由26 cm 漸變為59 cm),中跨跨中和邊跨壓重區域橋面板順橋向布置預應力,采用7-φs15.2 和15-φs15.2 兩種規格的鋼絞線。為增大邊墩支反力儲備,鋼梁除采用邊跨加厚橋面板壓重外,在邊墩墩頂節段(梁段號ZL1)端橫梁和橫梁間設置壓重箱,內部填充素混凝土。

2 總體施工方案

4#主塔墩周圈設置施工平臺,通過棧橋與橋位處生活區、生產區連接。主橋4#墩鋼梁(跨中合龍段ZL61～6#邊墩墩頂節段ZL1 范圍鋼梁)在工廠內制造加工,驗收合格后通過水路運輸;預制橋面板按照架設順序在橋位處板場內提前澆筑,使用平板車運輸。

鋼梁、橋面板運至橋位后,經碼頭吊機轉運至4#墩旁的存梁船或施工平臺上臨時存放,存梁船和運梁臺車運輸至主梁中、邊跨待架設位置。根據施工進度計劃,4#主塔墩墩頂三節段(梁段號自邊跨向中跨依次為ZL30～ZL32)在枯水期施工,此時岸側灘地外露,因墩頂節段邊箱梁單重大,棧橋及施工平臺結構無法滿足大噸位履帶式起重機的吊裝條件,所以利用浮吊自4#主塔墩江側取梁,在墩旁托架上單構件散拼安裝,拖拉到位,并設置塔區三向臨時約束;其余節段利用全回轉架梁吊機雙懸臂對稱單構件進行散拼架設[4],采用雙節段一濕接循環和單節段一濕接循環相結合的施工方法,其中主梁過臨時墩(墩頂梁段號ZL14)、5#輔助墩(墩頂梁段號ZL11)采用頂落梁工藝確保順利過墩;6#邊墩墩頂節段(梁段號ZL1)端橫梁較重,受吊重影響分3 段進行加工制造、現場組焊,在邊墩帽梁頂設置拼裝支架,保證端橫梁分段焊縫的焊接質量;中跨合龍段(梁段號ZL61)采用主動措施合龍。4#墩主橋組合梁施工流程如圖3 所示。

圖3 4#墩主橋組合梁施工流程

3 主橋4#墩主梁施工技術

3.1 墩頂三節段施工技術

主橋4#墩墩頂三節段ZL30～ZL32 在墩旁托架上采用浮吊單構件散拼+墩頂拖拉法施工。施工前搭設墩旁托架,安裝拖拉滑道梁、水平拖拉千斤頂、豎向千斤頂及鋼梁橫向糾偏裝置等,利用浮吊在中跨側架設ZL30 節段鋼梁及預制橋面板,并將預制橋面板與鋼梁臨時限位,然后采用設置于滑道梁上的100 t 水平千斤頂向岸側拖拉一定距離,架設ZL31 節段鋼梁及預制橋面板,預留橫向支座正上方的兩塊預制橋面板暫不架設。4#墩墩頂三節段第二個節段ZL31 架設示意如圖4 所示。

圖4 4#墩墩頂三節段第二個節段ZL31 架設示意

借助100 t 水平千斤頂將兩個節段主梁向岸側拖拉至設計位置后,再架設ZL32 節段鋼梁及橋面板。4#墩墩頂三節段拖拉到位示意如圖5 所示。

圖5 4#墩墩頂三節段拖拉到位示意

架設完成后,利用設置于墩旁托架滑道梁上的300 t 豎向千斤頂和橫向糾偏裝置精調墩頂三節段線形及高程至設計位置后安裝正式支座,然后安裝塔區三向約束,即在正式支座兩側墊石上分層安裝豎向抄墊,確保與鋼梁底部密貼提供豎向約束。塔區臨時約束示意如圖6 所示。

圖6 塔區臨時約束示意

橫向約束借助橫向抗風擋塊及抗風支座抵抗風荷載作用下主梁的橫向平動;主梁邊跨側的縱向約束借助主體結構鋼梁底設置的反力座牛腿,采用支座灌漿料將其與墊石縫隙填塞密實,約束主梁向中跨位移時的平動;主梁中跨側的縱向約束借助主梁永久阻尼器安裝位置,設計臨時水平桿與主梁永久阻尼器底座連接,約束主梁向邊跨側位移時的平動。臨時約束安裝完成后,塔端掛設第一對斜拉索并第一次張拉,然后利用浮吊在ZL32 節段上(鄰近中跨側節段)拼裝邊跨側架梁吊機。完成后,邊跨側架梁吊機走行至第二個節段,為確保第二個節段橫梁結構的安全,架梁吊機走行到位后,在其支點橫梁下方安裝鋼管混凝土臨時支墩,支撐在下橫梁頂面。橫向支座安裝完成后,使用邊跨側架梁吊機安裝第二個節段剩余的兩塊橋面板,澆筑墩頂三節段濕接縫,等強養護完成后進行第二次斜拉索張拉。邊跨側架梁吊機走行至ZL30 節段(鄰近邊跨側節段)并錨固,最后利用浮吊完成中跨側架梁吊機拼裝。

為保證橫向支座精確定位安裝,位于下橫梁頂的橫向擋塊采用后澆工藝。施工方法如下:架設ZL31 節段鋼梁及預制橋面板時,預留橫向支座正上方的兩塊預制橋面板暫不架設,待墩頂三節段精調和墩頂臨時約束安裝完成后,安裝橫向支座,澆筑橫向抗風擋塊,最后安裝預留的兩塊預制橋面板。橫向支座安裝示意如圖7 所示。

圖7 橫向支座安裝示意

3.2 主梁雙懸臂施工技術

4#墩主橋主梁除墩頂三節段外的其余節段采用懸臂拼裝法架設[5]。主梁懸臂拼裝方案分為鋼梁整節段吊裝方案和鋼梁單構件散拼方案,而鋼梁整節段吊裝方案有以下弊端:①鋼梁單構件在工廠內拼裝成整體,轉運至船上時需新制大噸位起吊設備,成本較高;②根據施工進度計劃,屆時處于枯水期,邊跨側鋼梁無法船運至待架設位置,且整節段鋼梁噸位重,無法橋面運輸;③邊箱梁錨拉板偏心錨固造成邊箱梁起吊易扭轉,鋼梁整節段吊裝時,與已架設梁段上下游側邊箱梁同時對位拼裝困難;④經計算,如采用鋼梁整節段吊裝方案,橋面板及斜拉索受力不滿足相關規范的要求。因此,選用鋼梁單構件散拼方案。

為加快主梁的施工進度,提高施工效率,考慮架設兩個節段鋼梁后一次澆筑兩節段濕接縫的工藝,與單節段一濕接循環工藝對比,兩節段濕接縫施工變流水作業為平行作業,縮短了關鍵線路工期。對雙節段一濕接循環工藝進行計算分析,主梁結構受力滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64—2015)的要求。綜合鋼混組合梁的結構特點和架梁吊機的起重能力,首個懸臂節段、臨時墩與輔助墩墩頂節段、過輔助墩后首節段、邊跨側最后的3 個節段(含邊墩墩頂ZL1 節段)和與之對應的中跨節段采用單節段一濕接循環工藝,其余懸臂節段采用雙節段一濕接循環工藝。

邊箱梁為偏心錨拉結構,存在扭轉,導致橫梁安裝難度大;本次采用先鎖定邊箱梁姿態、降低邊箱梁扭轉程度,然后調整橫梁架設和邊箱梁高栓施擰順序的方法解決該問題。以雙節段一濕接循環工藝為例,方法如下:鋼梁單構件經存梁船和運梁臺車運輸至主梁中、邊跨側待架設位置,架梁吊機首先垂直起吊第一個節段的單側邊箱梁(兩個節段邊箱梁按照上下游交替的順序安裝),采用比邊箱梁高強度螺栓設計孔群小1 mm 的沖釘來調整邊箱梁姿態;驗收合格后,利用臨時鎖定裝置將邊箱梁與已架設節段臨時鎖定并插打沖釘到位,然后起吊安裝第一個節段的剩余邊箱梁,完成后安裝近端第一道橫梁;第一道橫梁拼接定位后,施擰兩根邊箱梁高強度螺栓,同步完成剩余橫梁及小縱梁安裝,掛設第一個節段斜拉索并進行初張拉,然后按照同樣的方法完成第二個節段的鋼梁拼裝和斜拉索掛設、初張拉,安裝兩節段預制橋面板,綁扎兩節段濕接縫鋼筋并現澆,等強后第二次張拉兩節段斜拉索,完成一個循環節段的主梁施工;架梁吊機前移,進入下一個循環施工。

3.3 主梁過臨時墩、輔助墩施工技術

為確保主梁長懸臂施工狀態下的結構安全[6]、滿足雙懸臂施工抗風的需要,在4#墩和5#墩之間(即輔助跨)設置臨時墩,位置距離5#輔助墩22 m(距離4#墩218 m),由于主梁架設至臨時墩頂梁段后邊跨主梁橋面板厚度由26 cm 增加為59 cm,斜拉橋的結構配重開始出現不平衡荷載,因此在架設完成輔助墩墩頂節段前,在不平衡荷載影響下,主梁線形無法通過斜拉索調節。為有效抵抗主梁長懸臂施工過程中的不平衡荷載并確保主梁順利過輔助墩,在臨時墩上下游側墩頂各設置兩臺自鎖式豎向千斤頂(設置于邊箱梁腹板正下方,且兩臺千斤頂并聯,保證行程同步),通過頂梁、落梁施工[7]確保主梁順利過墩。

主梁過臨時墩施工方法如下:提前搭設臨時墩,完成墩頂布置,調整墩頂1#鋼支撐點、2#鋼支撐點及3#千斤頂支撐點至監控標高,然后用架梁吊機對稱架設邊跨臨時墩墩頂節段鋼梁和中跨側對應節段鋼梁,鋼板抄墊臨時墩墩頂鋼梁與支撐點處間隙后,擰緊4#墩塔區正式支座與鋼梁的連接螺栓,解除正式支座兩側的豎向約束(其余臨時約束暫不解除),依據標高測量結果,按照監控指令頂升臨時墩墩頂鋼梁,起頂施工時,保證4 臺自鎖式千斤頂均勻受力且同步分3 級頂升,最后一級每次頂升高度為50 mm,達到監控標高后鎖定千斤頂,每次頂升到位后及時抄墊支撐點與鋼梁間隙,在3 個抄墊點與鋼梁底部的接觸位置設置聚乙烯四氟板,確保鋼梁自由滑動、釋放溫度應力,并利用5 t 的倒鏈將臨時墩墩頂邊箱梁與臨時墩分配梁拉緊,減小臨時墩墩頂邊箱梁的懸臂端抖動,然后按照單節段一濕接循環工藝完成后續施工。臨時墩墩頂布置(起頂狀態)如圖8 所示。

圖8 臨時墩墩頂布置(起頂狀態)

主梁過5#輔助墩前,在輔助墩頂安裝并初定位5#輔助墩支座至監控標高,然后使用架梁吊機對稱架設邊跨輔助墩墩頂節段ZL11 鋼梁和中跨側對應節段ZL51 鋼梁,按照監控指令,利用臨時墩處的4 臺千斤頂同步落梁[8];當輔助墩墩頂鋼梁與5#輔助墩支座頂面接觸時,停止落梁,安裝并調整5#輔助墩支座與鋼梁連接,繼續落梁直至上下游側臨時墩3 個支撐點與鋼梁脫空,然后進行5#輔助墩支座灌漿,等強后先安裝邊跨側8 塊預制橋面板(設計共16 塊),同步運送中跨側6 塊預制橋面板至指定位置存放,初張拉輔助墩墩頂節段ZL11 和中跨側對應節段ZL51 斜拉索,完成后繼續架設邊跨側剩余預制橋面板和中跨側預制橋面板至設計位置;最后進行濕接縫施工,等強后第二次張拉輔助墩墩頂節段和中跨側對應節段斜拉索并調整前一節段斜拉索索力。

3.4 主梁過邊墩施工技術

6#邊墩墩頂節段ZL1 端橫梁較重,綜合考慮架梁吊機起重能力,在工廠內分3 段進行加工制造,現場組焊連接。為確保端橫梁分段間的焊接質量,減小高空作業的風險,在6#邊墩帽梁頂設置拼裝支架,端橫梁拼裝支架如圖9 所示。

圖9 端橫梁拼裝支架

主梁過邊墩前,在邊墩頂安裝并初定位6#邊墩支座至監控標高,同時搭設6#邊墩帽梁頂部的端橫梁拼裝支架,拼裝支架通過錨筋與帽梁穩固連接,測量復核拼裝支架的標高和安裝位置,避開端橫梁分段間焊縫。架梁吊機安裝邊墩墩頂節段邊箱梁和近塔側橫梁,完成后按照監控指令放張前一節段ZL2 的邊跨側斜拉索進行落梁,當邊墩墩頂鋼梁與6#邊墩支座頂面接觸時,停止落梁,安裝并調整6#邊墩支座與鋼梁連接,精調前一節段邊跨側斜拉索后,進行6#邊墩支座灌漿,等強后安裝剩余橫梁,然后按照先兩側梁段后中間梁段的順序安裝端橫梁并完成焊接,澆筑壓重混凝土,安裝橋面板后澆筑濕接縫。

3.5 主梁合龍施工技術

主梁合龍段ZL61 施工采用主動措施合龍[9]。先將合龍段邊箱梁單端與3#墩中跨側已架設梁段邊箱梁拼裝固定,通過塔區縱向頂推裝置縱移鋼梁[10-11],完成合龍段邊箱梁活動端拼接合龍,然后安裝剩余橫梁、小縱梁等。施工方法如下:邊跨合龍段施工完成后,清理梁面多余荷載,進行塔區臨時約束體系轉換(拆除縱向約束和橫向約束),同步在塔區安裝往中跨方向頂推鋼梁的縱向頂推裝置,并根據合龍口連續觀測結果分析鋼梁在日照、溫度影響下的變形規律,確定合龍溫度范圍內鋼梁所需的頂推行程和頂推力,然后將合龍段上游側的兩根邊箱梁分別提前吊裝至3#墩、4#墩合龍口已架設梁段的懸臂端中軸線處(即合龍段上游側邊箱梁吊裝至3#墩合龍口懸臂端、合龍段下游側邊箱梁吊裝至4#墩合龍口懸臂端),在合龍前一天溫度穩定的時間段,通過張拉中跨側主梁懸臂端的2～3 對斜拉橋精調合龍口,將3#墩、4#墩中跨側主梁懸臂端的鋼梁標高、上下游邊箱梁高差、軸線偏位及鋼梁轉角調整至理想狀態,確保精確、快速合龍。合龍口精調完成后,在溫度穩定時間內進行鋼梁合龍,使用3#墩、4#墩中跨側架梁吊機分別起吊已擱置在合龍口懸臂端的兩根邊箱梁,將其單端與3#墩中跨側的已架設梁段拼裝固定,利用塔區墩頂處的縱向頂推裝置縱移鋼梁,觀察兩根邊箱梁另一端的孔眼偏差,對孔完成后及時進行沖釘鎖定,至此合龍段邊箱梁拼接鎖定初步完成,日出后兩小時內拆除塔區頂推系統,最后安裝橫梁、小縱梁和橋面板,完成濕接縫澆筑。

4 結語

赤壁長江公路大橋主橋主梁采用鋼混全組合梁結構。由于施工時值枯水期,4#主塔墩墩頂三節段施工邊跨灘地外露,因此采用浮吊江側散拼+墩旁托架頂分次向邊跨拖拉法施工,通過墩旁托架上布置的三向千斤頂精調裝置精確定位墩頂三節段姿態,實測精度誤差在5 mm 以內。

借助主梁永久結構優化塔區的三向約束設計,滿足施工階段受力要求;主梁懸臂施工采用雙節段一濕接循環和單節段一濕接循環相結合的施工方法,提高施工效率,縮短關鍵線路工期;為解決邊箱梁扭轉造成橫梁拼裝困難的問題,采用先鎖定邊箱梁姿態、降低邊箱梁扭轉程度,然后調整橫梁架設和邊箱梁高栓施擰順序的方法,加快主梁拼裝速度,確保主梁拼裝精度;輔助跨臨時墩頂設置豎向反力調節裝置,過臨時墩時主動施加豎向力的頂梁工藝抵抗不平衡荷載,確保主梁上輔助墩前受力及線形滿足要求,過輔助墩時,釋放已施加豎向力的落梁工藝,確保輔助墩頂鋼梁與支座成功連接,順利實現過墩;主梁過邊墩時,在墩頂設置端橫梁拼裝支架,有效保證了端橫梁分段焊縫現場焊接質量;合龍時,通過合龍口監測分析,利用塔區設置縱移頂推系統實現鋼梁主動合龍,節約合龍時間。該橋主橋已于2021 年3 月16 日順利合龍,為同類型橋梁施工積累了成功經驗。