大跨度不對(duì)稱(chēng)體系斜拉橋邊跨混凝土箱梁的線(xiàn)形控制研究

何川， 顏東煌， 易壯鵬， 萬(wàn)華

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

斜拉橋是大跨度橋梁廣泛采用的一種橋型，它由主梁、主塔和斜拉索3個(gè)部分組成，具有自重較輕、受力性能良好和跨度大等優(yōu)點(diǎn)。由于橋位處地質(zhì)條件特點(diǎn)和實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)需要，大跨度斜拉橋經(jīng)常采用混合梁、高低塔的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)體系，這種大跨復(fù)雜體系的計(jì)算分析和施工控制具有很多問(wèn)題需要解決。斜拉橋中，中跨采用鋼箱梁而邊跨采用箱形混凝土梁段進(jìn)行壓重是一種常見(jiàn)的不對(duì)稱(chēng)體系，這種結(jié)構(gòu)的邊跨混凝土箱梁通常采用支架現(xiàn)澆法。荊岳長(zhǎng)江公路大橋在結(jié)合自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)條件，采用短線(xiàn)法邊跨混凝土箱梁進(jìn)行預(yù)制和拼裝。短線(xiàn)法將箱梁分成若干小段，將每段的成橋整體坐標(biāo)換算成預(yù)制場(chǎng)的局部坐標(biāo)，依次在預(yù)制平臺(tái)澆注所有梁段。已預(yù)制好的梁段前移，作為下段梁的匹配梁，待澆梁段預(yù)制完成后前移，作為新梁段的匹配梁，同時(shí)存放一段時(shí)間后將預(yù)制好的梁段按照設(shè)計(jì)要求將每一段梁拼接好，循環(huán)反復(fù)直至整個(gè)梁段完成。

短線(xiàn)法對(duì)線(xiàn)形精度要求高，每一個(gè)預(yù)制節(jié)段的制造誤差如果得不到很好的控制，較小的誤差累計(jì)就可能導(dǎo)致較大的成橋線(xiàn)形誤差。該文以荊岳長(zhǎng)江公路大橋南邊跨混凝土箱梁的拼裝過(guò)程控制為背景，進(jìn)行大跨度不對(duì)稱(chēng)體系斜拉橋邊跨混凝土箱梁的線(xiàn)形控制研究。

1 邊跨混凝土梁段拼裝

1.1 節(jié)段劃分與控制點(diǎn)

荊岳長(zhǎng)江公路大橋?yàn)橹骺?16 m的高低塔不對(duì)稱(chēng)混合梁斜拉橋，南邊跨采用分離式混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，施工方法采用短線(xiàn)預(yù)制與拼裝。根據(jù)南邊跨箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分成38個(gè)節(jié)段，從監(jiān)利側(cè)至岳陽(yáng)側(cè)編號(hào)依次為N1～N38，見(jiàn)圖1；為了進(jìn)行線(xiàn)形控制,每節(jié)段箱梁分布10個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中T1、T5為前端高程控制點(diǎn)，T3、T8為軸線(xiàn)控制點(diǎn)，其余點(diǎn)為輔助控制點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖1 南邊跨混凝土箱梁節(jié)段劃分圖(單位：cm)

圖2 梁段測(cè)點(diǎn)布置圖

箱梁拼裝階段控制的關(guān)鍵是對(duì)線(xiàn)形的控制，線(xiàn)形是通過(guò)梁段標(biāo)高和軸線(xiàn)體現(xiàn)的，在施工控制中，標(biāo)高的測(cè)量是控制的重要工作之一。一般情況下，標(biāo)高的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值有一定的偏差，實(shí)際線(xiàn)形總是偏離設(shè)計(jì)線(xiàn)形，這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)采取措施，適當(dāng)調(diào)整線(xiàn)形，減小其偏差。

1.2 拼裝工藝流程

南邊跨分離式混凝土箱梁采用高空平臺(tái)分節(jié)段預(yù)制，同時(shí)在高空進(jìn)行移梁和存梁，使得混凝土梁段在自由無(wú)約束狀態(tài)下完成收縮和徐變變形，在至少3個(gè)月的存梁完成后，即可將梁段移至控制位置進(jìn)行拼裝。

在高空支架平臺(tái)上進(jìn)行的梁段拼裝主要有梁段空間位置調(diào)整、梁段拼裝、黏結(jié)劑涂抹和預(yù)應(yīng)力張拉等主要工序?？臻g位置的變化可能使混凝土受力不均發(fā)生開(kāi)裂，以及出現(xiàn)支座脫空造成梁段局部應(yīng)力過(guò)大；拼裝時(shí)由于混凝土的變形收縮差異導(dǎo)致剪力鍵和剪力槽錯(cuò)位，影響拼裝質(zhì)量及功效；環(huán)氧樹(shù)脂涂抹后的固化時(shí)間短，并要求在一定壓力條件下進(jìn)行固化；預(yù)應(yīng)力的不均勻張拉可能使得梁段出現(xiàn)不規(guī)則變形，預(yù)應(yīng)力孔道出現(xiàn)錯(cuò)位，影響下一梁段的拼裝。因此，混凝土梁段的拼裝難度大且受多因素制約，合理施工順序選擇和復(fù)雜因素的控制手段是這一復(fù)雜、繁瑣過(guò)程中保證混凝土梁段高精度、高質(zhì)量拼裝且無(wú)裂縫發(fā)生的關(guān)鍵所在。荊岳長(zhǎng)江公路大橋南邊跨混凝土箱梁施工工藝的主要流程為：① 將梁段移至控制位置；② 調(diào)整梁段的空間位置，調(diào)整好后進(jìn)行試拼；③ 梁段對(duì)接后，測(cè)量控制點(diǎn)標(biāo)高、軸線(xiàn)及拼接縫寬，誤差如果在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明試拼成功；如果誤差超出允許范圍，在保證縫寬的前提下，對(duì)梁段進(jìn)行微調(diào)直到滿(mǎn)足要求；④ 將梁段退回20 cm，均勻涂抹環(huán)氧樹(shù)脂，進(jìn)行正式拼裝；⑤ 對(duì)接梁段，對(duì)稱(chēng)張拉縱向預(yù)應(yīng)力，環(huán)氧樹(shù)脂在0.3～0.4 MPa壓力下固化；⑥ 12 h后張拉剩余預(yù)應(yīng)力；⑦ 進(jìn)行預(yù)應(yīng)力孔道壓漿；⑧ 觀(guān)測(cè)標(biāo)高、軸線(xiàn)的變化；⑨ 進(jìn)入下一階段梁的拼裝。

1.3 拼裝過(guò)程存在的問(wèn)題

在開(kāi)始拼裝的幾段梁中，由于受到各個(gè)因素的影響，梁段的控制非常困難。出現(xiàn)了一些幾何線(xiàn)形方面的難題，主要體現(xiàn)在：① 匹配縫寬和梁段標(biāo)高不能兼顧；② 由于不規(guī)則變形引起梁段對(duì)角同高同低的翹曲；③ 剪力鍵與剪力槽不能有效嵌合。圖3為開(kāi)始幾段梁的線(xiàn)形拼裝結(jié)果。

圖3 初始拼裝幾段梁的高程控制點(diǎn)誤差圖

從圖3可以看出：前面梁段控制點(diǎn)實(shí)測(cè)高程與理論值最大差值接近30 mm，誤差偏大；另外，還可發(fā)現(xiàn)上下游的差值差異很大，這說(shuō)明了梁段發(fā)生了顯著的不規(guī)則變形，收縮、徐變及其他因素造成了梁段前端控制點(diǎn)T1和T5的變形剛好相反，梁段出現(xiàn)翹曲。同時(shí)，前幾段梁位于塔區(qū)附近，剪力值較大，大部分剪力通過(guò)設(shè)計(jì)的剪力鍵承受，因此這幾段梁在腹板位置設(shè)計(jì)的剪力鍵與剪力槽比較多，梁段的變形造成剪力鍵和剪力槽不能很好地嵌合，從而加劇梁段拼裝困難。

2 梁段變形分析及采取的控制措施

2.1 梁段翹曲的影響

梁段從澆筑到拼裝前經(jīng)歷了多道工序，包括立模、澆梁、張拉橫向預(yù)應(yīng)力、拆模、移梁和存梁等，正式拼裝還有空間姿態(tài)調(diào)整和縱向預(yù)應(yīng)力張拉等工序，這些工況下梁段經(jīng)歷多種體系轉(zhuǎn)換，邊界條件在不同工況下存在差異，同時(shí)由于混凝土收縮徐變、溫度變化和預(yù)應(yīng)力張拉等因素的影響，梁段在縱向、豎向和橫向均發(fā)生大小不等的變形。這些變形中，梁體縱向伸縮與斜拉索水平分力產(chǎn)生的壓縮量可以通過(guò)后續(xù)梁段進(jìn)行調(diào)整；橫向變形主要對(duì)梁段實(shí)際的橫坡產(chǎn)生影響，可以通過(guò)鋪裝層進(jìn)行一定程度的消除；豎向變形則對(duì)梁段拼裝和線(xiàn)形控制產(chǎn)生直接的影響，必須采用相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整和控制。

豎直方向的主要變形體現(xiàn)為梁段翹曲，即對(duì)角存在同高同低，梁段在空間發(fā)生了扭曲。為了對(duì)其大小進(jìn)行數(shù)值描述，取翹曲值Δ為澆筑、拼裝兩種工況下兩個(gè)對(duì)角控制點(diǎn)高差之和的差，具體計(jì)算公式為：

Δ=Δh1+Δh10-Δh5-Δh6

(1)

式中：Δh1、Δh10、Δh5、Δh6分別為兩種不同工況下4個(gè)控制點(diǎn)T1、T10、T5、T6的高差。同一段梁在任意兩種工況下均有可能產(chǎn)生翹曲，在梁段線(xiàn)形控制過(guò)程中最為關(guān)注的是前后兩段梁在澆筑、正式拼裝時(shí)的翹曲大小。梁段在澆筑時(shí)，某一段梁既將上一段梁做匹配模板，又是下一段的匹配模板。因此在梁段正式拼裝時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)梁段有兩個(gè)翹曲值值得關(guān)注，一個(gè)是梁段本身澆筑至拼裝兩種工況下的相對(duì)翹曲，另一個(gè)是做匹配模板和本身拼裝兩種工況下的相對(duì)翹曲，分別用翹曲1和翹曲2表示，部分梁段的實(shí)測(cè)翹曲值如表1所示。從表1可看出：同一個(gè)梁段在不同工況發(fā)生的翹曲差異很大，除了溫度、收縮徐變引起變形外，預(yù)制及存、移梁時(shí)邊界條件的改變亦引起梁段不同位置產(chǎn)生不同的變形，形成翹曲。如果不考慮這些變形的影響，拼裝后的梁段將出現(xiàn)梁段之間的縫寬差和控制點(diǎn)的標(biāo)高均不能滿(mǎn)足要求，因此必須采用對(duì)應(yīng)的控制措施來(lái)消除其影響。

表1 混凝土梁段實(shí)測(cè)翹曲大小

2.2 標(biāo)高與縫寬差的調(diào)整

對(duì)于由各種原因產(chǎn)生的梁段翹曲，可以通過(guò)逐步調(diào)整上下游縫寬差予以有效消除，使得調(diào)整后的梁段線(xiàn)形逐步逼近成橋線(xiàn)形，避免出現(xiàn)初始拼裝時(shí)出現(xiàn)的理論值與實(shí)測(cè)值差別過(guò)大的現(xiàn)象。圖4為通過(guò)縫寬差調(diào)整前端控制點(diǎn)標(biāo)高的關(guān)系圖。從圖4可看出：縫寬差δ與控制點(diǎn)高程變化值d的關(guān)系。鑒于表1所反映的實(shí)測(cè)線(xiàn)形整體高于成橋線(xiàn)形，縫寬差δ必須是頂寬底窄才能將控制點(diǎn)高程降下來(lái)，梁段的標(biāo)高需通過(guò)幾段甚至更多梁段進(jìn)行調(diào)整，避免過(guò)急出現(xiàn)折角，調(diào)整值取決于實(shí)際標(biāo)高與理論標(biāo)高的差值，表2為部分梁段縫寬差δ的大小。在實(shí)際調(diào)整縫寬差的過(guò)程中，通過(guò)在頂板位置添加相應(yīng)厚度的墊片，達(dá)到降低控制點(diǎn)高程和緩和線(xiàn)形的目的，同時(shí)由于在縫隙內(nèi)填充的環(huán)氧樹(shù)脂短時(shí)間內(nèi)不能固化，墊片起到了很好的固定作用，避免了預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)控制點(diǎn)高程發(fā)生變化。

圖4 通過(guò)頂?shù)装蹇p寬差調(diào)整控制點(diǎn)標(biāo)高關(guān)系圖

表2 標(biāo)高調(diào)整的梁段頂?shù)装蹇p寬差分布表

注：表中數(shù)據(jù)以底板縫寬減去頂板縫寬大于零為正。

2.3 剪力鍵的處理

剪力鍵主要起傳遞梁段豎向剪力的作用，梁段前期拼裝過(guò)程中由于梁段變形采取了剪力鍵打磨和預(yù)應(yīng)力孔道擴(kuò)張的措施解決拼梁?jiǎn)栴}，造成剪力鍵基本被磨損掉，散失了承受剪力的功能，剪力完全由預(yù)應(yīng)力筋來(lái)承受，使得成橋后的安全存在隱患。鑒于此，不應(yīng)對(duì)梁段進(jìn)行剪力鍵的打磨處理，而應(yīng)在不破壞梁段的前提下對(duì)剪力鍵進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。設(shè)計(jì)上可以通過(guò)換算，將剪力鍵的面積擴(kuò)大，數(shù)量減少，并保證承受的剪力不變；另一方面，梁段預(yù)制時(shí)匹配梁剪力鍵的5個(gè)表面都黏上一塊3 mm厚的薄板，這樣剪力槽的空間相對(duì)于剪力鍵寬余很多，嵌合更加方便有效，在涂膠時(shí)保證剪力鍵5個(gè)面的環(huán)氧樹(shù)脂均勻且沒(méi)空隙即可。圖5為剪力鍵改進(jìn)前后的對(duì)比圖。

3 調(diào)整后的主梁線(xiàn)形

靠近南塔塔區(qū)的初始梁段出現(xiàn)了一些問(wèn)題，梁段控制點(diǎn)標(biāo)高的理論值與實(shí)測(cè)值差別較大。在分析了變形的原因，以及采取調(diào)整縫寬差和優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力鍵數(shù)量、位置等一系列措施后，拼接速度及質(zhì)量得到了很大的提高，調(diào)整后的實(shí)際線(xiàn)形逼近成橋線(xiàn)形。圖6為所有梁段拼裝完成后實(shí)測(cè)線(xiàn)形與理論線(xiàn)形及誤差分布。

從圖6可看出：南邊跨混凝土主梁的實(shí)際線(xiàn)形與理論線(xiàn)形比較吻合，在起始段出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，及時(shí)采取了有效措施，保證了線(xiàn)形的平順性，避免了出現(xiàn)折角。

圖5 剪力鍵的處理圖

圖6 實(shí)際成橋線(xiàn)形和理論成橋線(xiàn)形比較圖

4 結(jié)論

大跨度不對(duì)稱(chēng)斜拉橋邊跨常用的短線(xiàn)預(yù)制拼裝法將整個(gè)梁體分成若干節(jié)段進(jìn)行預(yù)制，逐次進(jìn)行拼接。梁段在預(yù)制、拼裝過(guò)程中經(jīng)過(guò)多種體系轉(zhuǎn)換，發(fā)生的變形對(duì)后續(xù)拼接工作帶來(lái)很多困難。通過(guò)調(diào)整縫寬差和改進(jìn)剪力鍵設(shè)計(jì)，可以有效解決梁段發(fā)生的翹曲變形的影響，保證梁段拼裝的速度和質(zhì)量，很好地控制主梁線(xiàn)形。這些控制方法與改進(jìn)措施在荊岳長(zhǎng)江公路大橋南邊跨的拼裝施工中得到了具體的運(yùn)用，并取得了成功，可為類(lèi)似大跨度不對(duì)稱(chēng)體系斜拉橋邊跨混凝土箱梁的線(xiàn)形控制提供借鑒。