高速鐵路鋼混疊合梁橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 勇

（中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300308）

0 引言

鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)是一種能夠充分發(fā)揮混凝土材料抗壓能力強(qiáng)、鋼材抗拉能力強(qiáng)的組合結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)輕和施工便利等特點(diǎn)，在我國(guó)目前市政橋梁工程中具有應(yīng)用廣泛[1]。20 世紀(jì)80 年代以來，我國(guó)對(duì)鐵路工程中的鋼混疊合梁也有所探索，其中鋼混疊合梁最大跨度可達(dá)48m，并采用高強(qiáng)度螺栓或剛性連接器作為剪力連接裝置[2]。和公路行業(yè)的應(yīng)用規(guī)模相比，鋼混疊合梁在鐵路工程中的應(yīng)用相對(duì)較少，這主要是因?yàn)殍F路荷載較大，對(duì)主梁的剛度和抗裂性能要求更高。

連續(xù)體系疊合梁的支點(diǎn)負(fù)彎矩開裂問題是疊合梁結(jié)合應(yīng)用中的關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)之一。通過研究支點(diǎn)的預(yù)頂升與回落法為支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)的橋面板施加預(yù)壓應(yīng)力，是改善負(fù)彎矩區(qū)橋面板受力的可行方案之一[3]。

由于頂升回落過程的施工工序比較復(fù)雜，一般需要對(duì)其進(jìn)行過程監(jiān)測(cè)，研究表明監(jiān)控計(jì)算中考慮的彎扭耦合作用是能夠滿足工程精度要求的。

目前對(duì)大跨度連續(xù)體系疊合梁的施工相關(guān)研究較少，現(xiàn)有的相關(guān)研究主要集中在鋼梁加工與安裝工藝方面，對(duì)其頂升回落施工技術(shù)研究較少，尤其是對(duì)鐵路疊合梁的大行程頂升、回落等相關(guān)施工技術(shù)的研究極少[4]。為了對(duì)高速鐵路疊合梁的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較全面的研究，形成相應(yīng)的施工技術(shù)，該文以高鐵首次采用鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)的商合杭鐵路古城特大橋?yàn)橐劳?，探索大跨度高速鐵路疊合梁的施工關(guān)鍵技術(shù)，研究了預(yù)頂升鋼混疊合梁橋在頂升、落梁過程中的施工監(jiān)控方法，并對(duì)線形監(jiān)測(cè)、頂升力監(jiān)測(cè)及橋面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)的方法與結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與分析。

1 依托工程特點(diǎn)

1.1 項(xiàng)目總體概況

新建商合杭鐵路站前五標(biāo)古城特大橋是商合杭鐵路跨越茨谷河的重要通道，大橋所在路線為DK145+597.75～DK145+851.45，采用了上承式無砟軌道無預(yù)應(yīng)力體系鋼混連續(xù)疊合梁結(jié)構(gòu)，橋梁的總體布置如圖1 所示，跨徑為5×50.7m，對(duì)應(yīng)橋梁墩號(hào)為1170#墩～1175#墩，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩。大橋路線方向與茨谷河夾角為154°。該項(xiàng)目為我國(guó)首次在高速鐵路建設(shè)中采用鋼混疊合梁結(jié)構(gòu)，為了解決墩頂負(fù)彎矩區(qū)域的抗裂性問題，大橋在施工過程中通過多次頂升回落的方式改變墩頂橋面板的應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 橋位布置圖（單位：m）

1.2 主橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大橋主梁采用等梁高鋼箱疊合梁結(jié)構(gòu)，主梁的標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖2 所示。鋼梁采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，高度為3.585m，鋼梁底板寬度為6.9m，頂板寬度為7.4m，頂板加勁肋為U型加勁肋，底板及腹板縱向加勁肋采用I 型加勁肋。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

橋面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)為C50，橋面板寬度為12.6m。根據(jù)其縱向所在的不同位置，分為預(yù)制橋面板和現(xiàn)澆橋面板2 種形式。其中預(yù)制混凝土橋面板主梁分布在跨中區(qū)域，面板預(yù)制厚度為41.5cm～28.2cm，采用全寬預(yù)制。預(yù)制橋面板與鋼梁之間通過集束式剪力釘進(jìn)行連接，剪力釘群布置在腹板上方位置，剪力釘槽口尺寸為50cm×50cm，單個(gè)點(diǎn)群由間距10cm 的16 根剪力釘組成。墩頂附近橋面板采用現(xiàn)澆方式進(jìn)行施工，現(xiàn)澆混凝土板厚為43cm～28.2cm。

為了提高支點(diǎn)附近鋼梁下緣受壓穩(wěn)定性，在中支點(diǎn)兩側(cè)各7.5m 范圍內(nèi)澆筑C50 補(bǔ)充混凝土，混凝土厚度為30cm，通過剪力釘與底板連接。

2 鋼梁安裝及頂升關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鋼梁安裝工藝

由于大橋橋位處不具備水運(yùn)條件，結(jié)合運(yùn)輸條件和吊裝設(shè)備的能力，將鋼梁進(jìn)行合理塊體劃分后再進(jìn)行運(yùn)輸與安裝。該橋鋼梁總長(zhǎng)為253.5m，頂面寬7.4m，高為3.585m。將鋼梁縱向分解為26 個(gè)節(jié)段，橫向分解為左、右2 個(gè)塊體，總計(jì)為52 個(gè)梁段，劃分后塊體的尺寸滿足陸運(yùn)尺寸要求和汽車吊安裝的質(zhì)量要求。

鋼梁安裝采用標(biāo)準(zhǔn)化裝配式支架為臨時(shí)支撐，每組支撐由4 根φ529mm×8mm 的鋼管組成。立柱橫向間距為4.5m，縱向間距為2.0m。鋼管立柱之間通過φ219mm×6mm鋼管連接成整體。鋼管頂部以雙拼I40a 工字鋼為橫梁，橫梁上設(shè)置I20a 調(diào)梁墊塊，在墊塊上抄墊不同厚度的鋼墊板以控制梁段高程。

進(jìn)行鋼梁塊體吊裝時(shí)先將各節(jié)段的橫向2 個(gè)塊體焊接成整體，后進(jìn)行縱向連接。在縱向焊接前應(yīng)對(duì)塊體兩端的高程和平面位置進(jìn)行精確的測(cè)量與調(diào)整，以消除支架變形的影響，確保主梁安裝線形滿足要求。

2.2 鋼梁頂升施工關(guān)鍵技術(shù)

鋼梁頂升與回落施工是該項(xiàng)目施工的重點(diǎn)之一，為了對(duì)墩頂負(fù)彎矩區(qū)域混凝土橋面板施加有效的預(yù)壓應(yīng)力，橋梁中間支點(diǎn)的頂升高度較大，為施工帶來了很大的挑戰(zhàn)。

結(jié)合該橋的受力要求，主梁頂升回落施工具有以下特點(diǎn)：1）頂升總量大，中支點(diǎn)頂升總量達(dá)到70cm，次中支點(diǎn)頂升總量為20cm。2）頂升回落工序復(fù)雜，先完成中支點(diǎn)與次中支點(diǎn)均頂升20cm 后鎖定次中支點(diǎn)，再頂升中支點(diǎn)50cm。回落需要配合橋面板分批安裝、澆筑等工序。3）頂升回落周期久，在頂升后需要進(jìn)行橋面板的4 個(gè)施工工況和2 次回落工況，總施工周期超過3 個(gè)月，對(duì)臨時(shí)支撐狀態(tài)下的安全控制要求高。

為了精確控制頂推和回落施工過程的反力與位移，在施工過程中采用了單點(diǎn)控制智能液壓千斤頂系統(tǒng)進(jìn)行頂推，每個(gè)墩頂?shù)? 個(gè)千斤頂采用并聯(lián)布置，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一橋墩頂升同步。每臺(tái)液壓泵自身帶有一個(gè)電磁閥，可以單獨(dú)控制升降。通過單向電磁閥的控制實(shí)現(xiàn)了千斤頂?shù)淖枣i，避免在大噸位荷載作用下出現(xiàn)回落。

在每個(gè)千斤頂上安裝位移、壓力傳感器與自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)過程的閉環(huán)反饋。整個(gè)液壓頂升系統(tǒng)通過這一閉環(huán)式的反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂升的智能控制，控制系統(tǒng)內(nèi)各組執(zhí)行油缸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的同步頂升控制。

頂升的主要施工環(huán)節(jié)如下：1）在橋面板施工前將鋼梁中支點(diǎn)、次中墩頂升20cm。2）次中墩鎖定，中墩頂升70cm。3）安裝中跨區(qū)域預(yù)制橋面板，澆筑中墩橋面板并等強(qiáng)，中墩處鋼梁下降70cm。4）安裝邊跨、次中墩兩側(cè)預(yù)制橋面板，澆筑次中墩橋面板并等強(qiáng)，次中墩落梁20cm。5）施工其他橋面板及底板壓重混凝土。

為了在頂升施工過程中為邊支點(diǎn)和次邊支點(diǎn)提供可靠的抗拔力，同時(shí)為鋼梁支點(diǎn)處提供橫向限位，確保施工過程中主梁的整體穩(wěn)定性，該文在施工過程中開發(fā)了一種可提供大噸位抗拔力的臨時(shí)鎖定裝置。

臨時(shí)鎖定機(jī)構(gòu)由鎖緊盒、錨固螺紋鋼、四氟乙烯墊板和緊箍螺母組成。其中，鎖緊盒由Q346 鋼材加工成型，上部與鋼梁焊接，下端墊板沿縱橋向預(yù)留長(zhǎng)圓形孔洞，墊板上表面粘貼聚四氟乙烯板，鎖緊盒兩側(cè)立板預(yù)留操作槽口。需要鎖定時(shí)，將預(yù)埋于橋墩上的φ50mm 精軋螺紋鋼穿過鎖緊盒下方的長(zhǎng)圓孔，通過操作槽口安裝緊箍螺母，以提供可靠的豎向抗拔力。同時(shí)利用四佛乙烯板摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)，允許錨固螺紋鋼和鎖緊盒之間的縱橋向相對(duì)變形，滿足了在頂升過程中主梁縱向變位的要求。同時(shí)利用長(zhǎng)圓孔對(duì)錨固螺紋鋼的橫橋向限位功能限制其橫向位移。

3 混凝土面板施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 橋面板施工總體工藝

根據(jù)其縱向位置的不同，該橋橋面板分為現(xiàn)澆和預(yù)制2 種施工方法，不同位置橋面板的施工方法及順序如圖3所示。由圖3 可知，中跨跨中31.5m 范圍橋面板為第一批安裝的預(yù)制橋面板，中墩頂19.2m 為第一批現(xiàn)澆混凝土橋面板，在中墩回落前完成施工；邊墩頂25.45m 為第二批澆筑混凝土橋面板，邊跨跨中15.65m 為第二批安裝的預(yù)制橋面板，次中墩墩頂19.2m 為第三批澆筑混凝土，在次中墩回落前完成施工。通過上述分批施工方法，盡量降低后續(xù)施工工序?qū)σ呀?jīng)施工橋面板產(chǎn)生的拉應(yīng)力，以提高橋面板的抗裂性能。

圖3 橋面板施工順序示意圖（單位：m）

3.2 預(yù)制面板安裝施工

該橋預(yù)制橋面板寬度為12.6m，每個(gè)面板沿橫橋向布置3 排剪力槽，共9 個(gè)剪力槽。安裝預(yù)制橋面板時(shí)，通過現(xiàn)澆混凝土和剪力釘將橋面板和鋼梁在剪力槽位置可靠連接，限制二者之間的剪切變形和抗拔變形。在剪力槽以外的位置，橋面板和鋼梁之間通過環(huán)氧砂漿連接，在環(huán)氧砂漿邊緣鋪設(shè)橡膠條，作為環(huán)氧鋪設(shè)的邊界，如圖4 所示。環(huán)氧砂漿具有良好的流動(dòng)性和抗壓性能，能確保橋面板和鋼梁之間緊密黏結(jié)，均勻傳遞壓應(yīng)力。

圖4 預(yù)制橋面板連接示意圖

該文通過多組試驗(yàn)研究對(duì)RJ-55 環(huán)氧樹脂砂漿、RG 環(huán)氧樹脂砂漿及JGN 環(huán)氧樹脂砂漿的主要材料性能進(jìn)行了對(duì)比，最終優(yōu)選JGN 環(huán)氧樹脂砂漿。其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為70MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為7MPa，與鋼材黏結(jié)剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為15MPa，與鋼材黏結(jié)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為33MPa，具有良好的強(qiáng)度和黏結(jié)性能。

將鋼梁表面進(jìn)行打磨除銹處理，先沿預(yù)制板安裝位置的邊緣在鋼梁上粘貼1.5cm 厚環(huán)氧樹脂砂漿，將其作為中間介質(zhì)膠結(jié)構(gòu)層和環(huán)氧樹脂砂漿的鋪設(shè)區(qū)域的邊緣圍擋。將環(huán)氧樹脂砂漿的甲、乙組分按照3 ∶1 的質(zhì)量比例攪拌均勻，攤鋪在預(yù)先定位好的鋼梁部位，并采用項(xiàng)目研發(fā)的專用設(shè)備進(jìn)行砂漿頂面找平，達(dá)到平整度要求。砂漿鋪設(shè)完成后對(duì)砂漿厚度進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足要求后再吊裝定位橋面板，最后進(jìn)行剪力槽混凝土澆筑。

3.3 現(xiàn)澆混凝土面板施工

墩頂兩側(cè)橋面板采用現(xiàn)澆施工，其中斷面兩側(cè)翼緣板采用裝配式勁性支架支撐模板系統(tǒng)。綜合利用鋼梁的拼裝支架，將其作為翼緣模板骨架支撐，將鋼梁拼裝支架橫梁延伸至橋面翼緣下方，模板骨架支撐在主墩兩側(cè)支架橫梁上，為翼緣板施工提供支撐。

現(xiàn)澆橋面板與鋼梁之間采用分散式剪力釘連接，鋼梁頂面除銹后，完成剪力釘焊接與鋼筋綁扎，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行混凝土澆筑。澆筑時(shí)由兩側(cè)向墩頂澆筑，如圖3 所示。通過加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，提高混凝土的施工質(zhì)量，避免表面出現(xiàn)干縮裂縫。

4 實(shí)施效果

在上述相關(guān)工藝的指導(dǎo)下，商合杭鐵路古城特大橋的施工工作順利完成。在施工過程中對(duì)關(guān)鍵工況主梁的線形測(cè)量結(jié)果表明主梁線形變化與理論值較吻合，變形合理可控。以頂升回落施工過程為例，關(guān)鍵斷面的高程變化與理論值之間的誤差分布情況如圖5 所示。圖5 中橫軸為主梁縱向坐標(biāo)，以小里程梁端為坐標(biāo)0 點(diǎn)，縱軸為實(shí)測(cè)值與理論值之間的高程誤差。由圖5 可知，在頂升及回落過程中主梁高程誤差基本在±18mm 范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的實(shí)際響應(yīng)和理論數(shù)據(jù)較為接近，變形合理可控。

圖5 頂升與回落過程主梁高程誤差分布圖

頂升過程中對(duì)智能千斤頂?shù)姆戳y(cè)量結(jié)果表明，在頂升過程中，當(dāng)頂升位移達(dá)到目標(biāo)后，1172#墩頂?shù)捻斏ζ顬?.5%，1173#墩頂?shù)捻斏ζ钸_(dá)到了9.5%，1174#墩頂?shù)捻斏ζ钸_(dá)到了8.9%，1174#墩頂?shù)捻斏ζ钸_(dá)到了4.3%。實(shí)測(cè)頂升力與理論值相比均為正誤差，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的實(shí)際質(zhì)量及剛度略大于理論計(jì)算值，但誤差均在10%以內(nèi)，總體控制良好。

施工過程中關(guān)鍵斷面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，通過起頂回落施工工序，對(duì)中墩、次中墩墩頂混凝土橋面板施加的預(yù)壓應(yīng)力情況如圖6 所示。中墩墩頂混凝土橋面板施加了4.4MPa～4.6MPa 壓應(yīng)力，次中墩墩頂混凝土橋面板施加了4.1MPa～4.3MPa 壓應(yīng)力。施加在橋面板上的壓應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值基本一致，由此可見大橋通過中支點(diǎn)和次中支點(diǎn)的頂升回落施工對(duì)支點(diǎn)位置混凝土橋面板施加了有效的預(yù)壓應(yīng)力，提高了鋼筋混凝土橋面板的抗裂性。

圖6 成橋狀態(tài)下墩頂截面（單位：m）

5 結(jié)語

該文以商合杭鐵路古城特大橋?yàn)橐劳校瑢?duì)上承式無砟軌道無預(yù)應(yīng)力體系鋼混連續(xù)疊合梁的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵響應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，得出以下主要結(jié)論：

古城特大橋主橋?yàn)楦咚勹F路工程首次采用疊合梁結(jié)構(gòu)，通過鋼箱梁和混凝土橋面板疊合，在滿足剛度要求的同時(shí)也滿足了鐵路橋梁的快捷施工的要求。

基于陸運(yùn)條件的疊合梁運(yùn)輸安裝施工可將鋼梁沿著縱、橫橋向進(jìn)行合理塊體劃分，配合標(biāo)準(zhǔn)化裝配式支架能夠?qū)崿F(xiàn)鋼梁快速安裝。

分析了大位移多點(diǎn)頂升、回落施工特點(diǎn)，形成了多點(diǎn)分級(jí)頂升工藝，開發(fā)了一種鋼梁頂升施工鎖緊裝置，能夠?yàn)橹c(diǎn)提供可靠的臨時(shí)上拔力，并滿足主梁縱向位移和橫向限位的要求，滿足了主梁大位移分節(jié)段頂升的要求。

優(yōu)選了JGN 環(huán)氧樹脂砂漿，明確了材料的主要強(qiáng)度指標(biāo)，形成了相應(yīng)的施工工藝，并總結(jié)了疊合梁橋面板預(yù)制安裝和現(xiàn)澆施工的工藝技術(shù)。

施工過程線形與應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，利用頂升位移作為施工主控指標(biāo)合理，頂升過程線形和起頂力誤差均較小。通過中間支點(diǎn)頂升回落能夠?qū)Χ枕敾炷翗蛎姘迨┘佑行У念A(yù)壓應(yīng)力，提高橋面板抗裂性能。