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大跨度连续刚构桥悬灌段施工技术

【内容提要】渝怀铁路黄草乌江大桥主跨168米，是目前我国双线铁路连续刚构跨度最大的桥梁，该桥梁部截面大,悬灌节段更是长达21段，无论是本桥悬灌段采用的挂篮，还是线性控制采取的有效措施，都有一定的特色。本文论述了本桥悬灌段施工技术，同时介绍了部分工序的施工技术。
【关 键 词】大跨度 悬灌段 施工技术

1.工程概况
渝怀铁路三跨乌江之二的黄草乌江大桥全长410.65米，主跨为连接2#墩和3#墩的预应力砼连续刚构梁，长168米，是目前我国双线铁路连续刚构跨度最大的桥梁（如图1所示）。梁体混凝土标号为C55，梁宽7.8米，梁高5.5～11米，连续刚构部分1～21号段为悬灌段，22号段为合龙段。其中最重的梁段是1#段,重达270.7吨。纵向预应力束采用19-7φ5钢铰线，锚具采用HVM15-19型；顶板横向预应力筋采用4-7φ5钢铰线，张拉端采用HVBM15-4扁形锚具，锚固端采用HVM15-4P型锚具锚固；竖向预应力筋采用Ⅳ级32mm精扎螺纹钢筋，YGM-32螺母锚固。
图1 黄草乌江大桥桥跨布置图
2.工程特点及方案选择
悬灌段施工是本桥施工中的核心技术,从挂篮的选择到高标号混凝土的配制以及整个T构的线性控制,都有一定的难度。黄草乌江大桥斜跨地势险峻的乌江峡谷，山高谷深，山势陡峭，施工中乌江水暴涨暴落，水位变幅可达40～50m，施工风险大。施工中着重解决的问题主要有：施工现场的布置、施工机械的选择和运用、混凝土运输、先进的测量监控技术。采用的主要设备如表1所示：
2.1混凝土供应
由于地处山势复杂，混凝土搅拌站只能设在离施工现场200米远处的山凹中，经过充分的方案对比，利用陡峭的山势用万能杆件搭设栈桥通向两个主墩，并通过栈桥将搅拌站的混凝土输送管道布设到墩顶，保证混凝土的随时供应以及提供施工人行通道。
2.2物资设备的垂直运输
在垂直运输的问题上,有两个方案可以选择,一是利用桥址两岸陡峭的山势架设缆索吊,保证两
表1 大型机械设备一缆表
序号
设备名称
规格型号
台数
备注
1
塔式起重机
TC5023-2
2
两岸各一台
2
砼输送泵
HBT50C-1413
2
两岸各一台
3
菱形挂篮
ZLG-386
4
两岸各两套
4
发电机
120KW
2
两岸各一台
5
拌和机代配料机
JSY1000,PCD12002
2+1
怀化侧
6
拌和机代分料机
JSY750E,SP2500
2+1
重庆侧
7
装载机
ZL50C
1
怀化侧
8
装载机
ZL30C
1
重庆侧
9
液压千斤顶
YCW400
4
两岸共用
10
液压千斤顶
YDC240Q
4
两岸共用
11
液压千斤顶
YC-70
4
两岸共用
12
高压油泵
ZB4-500
6
两岸共用
13
全站仪
拓普康GTS-311
1
配棱镜
14
水准仪
拓普康AT-G2
1
配测微器和铟钢尺
岸物资设备的顺利调运；二是在两主墩下游侧各架设一塔吊解决梁上物资设备的垂直运输问题。两个运输方案各具利弊，又考虑到重庆端的物资大部分要靠水路运输，借助于塔吊工作范围的便利，可以更快捷和方便，最终选择了运用塔吊作为梁部的垂直运输方案。
2.3测量工作的准备
本桥的两个主墩之间跨越水深流急的乌江,且两个主墩均地处峡谷深处,通视条件较差,测距较远。为了确保悬灌段线形观测的准确性,在测量设备的配备上，选用了先进的高精度测量仪器对梁部悬灌段进行精密监测，在测量手段上，则建立了大地四边形控制网对梁部进行监测。
2.4挂篮选择
在参考国内外各种型式挂篮的基础上，经多处调研国内以往施工挂篮的经验和型式，我们设计了“菱形挂篮”用于本桥悬灌段施工。
3.施工工艺
3.1工艺流程
挂篮的设计加工工作结束后,即进行挂篮安装工作。首先将挂篮走行轨道安装并锚固在0#段竖向预应力钢筋上，然后在0#段顶组装挂篮。利用塔吊将在加工厂部分组拼完成的挂篮部件吊至梁顶进行组装，在梁体0#段上组拼挂篮。挂篮组拼完成后，按模拟荷载，对挂篮主桁架进行等效加载试验。通过试验消除挂篮主桁架各部分非弹性变形，测得其弹性变形曲线，为底模高程设置提供数据。最后将底模板、外模板悬吊于挂篮上，形成悬臂施工作业平台，在平台上先后进行悬臂节段
的钢筋绑扎、预应力管道安装、内模安装、混凝土灌注工作。当混凝土达到80％设计强度及满足
3天龄期后进行预应力张拉工作，张拉工作完成后向前移动挂篮并完成压浆工作，从而形成一个施工循环。竖向预应力筋的张拉及压浆工作分别滞后于纵向预应力筋张拉工作半个月和一个月。工艺流程如图2所示。
3.2挂篮设计、安装与试验
3.2.1挂篮设计
本挂篮悬灌砼最大节端重量270.7吨。设计中所采用的系数：灌注混凝土时，梁段混凝土动力系数1.2；空载移动时挂篮动力系数1.3。灌注混凝土时的稳定系数均大于1.5。挂篮行走时抗倾覆稳定系
数大于2；容许应力的提高系数1.3～1.5；结构的稳定系数1.5。
菱形挂篮由菱形桁架、提吊系统、走行系统、模板系统四大部分组成。挂篮结构总装图如图3所示。 图2 工艺流程图
主桁架的结构型式为两片分别竖于箱梁腹板位置的菱形钢桁架，其间用槽钢和钢板组焊成横向平面联接系。每片主桁架的上下弦杆、斜杆及竖杆均采用H型钢，再用钢板组焊成箱形截面，杆端采用钢销栓与节点箱连接。桁架前端节点箱处放置一根前横梁，前横梁为三角式桁架梁，由双槽钢和钢板组焊成连接杆件。横梁下弦设置8个吊点，吊起3根由工字钢和钢板组焊成的传力分配梁，其中中间传力分配梁用4根精轧螺纹钢悬吊，上下用螺母连接；2根外分配梁各用2根精轧螺纹钢悬吊。前横梁上弦与上节点箱用钢销栓联接成直角三角形，形成稳定的联接体系。后横梁的上弦座在上节点箱上，下弦固定在菱形桁架竖杆上，用钢销栓连接，结构截面与前横梁相同。前后横梁和横向水平联接梁将两片菱形桁架连成稳定的整体结构。
提吊系统的构成为：后横梁下弦外侧各设二个吊点，4根吊杆，二个传力分配梁。传力分配梁上设置穿心液压自销千斤顶用于吊起底模架、外模滑移梁和内模滑移梁。
走行系统分为菱形桁架走行系统、底模、外模走行系统及内模走行系统四部分。菱形桁架的走行系统，是在两片桁架下的箱梁顶面各铺设两根工字形轨道，轨道顶面放置前后支座，支座用螺栓与桁架节点箱连接。前支座沿轨道滑行，支座底部焊接不锈钢板，走行轨道顶铺设四氟滑板，走行时在滑板顶涂抹润滑油，以减小摩擦系数。后支座以反扣轮的形式沿轨道顶板下缘滚动，用两个10T倒链向前牵引，菱形桁架即可向前移动。利用梁部竖向预应力筋将轨道底板锚固，挂篮悬臂灌注施工时，再用6根精轧螺纹钢筋将轨道下钢枕与挂蓝后节点箱锚固，使后支座反扣轮不受力。底模、外模和内模同步走行，脱模前用导链将底模架吊在外模走行梁上，解除后吊带，脱模后，随桁架一起向前走行。不需另配牵引动力。

图3 挂篮总装图
3.2.2挂篮安装及使用
挂篮的安装是一项非常重要的工序，首先要将菱形桁架用塔吊吊装就位，并锚紧在0#段梁顶上，然后安装前后横梁，再安装底模及相应吊杆、横梁，最后安装侧模及相应吊带、吊杆、分配梁。这样就完成了挂篮的安装工作。当上一梁段施工完毕后，用倒链将梁段的底模、外侧模随挂篮的菱形桁架向前牵引，牵引速度稳定于2m/h，并保证同一套挂篮两个钢桁架移动的同步以及同一T构两套挂篮移动的同步性。挂篮就位后，绑扎底板、腹板钢筋并安装预应力管道,将内模架移动就位,安装内模板,绑扎顶板钢筋并安装预应力管道,进行下一梁段悬灌施工。当新浇梁段张拉锚固及孔道压浆后,挂篮再往前移动、就位，进行下一节段施工。如此循环推移,直至完成最后一节梁段施工。
3.2.3挂篮试验
挂篮组拼完成后，按最大悬灌节段作用下，挂篮主桁架前吊杆的受力情况，对挂篮主桁架进行等效加载试验，试验荷载采用千斤顶及杠杆加载。通过试验消除挂篮主桁架各部分非弹性变形，测得其弹性变形曲线，并与理论计算弹性变形作比较，确定各悬灌节段作用下，挂篮的弹性变形值，为梁端标高的动态设计提供可靠的数据。本工程巧妙利用原托架体系进行改造，使之尽量适合挂篮试压的受力要求，额外增加原托架横梁的长度，并增加撑杆支撑于墩顶梗肋处，借助于吊耳及吊杆将反力由托架系传递于挂篮底模系，从而达到对挂篮进行整体试压的效果。在消除挂篮的非弹性变形后测得本菱形挂篮在300吨静荷载作用下的弹性变形值为14mm，与理论计算值12mm相差不大。
3.3混凝土施工
3.3.1高性能泵送混凝土配制
本梁体混凝土标号为C55。在找不到碱骨料反应符合规范要求的碎石的前提条件下，经与铁科院联合，反复试验选定了配合比如表2所示。
表2 C55混凝土每立方米材料用量表(kg)
水泥
碎石
砂子
水
粉煤灰
减水剂
缓凝剂
抑制剂
470
1075
631
170
70
3.29
4.7
23.5
设计水灰比为0.362；
设计水胶比为0.3；
设计塌落度为180mm～200mm。
经过试配，C55高性能泵送混凝土的7天平均强度达到53.1Mpa，28天平均强度达到64.4Mpa。
施工时采用了0.362的水灰比和470㎏/m3的低水泥用量（同等级强度的普通配合比水泥用量规范规定可达到500㎏/m3），保证了混凝土的高耐久性和高强度。
混凝土中骨料的最大粒径为25㎜，符合高性能混凝土配制原则。
掺入70㎏/m3的粉煤灰，增强混凝土的和易性，降低混凝土的水化热，提高了混凝土的强度。同时粉煤灰的掺入对碱骨料反应也有一定的抑制作用。
掺入水泥含量5%的抑制剂，抑制了混凝土的碱骨料反应。抑制剂里的主要成份是硅粉，由于硅粉颗粒极细，能改善混凝土拌合物的和易性，增加粘聚力，减少离析，增强可泵性。所以掺抑制剂后的水泥浆体中的毛细孔会相应减小，从而能提高密实性、抗渗性和耐久性。
3.3.2混凝土浇注
同时对称浇注本节梁段混凝土，并保证对称浇注混凝土方量差不大于2m3。作业结束后，精确测量观测点的标高变化。同时，安排专人清孔，拆除梁段端部模板，将端部混凝土凿毛，调直预留连接钢筋。
混凝土浇注完成一天后即进行穿束,穿束的方法是先穿进一根钢绞线,再用这根钢绞线作为牵引束,用5T卷扬机牵引整束钢绞线穿过预留孔道。当本节梁段混凝土强度均达到设计强度的80%且龄期3天以上时，两个梁段同时同步双向张拉纵向预应力束，按顺序张拉，纵向预应力束张拉前以及张拉、压浆后，测量记录观测点的标高。
为避开挂篮轨道的影响，本节梁段的竖向和横向预应力筋的张拉与压浆分别滞后于纵向预应力作业半个月和一个月。
3.4线性监测
线性控制的主要任务是使结构在建成时达到理想的几何形状，同时使结构在建成时达到合理的
内力状态。理想的几何线形与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。在施工过程中对桥梁结构进行实时监测，根据监测结果对正在施工的梁段进行动态调整，最终可使桥梁建成时达到设计状态。
影响悬灌段线形的主要因素有：①.挂篮在混凝土浇注过程中的弹性变形。②.本段混凝土浇注时产生的荷载作用于T构末端产生的挠度。③.每节梁段张拉时引起T构的弹性变形。④.混凝土收缩与徐变对T构线性的影响。基于这些影响因素的复杂性，必须准确获得每个梁段在整个连续刚构施工中的动态数据。
为了准确掌握各梁段在浇砼后、张拉后、移动挂篮后的高程变化，在各梁段端部顶面砼中预埋钢桩,作为线形控制高程观测点（如图4所示），在梁段横断面各模板折线点处设置测点，严格控制立模标高。同时利用已建立的大地四边形控制网，测设出2#T构、3#T构中心点，再直接将仪器置于梁上，利用两个T构的中心点放样出T构中线及梁端横断面线，据此立模和调校模板。将本节梁段混凝土灌注前后观测点的标高差，以及预应力张拉前后该梁段端部挠度值与根据线形控制软件计算结果绘制出的“悬灌节段梁体挠度统计表”中的差值相比较，如果误差在+10mm～-5mm之内，则按上述步骤进行下一梁段的施工；若两个差值中有一个超出误差范围之内，则需要从施工现场和数据文件两个方面查找原因，发现问 图4 梁体测点布置图
题，及时纠正解决，并把数据文件输入微机，重新计算，使下一梁段按修正后的立模标高施工。
3.5.结束语
通过施工单位全方位科学组织施工，克服各种技术难题，黄草乌江大桥悬灌段施工达到了预期的控制标准，梁体线形流畅，每个梁段的误差都控制在动态设计标准的+10mm～-5mm范围之内，梁体表面也达到了整洁光滑的程度。黄草乌江大桥的建成，在中国同类桥梁中以更大的主跨度为中国铁路桥梁史上书写了光辉的一页。

【参考文献】
1、《桥梁悬臂施工与设计》 雷俊卿 人民交通出版社 2000年5月第一版
1、《简明施工手册》 江正荣 朱国梁 中国建筑工业出版社 第三版

2、《混凝土配合比设计手册》 李立权 华南理工文学出版社
3、《实用混凝土大全》 冯乃谦 科学出版社 2001年2月第一版
4、《钢结构》 魏鸣钟 武汉工业大学出版社 2000年8月第一版
5、《轻型钢结构设计手册》 《轻型钢结构设计手册》编辑委员会 中国建筑工业出版社 1996年5月第一版