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摘要:由于新型材料的快速发展和施工工艺技术水平的提高,使得钢-混叠合梁斜拉桥得到了快速发展,因它能充分发挥材料的力学性能、增强桥梁的跨越能力,由此而满足了现代交通发展的需要。此种桥型合拢段施工与普通砼梁不尽相同,其工序相对复杂,技术难度相对较高,本文以道安高速公路TJ21标乌江特大桥为例,对叠合梁斜拉桥合拢段的施工控制关键技术进行探讨、研究。
关键词:叠合梁;斜拉桥;合拢段;施工控制
1工程简介
贵州省道安高速公路TJ21标乌江特大桥为双塔双索面钢混叠合梁斜拉桥,跨径布置为54+71+360+71+54m,边跨采用预应力钢筋砼“π”形梁,中跨采用“钢梁框架+砼桥面板”的叠合梁(即联合截面)。乌江特大桥总体布置如图1。
图2乌江特大桥中跨叠合梁合拢段效果图
2总体施工方法和工艺简介
本桥中跨合拢段采用自然降温合拢法进行,合拢段设计理论长度为800cm,边主梁每处对接处设2cm的接缝,则合拢段边主梁理论长度为796cm。因合拢口长度受斜拉索水平力和温度等影响的不确定性,合拢段边主梁制作长度加长为约820cm(两端加长),在B13梁段施工完成、合拢口长度确定后切割余量,然后进行现场配钻、安装。配钻采用在边主梁上配钻的方式(拼接板螺栓孔在制作时已完成钻孔)。
B13梁段和C梁段之间的小纵梁长度也受斜拉索水平力和温度影响,制作时与加长了16mm,同样切割余量后进行现场配钻、安装。
合拢段总体施工流程为:B13梁段二张→适当调整索力进行两岸标高纠偏→测量合拢口长度并修正→边主梁余量切割(同时进行吊机移位)→边主梁吊装至桥面吊机底篮→标高纠偏和横向纠偏→边主梁现场配钻、安装→钢横梁和小纵梁安装→体系转换(主要为解除塔梁临时固结)→合拢段桥面板安装→移除配重和桥面吊机→湿接缝浇筑→中跨钢束施工→索力调整→收尾工程。
3叠合梁斜拉桥合拢段主要特点分析
叠合梁斜拉桥的合拢段施工,相比于砼梁,其主要区别在于:
①砼梁在施工现场具有可塑性,选择在温度较低且恒定的时间段进行即可,而钢梁的长度必须根据精确测量的合拢口实际长度进行“下料”;
②砼材料的特点是“抗拉强度远小于抗压强度”,砼梁合拢段施工的原则是“尽量多的储备压应力”,合拢段施工须选择在温度较低且恒定的时间段,而钢材的受拉和受压强度一致,其对低温要求与砼梁有所不同;
③钢材的线膨胀系数大于砼材料,钢梁对温度变化更为敏感,加之钢梁的不可塑,在钢梁合拢段施工时,对合拢温度的选择要求更高。
4合拢温度和时间的确定
根据本桥实际情况,合拢温度和时间的确定原则有以下三个:
①合拢温度应选择一天中气温较低且较稳定的时间段;
②3天内,合拢温度与最高气温的差值不应大于10℃;
③应避开最低气温。
以上三个原则的原因详见本文“第7节”。
应经查相关资料和现场实际测量,合拢段施工期间最高气温为27℃,最低气温为13℃,昼夜最大温差为14℃。夜间20:00至次日早上的温差一般为6℃,夜间22:00至次日早上的温差一般为4℃(最低气温处于凌晨01:00),故此选择夜间22:00(对应温度17℃)作为合拢时机。
5合拢口长度的测量、修正
在B13梁段斜拉索二张后,因为施工误差,两岸B13梁段的标高存在一定的差异,此时在两岸荷载工况和边界条件一致的条件下适当调整索力,使两岸B13梁段标高一致且梁端垂直度满足要求,两岸B13梁段标高一致主要目的是为实现“无应力合拢”(钢梁合拢时无多余内力)。梁端垂直度满足要求的目的是为保证拼接板在B13和合拢段钢梁之间无折角,保证线形顺直且拼接板与钢梁紧贴,若垂直度较差,则拼接板无法与主梁紧贴,不利于结构安全,如下图3示意:
图5合拢口长度测量示意图
从合拢口测量,至C梁段开始配钻,中间经历“桥面吊机移位”和“C梁段边主梁自重施加在桥面吊机底篮上”两个主要步骤,此过程中,B13梁段会发生一定的竖向位移,导致B13梁端角度发生变化,合拢口长度也会相应发生变化,需要进行修正。
提前计算出叠合梁在以上几个步骤中的累计竖向位移,结合现场实际线型和梁端垂直度对合拢口长度进行修正。修正后的合拢口上下长度扣除钢梁每个对接处2cm的缝隙即为钢梁余量切割后的长度。
6钢梁余量切割
本桥C梁段理论长度为796cm,C梁段的制作长度约为820cm,采用两端加长的方式,但两端加长的长度有一定误差。
根据最终确定的合拢口长度,对C梁段进行余量切割。切割前,先根据横梁位置找出边主梁的中点,从中点向两侧量取下图中的长度,绘制切割线,进行切割,如下图6示意。
图7桥面吊机行走后示意图
如此,在合拢段边主梁放置在底篮上后,对两岸标高进行再次纠偏,采用设置配重的方法。同时对钢梁进行横向纠偏,本桥横向纠偏采用钢束对拉的方法进行,钢束采用φ15.2钢绞线。标高和横向纠偏完成后,开始进行边主梁的现场配钻,因配钻周期较长(本桥为3天),为避免温度变化导致叠合梁伸缩而造成钻孔孔位偏差,采取以下措施:
配钻时,先使用冲钉和临时螺栓将拼接板安装在B13梁段上,合拢时机来到时,先使用钢板将B13梁段和合拢段焊接临时固定,然后在温度相对恒定的时间段内将每个节点(含左右边主梁的腹板、顶底板、加劲板等连接节点)螺栓群的周边均匀布置些许孔位(作为定位孔),在此些孔位中安装冲钉和少量临时螺栓,将拼接板与C梁段边主梁相对位置锁定。然后在温度发生变化之前解除拼接板与B13梁段的连接(含钢板焊接和冲钉等),在温度变化时,B13梁段能在钢梁对接缝隙中自由伸缩,继而完成其他孔位的钻孔。如此避免钢梁受温度变化时的伸缩造成孔位偏差,如下图8和图9示意。
图8边主梁配钻示意图(步骤一)
图9边主梁配钻示意图(步骤二)
因B13梁段与拼接板已解开,在温度发生变化时,B13梁段与拼接板的孔位已错开,待配钻全部完成后,等待合拢温度的再次到来,使B13梁段与拼接板的孔位重新对中,此时开始进行边主梁连接。
如此,合拢温度确定的三个原则的原因如下:
①选择一天中气温较低且较稳定的时间段;
经计算,温度每变化4℃(夜间22:00至次日凌晨01:00温差,3小时),中跨钢梁伸长量(或缩短)约为360m×1.2&pide;100000×4.0℃=17.3mm;而想要约束此17.3mm的伸长(或缩短),单片边主梁将产生纵桥向约1920KN的轴力。
单根冲钉(M32mm)的抗剪约为51.2KN(容许剪切应力取85MPa),则需要至少38颗冲钉来抵抗此轴力。
夜间22:00至次日凌晨01:00之间,3小时长,单片边主梁每端可完成约40~60个钻孔(2台磁力钻机)。
由此可见,在温度较为恒定的时间段,钢梁伸缩量较小,配钻进度能满足要求。若温度变化较快,配钻进度不能满足时,则冲钉可能会被剪断,造成先后钻孔的相对孔位偏差。
②3天内,合拢温度与最高气温的差值不应大于10℃;
在后续配钻过程中,B13梁段与拼接板未连接,合拢段边主梁两端分别于B13梁段有2cm的接缝,则中跨梁段可自由伸长4cm。但若温差上升超过10℃,则中跨钢梁伸长量约为360m×1.2&pide;100000×10℃=43.2mm>40mm,则B13梁段与C梁段边主梁会抵死,而边主梁配钻周期约为3天,因此选择合拢温度为17℃,最高气温为27℃,两者温差为10℃。
③应避开最低气温。
在后续配钻过程中,B13梁段与拼接板未连接,温度变化过程中,B13梁段与拼接板孔位错开,需等待合拢温度的再次到来,方能使孔位重新对中,若选择最低气温作为合拢温度,则可能遇到当天最低温度达不到合拢温度的情况。
边主梁安装完成后,进行钢横梁和小纵梁的安装,逐步施工直至完成。
8体系转换时机的确定
本桥选择在合拢段钢梁全部安装后进行体系转换,主要原因有二:
①在合拢段边主梁安装完成后,中跨叠合梁已形成连续结构,此时在温度发生变化时,中跨即将发生伸缩;根据以上计算,本桥合拢段施工期间最大升温为10℃,若此时塔梁临时固结未解除,则单边主梁的将产生温度轴力最大约为4770KN。
从此点考虑,在边主梁安装完成后即应解除塔梁临时固结,使中跨梁体可自由伸缩。
②因本桥斜拉索设置特点,单岸斜拉索对主梁的水平合力为向中跨约8000KN,若在边主梁连接后即解除塔梁临时固结,则中跨梁体的轴力会加大,而此时,合拢段仅为两片边主梁连接,其截面特性较弱,不利于结构安全。
综合考虑以上两点,体系转换选择在钢梁全部安装、形成框架后进行。
9结语
钢-混叠合梁斜拉桥因在材料、结构形式上的优点,其合拢段施工工序复杂,技术难度较大,与普通砼梁合拢段存在较大差异,且针对不同桥梁,其受力特点也不尽相同,在进行此类结构合拢段的施工时,需根据桥梁本身特点进行详细计算、分析确定施工方法,以保证施工安全、质量。
参考文献
[1]《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ82-2011
[2]《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011
[3]《钢结构设计规范》GB50017—2003