高墩大跨径连续刚构桥梁中跨合龙施工技术研究

连续刚构是目前大跨径预应力混凝土桥梁的主要结构形式，兼具连续梁和T形刚构桥梁的优点，在我国100~300 m跨径的桥梁中已得到广泛应用。桥梁建造过程中，合龙段的施工关系着全桥建设的成败，对桥梁受力状态的改变和施工质量起着决定性作用。由于许多质量问题都与合龙段的施工控制有着密切的联系，一些连续刚构桥梁在长期通车使用后，也出现了很多质量病害，包括跨中持续下挠、有害裂缝及耐久性差等问题，因此连续刚构合龙段的施工技术应引起重视。1 工程概况陕西省宝鸡市长寿沟大桥跨越黄土冲沟，跨径组合为4×40 m+65+2×120 m+65+2×40 m预制箱梁+连续刚构，全长618.02 m，桥梁平面位于半径2 000 m的左偏曲线上，墩台径向布置。主墩采用薄壁空心墩，最大墩高124.5 m，最大桥高131.7 m，是陕西省地方道路最高的一座桥梁。主桥设计为三向预应力体系，分别设置腹板束、顶板束、中跨底板束、边跨底板束、合龙束及备用束6种。连续刚构采用菱形挂篮悬臂施工，目前主桥已顺利合龙。2 工艺流程挂篮行走至中跨合龙段→安装配重→立侧模及底模→安装底腹板钢筋及波纹管→安装内模→安装顶板钢筋及预应力管道→穿钢绞线（不安装锚具）→确定合龙时间→顶推→锚固劲性骨架→焊接锚固钢筋，固定模板→浇筑混凝土（同时卸载配重）→解除锚固→中跨合龙束预应力张拉→压浆→拆除挂篮。3 合龙准备工作连续刚构中跨合龙段合龙前，两个共轭悬臂端头的梁体相对位置（包括水平间距、竖向高差、空间转角等）受日照时间、气温升降、雨雪天气等不均匀温度场的影响，会发生墩身扭转、悬臂下挠或上挠等现象。因此合龙前需在低温环境下采用劲性骨架将两个共轭悬臂端梁体强制锚固在一起，尽可能固定其相对位置，防止合龙段混凝土早期硬化过程中在受拉、受剪及受扭的状态下发生体积变化从而影响成桥质量。3.1 线性复测在中跨合龙前对桥面施工荷载进行清理，全部卸除可卸载的重量。对不能卸载的荷载，应进行详细的重量调查和位置描述，以便进行受力分析，并采取相应的控制措施。在此基础上，测量人员对梁体高程和坐标进行全面测量，将取得的实测数据与理论值进行比较，确定合龙标高及配重要求。测量应选择夜间温度较稳定时进行。3.2 温度场建立温度是合龙时最大的影响因素，在合龙前3 d，每隔2 h观测1次昼夜温度场的变化，找出温度变化与悬臂梁变化、应力变化等方面的规律，以便选择合适的合龙温度，一般比设计合龙温度稍低为好，确保新浇筑混凝土温度缓慢上升时在受压状态下终凝。3.3 合龙段模板系统改装合龙段模板由菱形挂篮改装而成，具体做法是拆除影响挂篮前移的部分前吊带，保留两侧前吊带及手拉葫芦，锚固挂篮前后的下横梁，调整挂篮底模组成合龙段底模。锚固挂篮外侧导梁，提升挂篮外侧模，形成中跨合龙段侧模。因挂篮内导梁长达10 m，合龙后拆除困难，应在合龙前拆除导梁，采用2组3 m长的40号工字钢代替，并与竖向精轧螺纹钢锚固，如图1所示。图1 合龙段模板（a）正视图；（b）侧视图4 合龙配重常用的配重方式有沙袋配重和水箱配重两种，其中水箱配重的加载和卸载便捷，容易进行分级同步控制，因此一般采用该方式进行悬臂配重。配重的功能在于保证合龙过程相对稳定并修正梁体标高，使全桥在期望标高下合龙。配重有基本配重和附加配重。基本配重是用等效混凝土施加在悬臂两端来约束挠动，随混凝土浇筑同步等量卸载；附加配重则需由经分析受力确定的重量来修正梁体标高。本项目合龙段方量为19.3 m³，梁端配重的重量为25.09 t。在合龙段两侧搭设钢管架及竹胶板，内侧铺防水油布作为配重水池，池壁设标尺，池底设泄水管，注水25.09 m³，在混凝土浇筑过程中随浇筑速度同步泄水，如图2、图3所示。图2 合龙配重示意图3 水箱配重（a）水箱外形；（b）现场情况5 劲性骨架设计及安装劲性骨架主要承受梁体升温时对合龙段产生的压力、降温时产生的拉力以及墩柱扭曲引起的弯剪应力，顶推时劲性骨架还起传递水平力和锚固位移的作用。骨架采用工字形截面更能满足受力要求，而由双拼工字钢形成口字形截面能增强劲性骨架的抗扭能力。本项目劲性骨架采用4 m长双拼50c工字钢，工字钢之间焊接钢板做补强措施。在合龙段顶板和底板位置共设4道劲性骨架，如图4所示。图4 劲性骨架布置（a）断面图；（b）平面图顶推反力架为双拼20工字钢斜撑，与双拼32工字钢竖向布置组合。在合龙段两侧节段混凝土施工时，预埋反力架工字钢及劲性骨架固定用的钢板，如图5所示。图5 反力架（a）侧视图；（b）平面图6 顶推6.1 顶推的作用连续刚构属多次超静定结构，由于预加应力、混凝土收缩徐变及温度变化引起的结构纵向位移会在体系内产生较大的次应力，对梁体及墩柱的受力造成不利影响，故合龙前对此施加朝两个桥台方向的水平顶推力，使桥墩发生向梁端方向的位移，产生预偏位，以改善成桥后桥墩的受力状况，减小墩柱根部弯矩，抵消合龙温差的影响。最理想的顶推效果为成桥后桥墩各截面均不出现拉应力，且有一定的压应力储备。6.2 顶推力的确定确定合龙顶推力是顶推的关键，顶推力过小对受力改善不大，顶推力太大则可能使桥墩开裂。若能忽略顶推力对墩身混凝土收缩徐变的影响，则顶推力与成桥状态的桥墩弯矩为线性关系。为此取各合龙段顶推力为设计变量，各墩顶和墩底截面应力为目标函数，顶推施工中桥墩截面应力为约束条件，基于多目标线性规划方法求解合龙段顶推力。由于合龙温度与设计温度（10 ℃）不一致，需使成桥后合龙温度偏高的整体降温，合龙温度偏低的整体升温，不同合龙温度下墩身偏位的目标值见表1、表2。表1 长寿沟大桥墩身单位温度变形表2 不同合龙温度下墩身偏位的目值根据上述墩身偏位目标值并按实桥的弹性模量修正仿真模型，采用位移控制法计算实际合龙顶推力，计算结果见表3。表3 不同合龙温度下的顶推力及变值

注：“–”号表示小里程方向。当实际温度为20 ℃、在3 415 kN顶推力作用下，5号墩墩顶外侧有1.5 MPa拉应力，墩底内侧有1.0 MPa拉应力；7号墩墩顶外侧有1.9 MPa拉应力，7号墩墩底内侧有1.4 MPa拉应力。综上所述，本项目顶推力以3 415 kN作为最大限值，即合龙温度若大于20 ℃，顶推力不再继续补偿温度效应。合龙温度在10℃以下，按2 667 kN的力值顶推。6.3 顶推施工顶推前应检查千斤顶、劲性骨架及反力装置等是否在一条中心线上，是否与主梁垂直对齐，以免因顶推装置偏心受压而发生屈服或失稳。正式顶推前应进行试顶。顶推时两个合龙口位置共设8个千斤顶同步顶推，分50%、80%、100%三级加载，每级持荷15 min。每级顶推完成后观测墩顶位移以及合龙口的张开量和高程变化。采用力值和位移双控，顶推作用力及位移任意一项指标满足要求后立即停止顶推。7 锚固合龙温度指劲性骨架锚固的温度。顶推到位后，在大气温度10 ℃左右时保持千斤顶油泵不回油，通过劲性骨架对合龙段进行焊接锚固。劲性骨架构件焊缝采用单面贴角焊，厚10 mm。U形钢筋、抗剪工字钢与钢板在连接范围内采用双面焊。劲性骨架锚固后，千斤顶缓慢回油卸压，再进行合龙段钢筋的最终焊接。因顶推前将钢筋焊死会增加摩阻效应而严重影响顶推效果，故顶推前钢筋一般采用临时绑扎固定。锚固完成确认钢筋安装牢固后进行后续工作及浇筑混凝土。混凝土初凝时间应控制在22∶00左右，环境温度在15℃左右，并要求次日10∶00左右混凝土强度不小于20 MPa，应加强合龙段混凝土养护。8 混凝土浇筑浇筑中跨合龙段混凝土时应遵循“平衡、对称、连续浇筑”的原则，边浇筑边放出两侧配重水箱中的水，减轻的重量与浇筑的混凝土重量同步，使混凝土的浇筑与水箱配重保持动态的力学平衡。待混凝土的抗压强度达到设计强度的90%