蒲鳳平（中鐵二局第二工程有限公司，成都610000）

特大跨度預應力混凝土箱梁水中支架現(xiàn)澆施工技術

蒲鳳平（中鐵二局第二工程有限公司，成都610000）

廣州從化大橋是一座跨越流溪河的下承式預應力混凝土梁鋼管拱橋，主跨136m，橋梁采用先梁后拱的施工順序，主梁采用在水中搭設鋼平臺，在平臺上搭設滿堂碗扣支架，將主梁分段分層進行現(xiàn)澆。主梁結(jié)構(gòu)設計獨特、預應力體系多樣、上部結(jié)構(gòu)施工工況及體系轉(zhuǎn)換多，現(xiàn)澆支架受力復雜。通過合理設計現(xiàn)澆支架體系，調(diào)整箱梁分段、分層現(xiàn)澆順序，優(yōu)化預應力張拉順序，順利完成特大跨度預應力混凝土箱梁水中支架現(xiàn)澆施工。

特大跨度；箱梁；水中支架；鋼管拱橋；先梁后拱；現(xiàn)澆施工

1 引言

廣州從化大橋位于廣州市從化區(qū)，橋型為預應力混凝土鋼管拱橋，設計采用先梁后拱施工方法。由于其跨越流溪河，經(jīng)多方面論證結(jié)果，制定了在水中搭設支架進行混凝土箱梁現(xiàn)澆施工方案，采取了復雜結(jié)構(gòu)混凝土澆筑施工技術，針對預應力施工、吊車在箱梁上安裝拱肋及拱肋混凝土澆筑各種施工工況，對水中支架體系受力變化進行分析，制定相應的技術措施，并得以在工程中成功實施。供類似工程參考。

2 工程概況

2.1 工程設計概況

從化大橋位于廣州市從化區(qū)，橋型設計提取“流溪映月”中水與月的元素，拱肋結(jié)構(gòu)造型獨特、新穎美觀，猶如一輪新月升起在流溪河畔。大橋全長466m，橋梁跨越流溪河，設計速度60km/h，雙向八車道。大橋上部結(jié)構(gòu)采用（2×30m+3×35m）預應力混凝土連續(xù)箱梁+136m拱橋+（3×35m+2×30m）預應力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁與廣州地鐵14#線并線施工，橋型設計效果見圖1。

圖1 橋型設計效果圖

2.2 主梁結(jié)構(gòu)設計

從化大橋主跨采用單跨136m（全長149m）下承式倒三角鋼管拱橋，主梁為等高度的預應力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁結(jié)構(gòu)為單箱多室魚腹斷面，吊桿處箱梁頂板寬40m，無吊桿處箱梁頂板寬37.8m，厚0.28m，中腹板為系桿布置區(qū)和拱肋錨固區(qū)，中腹板厚0.9m，邊腹板厚0.6m，對應吊桿位置每隔6m設置一道橫隔梁。該橫隔板間，每3m設置一道寬0.16m小橫隔板。主橋箱梁按縱、橫雙向預應力設計，縱向預應力設頂板和底板預應力束，預應力鋼束分批間隔張拉，橫向預應力設橋面和底板預應力束，主梁結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2 主梁結(jié)構(gòu)斷面圖

2.3 橋位處水文情況

橋區(qū)范圍內(nèi)流溪河水面寬度約148m，水深1～2m，水流緩慢。設計五年一遇洪水位29.62m，設計最低水位26.25m，十年一遇洪水位30.13m，設計百年一遇洪水位31.99m。

2.4 橋位處地質(zhì)、地形情況

大橋主跨136m直接跨越流溪河，橋址位于流溪河“S型”彎道中間位置，受到河水沖刷影響，河道地質(zhì)情況復雜。該區(qū)域河道靠近Z6#墩位置河床覆蓋層較淺，河床以下0.5～1m深為粗砂和砂質(zhì)性黏土，往下依次是0.8m深卵石砂礫層、0.5m全風化花崗巖、以下為中風化花崗巖；但是在靠近Z7#墩位置河床覆蓋層較深，河床以下2～4m深為粗砂和砂礫，往下以此是4～7m砂質(zhì)性黏土，2～4m深卵石砂礫層、1～3m可塑砂質(zhì)粘性土層、1～3m全風化花崗巖。廣州地鐵14#線從橋梁下方的中風化花崗巖層中盾構(gòu)穿過。

3 支架現(xiàn)澆箱梁重難點分析

主橋采用136m跨下承式倒三角鋼管拱橋，施工順序為先梁后拱。主梁采用在流溪河上搭設鋼平臺，再搭設支架現(xiàn)澆施工。

3.1 橋位處地質(zhì)、環(huán)境復雜，鋼平臺樁基設計與施工難

橋區(qū)位置河道地層變化較大，靠近Z6#墩河道位置河床覆蓋層僅0.5～2m左右，靠近Z7#墩位置河床覆蓋層較深，最深處約為18m，且廣州地鐵14#線從下方的中風化花崗巖層中盾構(gòu)穿過，同時主橋范圍內(nèi)近鄰Z7#墩有直徑約11.5m的“自來水廠取水井”1個。

3.2 箱梁結(jié)構(gòu)復雜，縱、橫隔板多，鋼筋、模板、混凝土澆筑施工工藝復雜

大橋箱梁采用單箱多室魚腹斷面，主梁長149m，最大寬度40m，最大梁高3.9m，設中腹板一道，邊腹板2道厚，對應吊桿位置每隔6m設置一道橫隔梁，每3m設置一道小橫隔板。腹板和隔梁將箱梁劃分成132個小箱室，主梁兩端8m為實心段，箱梁中腹板兩端與鋼管拱拱座位置9m段為漸變實心段。

3.3 支架體系受力工況復雜

大橋設計施工順序為先梁后拱，由于流溪河水較淺，拱肋吊裝不能采用大型船舶浮吊，鋼管拱肋的安裝只能在橋面上進行；在支架體系上完成主梁現(xiàn)澆之后，還需要在梁體上用大型吊車安裝鋼管拱肋。鋼管拱肋在灌筑混凝土期間，按設計工況拱肋支架不能卸載，鋼管拱及混凝土荷載總重量約3000t，均加載在箱梁支架體系上，支架體系受力工況復雜。

3.4 箱梁預應力體系復雜，體系轉(zhuǎn)換多，支架承載情況多變，支架設計難度大

主梁設計預應力體系復雜，預應力張拉施工會影響梁體產(chǎn)生橫、縱向變形，造成支架受力體系發(fā)生變化，部分支架受力甚至出現(xiàn)脫空，造成相鄰支架受力增大許多。

4 現(xiàn)澆支架設計

4.1 支架結(jié)構(gòu)設計

4.1.1 支架結(jié)構(gòu)設計原則

主橋總體施工方案采用先梁后拱。主跨箱梁總體施工方案采用打入鋼管柱基礎，搭設梁柱式支架與碗扣式支架的滿堂支架組合體系來現(xiàn)澆箱梁。

為便于施工機械從棧橋上駛?cè)肫脚_區(qū)域作業(yè)，將現(xiàn)澆平臺頂面標高設計為+32m，與棧橋面齊平。鋼管樁及貝雷梁的設計布置充分考慮了主梁自身結(jié)構(gòu)荷載特點及后期鋼管拱肋的施工荷載。鋼管樁縱向按6m的跨度布置與主梁橫隔板位置一致，同時結(jié)合了貝雷片3m的結(jié)構(gòu)長度，保證每組貝雷梁豎腹桿節(jié)點均落在鋼管樁上。鋼管樁橫向布置間距主要考慮設在箱梁縱隔板對應位置。貝雷梁組基本按梁體荷載情況進行布置，且布置在鋼管樁及附近位置，以減小柱頂橫向承重梁受力。

4.1.2 支架具體結(jié)構(gòu)

鋼平臺長158m，寬42m，采用鋼管樁為基礎，型鋼和貝雷梁組成縱橫梁體系。支架基礎采用φ820×10mm鋼管打入樁?？v橋向跨徑布置為：（4.5m+3m+19×6m+3m+4.5m），過既有水井處鋼管樁跨徑布置為（2.2m+15m+2.2m），橫橋向布置為（2× 4.5m+6×3m+2×4.5m）。每排鋼管樁間設置整體橫向連接系、縱向整體連接系分段設置，便于過水和泄洪。普通跨鋼管樁上2H500×200×10×16H型鋼作承重橫梁；跨“自來水廠取水井”兩側(cè)處雙排鋼管樁頂布置2Ⅰ56a工字鋼作橫梁，橫梁上再布置3Ⅰ56a工字鋼承重橫梁。承重橫梁上布置單層普通321型貝雷梁，貝雷梁組數(shù)在箱梁一般段布置13組，在中橫隔板加厚段布置15組，在跨既有水井處貝雷梁組增多片數(shù)為四排和五排貝雷梁組。貝雷梁上布置橫向Ⅰ25a工字鋼分配梁，分配梁間距與碗扣式支架縱距一致。

鋼平臺頂標高為32.0m，主梁底標高為37.608m。滿堂碗扣支架總高度為5.608m，支架搭設長寬與鋼平臺一致。支架采用碗扣式腳手架，采用48×3.5mm的鋼管，底部采用底托安裝在分配梁上，頂部安裝頂托，支架高度通過頂托調(diào)整，在頂托上安裝兩根48×3.5mm縱向鋼管，上部設10×10橫向方木，方木上安裝18mm厚竹膠板。碗扣式支架立桿布置在箱梁縱、橫隔板下均按30cm間距布置，其余空心箱梁位置縱橋向按0.6m，橫橋向0.6m，支架水平橫桿設置共計5層，底層高度0.5cm，中間層高1.2m（共計3層），頂層高度0.6m，具體支架結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 1/2縱斷面箱梁現(xiàn)澆支架布置圖（單位：cm）

4.2 現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)計算

4.2.1 荷載分析

主橋箱梁現(xiàn)澆支架體系受力情況復雜，根據(jù)施工順序，現(xiàn)澆支架需要在鋼管拱肋和吊桿安裝完成，進行體系轉(zhuǎn)換后才可以拆除，支架荷載應包括支架結(jié)構(gòu)自重、箱梁混凝土自重、鋼管拱肋及其臨時支架體系荷載、吊車吊裝拱肋及運輸設備產(chǎn)生的荷載、鋼管混凝土荷載，預應力張拉后梁體變形產(chǎn)生的引起的荷載重分布，還要考慮流水壓力荷載。

4.2.2 荷載及組合系數(shù)取值

主橋箱梁現(xiàn)澆支架體系所受荷載分恒荷載和活荷載兩種。

恒荷載包括：現(xiàn)澆箱梁重，混凝土容重取26kN/m3，計算系數(shù)取1.2；鋼管支架自重；碗扣支架及模板重，取4.5kN/m2；拱肋鋼管及拱肋混凝土自重；拱肋安裝采用的150t、100t汽車吊車。

活荷載包括：振搗混凝土荷載2.0kN/m2，荷載系數(shù)1.4；流水壓力，考慮洪水期流速為2.5m/s，最高水位為29.62m，荷載系數(shù)1.4。

4.2.3 計算工況

工況一：現(xiàn)澆箱梁計算支架平臺結(jié)構(gòu)強度、剛度和鋼管柱穩(wěn)定性（考慮5年一遇水壓力）。

工況二：吊車安裝拱肋產(chǎn)生的梁面荷載，對現(xiàn)澆支架系統(tǒng)進行強度、剛度、穩(wěn)定性計算。

工況三：新增鋼管拱肋及拱肋混凝土荷載產(chǎn)生的梁面荷載，對現(xiàn)澆支架系統(tǒng)進行強度、剛度、穩(wěn)定性計算。

工況四：分析箱梁預應力張拉后梁體變形對支架結(jié)構(gòu)的影響。

4.2.4 計算模型建立

經(jīng)對現(xiàn)澆支架布置結(jié)構(gòu)及其受力進行分析，選取受力最不利三段支架進行計算：

①主跨外墩旁實心段；②主跨內(nèi)墩旁變截面段；③15m大跨跨水井段加兩跨標準段進行進行建模計算。

貝雷梁片轉(zhuǎn)化為截面特性相同的梁單元，便于進行內(nèi)力比對。分配梁采用梁單元，與貝雷梁的連接處節(jié)點采用彈性連接。鋼管樁按梁單元，與承重橫梁按彈性連接處理，鋼管樁底采取固結(jié)，水井段及標準段現(xiàn)澆支架平臺計算模型結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 水井段及標準段現(xiàn)澆支架平臺模型計算模型

碗扣式支架體系按規(guī)范要求對立桿、縱（橫）梁結(jié)構(gòu)及支架整體穩(wěn)定性進行檢算。

4.2.5 計算結(jié)果

（1）按工況一（箱梁現(xiàn)澆）荷載組合對三段現(xiàn)澆平臺結(jié)構(gòu)、碗扣支架及模板體系進行計算各構(gòu)件強度、剛度和支架穩(wěn)定性均滿足要求。

（2）工況二：建立梁體模型，將碗扣支架立桿設為彈性支座，分步張拉箱梁縱橫向預應力，分析梁體變形及碗扣支架立桿支座處支反力變化情況。由于箱梁為魚腹式結(jié)構(gòu)當張拉箱梁橫向預應力束時，箱梁橫向兩端圓弧結(jié)構(gòu)由于其剛度小，箱梁會上抬，使兩側(cè)圓弧結(jié)構(gòu)下的碗扣支架脫空，將箱梁重力部分轉(zhuǎn)移至相鄰支架，同時縱向預應力張拉后也會使部分碗扣支架受力發(fā)生變化。

采取了相應的技術措施：①通過模擬箱梁施工工況，優(yōu)化預應力張拉順序；②對會出現(xiàn)受力增大的支架位置的立桿進行加強；③對支架受力大的部位進行受力測試和監(jiān)控，并對支架脫空部位及時進行調(diào)整；④請設計和監(jiān)控單位給出混凝土灌筑時支架采取部分卸載的施工指導，以減少梁面荷載。

（3）對工況二拖車運輸、吊車吊裝主拱和副拱的各個位置進行荷載分析，吊裝時最不利工況為吊車位于跨水井段箱梁上吊裝副拱，經(jīng)檢算支架系統(tǒng)滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

（4）對工況三按安裝好鋼管拱肋并灌筑混凝土，在支架在不卸載情況下產(chǎn)生的的梁面荷載，對現(xiàn)澆支架系統(tǒng)進行強度、剛度、穩(wěn)定性計算，結(jié)構(gòu)均滿足要求。

5 現(xiàn)澆支架加載試驗

5.1 加載方法

5.1.1 預壓原則

由于主梁現(xiàn)澆支架基礎均為水中打入鋼管樁，采取全部預壓方式以消除基礎沉降及支架非彈性變形，同時驗證鋼管樁及鋼平臺的承載能力。預壓重量為梁體施工最大荷載的110%。預壓荷載基本按箱梁結(jié)構(gòu)荷載進行布置。

5.1.2 預壓荷載布置及加載方式

（1）具體預壓荷載布置

主橋主梁設計重量17784t，采用水袋在平臺上預壓。平均面荷載為2.4t/m2（未考慮腹板實心段荷載），預壓高度為2.4m的水袋。在中腹板位置箱梁荷載按照1.1倍預壓，在采用2.4m水袋預壓后，荷載不足部分用鋼筋預壓。

（2）預壓加載及變形監(jiān)測

預壓按預壓荷載的60%、80%、100%、120%分四級進行加載。每級加載完成1h后進行支架變形觀測，以后間隔6h監(jiān)測各測點的變形值，當相鄰兩次監(jiān)測平均值之差不大于2mm，方可進行后續(xù)加載。施加完全部預壓荷載后，應間隔6h測量各測點位移值，當連續(xù)12h監(jiān)測沉降平均值之差不大于2mm時，視為沉降穩(wěn)定，方可卸載。

5.2 監(jiān)測點布設及結(jié)果

預壓主要監(jiān)測鋼管樁沉降數(shù)據(jù)，貝雷片跨中位置變形。每個監(jiān)測斷面上布置5個測點，分別布置在中腹板下方、邊腹板下方和箱梁兩側(cè)。預壓監(jiān)測結(jié)果顯示，鋼管樁下沉在17～29mm，平均下沉21mm；貝雷片在100%荷載預壓下，跨中彈性變形15～18mm，平均值為16mm，卸載完成后測得非彈性變形為5～7mm，平均值為6mm。

6 箱梁現(xiàn)澆施工

6.1 箱梁現(xiàn)澆縱向段落劃分

主橋箱梁混凝土設計6840m3，現(xiàn)澆方量大，且箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，箱室多，混凝土施工質(zhì)量控制困難，施工采取縱向分段，水平分層的方式進行。縱向分段：箱梁縱向分為3個大段，2個合龍段，共5個段。其中跨中49m作為第一次澆筑節(jié)段，兩端各48m作為第二次澆筑節(jié)段，2個后澆帶各2m，作為第三次澆筑節(jié)段，如圖5。

圖5 箱梁現(xiàn)澆縱向分段劃分圖

6.2 箱梁現(xiàn)澆水平分層劃分

水平分層：箱梁在豎向分兩次施工，第一次施工箱梁底板、腹板、隔板混凝土（①②③）；第二次施工箱梁頂板混凝土（④）。箱梁分層澆筑，結(jié)合橫向預應力管道的設置，將箱梁橫向兩端第一次澆筑完成，如圖6。兩個墩澆筑節(jié)段的拱座部分的箱梁為保證其整體性，其混凝土澆筑在水平不分層。

圖6 箱梁現(xiàn)澆水平分層劃分

6.3 箱梁現(xiàn)澆主要施工工藝

箱梁混凝土為C50混凝土，5～20mm石料級配。為降低水化熱采用42.5R水泥，水膠比0.34，混凝土塌落度200±20mm，初凝時間9h，終凝時間13h。

第一層澆筑按底板、隔板混凝土采用全斷面斜向分段、水平分層連續(xù)澆筑。箱梁縱橋向澆筑順序，由跨中向墩臺方向澆筑；橫向澆筑順序，先澆筑縱、橫隔板倒角，后澆筑底板混凝土，再分層澆筑腹板混凝土。澆筑魚腹形傾斜底板時，由低往高處澆筑。箱梁混凝土澆筑采用4臺SY5423THB560C-8A輸送泵，4臺輸送泵分別擺放在Z6#承臺梁端中間位置、Z7#承臺梁端中間位置、棧橋1/3位置和2/3位置。

第一層混凝土澆筑時，由于箱梁縱、橫隔墻多，隔墻鋼筋密集，隔墻高度達3m。加強側(cè)模板支撐和接縫密合，制定了周密的混凝土下料、澆筑和搗固工藝，采取選用料徑較小的石料級配、在隔墻側(cè)模板上開艙、在魚腹形傾斜底板頂模上每1m留一澆筑混凝土通槽等技術措施進行混凝土灌筑，防止混凝土澆筑時出現(xiàn)離析、隔空假實等問題。采用插入式振搗器振搗，要保證各處振搗到位，每一振點振搗延續(xù)時間以混凝土不再沉落，表面呈現(xiàn)浮漿為度，防止過振、漏振。

第二次澆筑梁頂板、翼緣板混凝土時，當兩腹板槽灌平后略停15～25min，使腹板混凝土充分沉落，然后再灌注頂板混凝土，以避免腹板，頂板交界處因腹板混凝土沉落而造成縱向裂紋，橋面混凝土也從一端開始，分段灌注，每段2m，向另一端連續(xù)灌筑。

7 箱梁預應力施工

7.1 預應力張拉工況分析

從化大橋主橋箱梁按縱、橫雙向預應力設計。預應力束分頂板束和底板束，對稱設置在中腹板、邊腹板位置，設計鋼束張拉順序為先長束，后短束，先底板束，后頂板束，并按箱梁中心線對稱進行張拉。根據(jù)該設計張拉順序，在縱向底板束張拉完成后（頂板束張拉前），整個梁體會出現(xiàn)起拱，導致箱梁現(xiàn)澆滿堂支架部分出現(xiàn)脫空，整個支架受力體系改變，荷載重新分布，對支架系統(tǒng)的安全性存在一定隱患。

圖7 縱向預應力束布置圖

橫向預應力分橋面板橫向預應力束和底板橫向預應力束：由于主拱直吊桿和副拱斜吊桿設置位置不一樣，橫向預應力束設計也隨吊桿位置產(chǎn)生變化。橋面板每間隔0.5m配置1根鋼束，橫向底板束在有斜吊桿位置在橫隔板底板設置兩排預應力束，在有豎直吊桿但無斜吊桿位置在橫隔板中上部設兩排預應力束。

圖8 橫向預應力束布置圖

兩種不同的預應力設計，在進行張拉施工時，對梁體產(chǎn)生的應力和變形也不一致，這對現(xiàn)澆支架的受力分區(qū)域產(chǎn)生不同影響。在隔板之間區(qū)域，橫向預應力束全部設置在頂板上，該部分預應力束的張拉，會導致梁體兩側(cè)魚腹板出現(xiàn)起拱，與縱向預應力張拉一樣，整個支架受力體系改變，荷載會重新分布。因此如何優(yōu)化張拉順序，盡量減少梁體在應力作用下的變形和起拱至關重要。

7.2 預應力張拉優(yōu)化措施

從化大橋主橋箱梁按縱、橫雙向預應力設計，均采用兩端張拉施工。縱向預應力設計鋼束張拉順序為先長束，后短束，先底板束，后頂板束，并關于箱梁中心線對稱進行張拉。為盡量減少預應力張拉對箱梁變形產(chǎn)生的影響，在取得設計單位的同意后，將先底板束后頂板束的張拉方式，優(yōu)化調(diào)整為先張拉1束底板束，隨即張拉1束對應位置的頂板束，如此循環(huán)張拉，完成腹板上下位置的預應力束張拉，最后張拉兩側(cè)頂板T3、T4束。張拉順序優(yōu)化后，有效減少張拉對箱梁變形產(chǎn)生的影響。橫向預應力在每一道有斜吊桿的橫隔板位置張拉，采用先張拉2束N2鋼絞線，再張拉2束N1鋼絞線，最后再張拉2束N2鋼絞線。完成一個橫隔板張拉后，再由跨中向兩端進行對稱張拉，同步完成其他頂板橫向預應力張拉施工。通過優(yōu)化張拉順序有效減少因張拉造成箱梁起拱，減少支架受力改變。同時對起拱后可能增大荷載的支架進行了相應加固設計。

8 結(jié)束語

廣州從化大橋，其橋梁結(jié)構(gòu)設計新穎，施工工況和體系轉(zhuǎn)換多，橋位處所處的水文、地質(zhì)情況復雜，經(jīng)充分分析和計算了橋梁施工的各種不利工況，采取在水中搭設大跨現(xiàn)澆支架，制定了混凝土箱梁分段、分層現(xiàn)澆混凝土的關鍵施工技術、優(yōu)化了預應力張拉工藝，確保了復雜結(jié)構(gòu)箱梁現(xiàn)澆施工安全和質(zhì)量，其施工技術為類似工程提供了非常有價值的參考作用。

目管理工作。

U445.46

A

2095-2066（2016）32-0185-04

2016-11-1

蒲鳳平（1983-），男，工程師，本科，主要從事工程項