红水河双线特大桥连续梁主桥合拢施工研究.docx
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红水河双线特大桥连续梁主桥合拢施工研究
红水河双线特大桥连续梁主桥合拢施工研究
易达毛其峰崔大臣
中交一公局三公司柳南项目
【摘要】本文通过对不同合拢方案的计算分析比较，最终决定采用先边跨后中跨的合拢方案，且中跨合拢前解除主墩墩梁临时约束。
重点对合拢劲性骨架进行了分析计算，对施工中注意事项进行了说明。
【关键词】连续梁合拢劲性骨架
1引言
挂篮悬臂浇筑施工连续梁已成为修建大、中跨径桥梁的一种有效施工手段，其关键技术在于合拢，因为悬臂段受连续梁跨度、截面高度、预应力张拉、温度、混凝土弹模、混凝土收缩和徐变等多重因素的影响，大跨连续梁合拢前后受力极其复杂，对多种因素进行科学分析是合拢成功的关键。
2工程概况
红水河双线特大桥是广西新建铁路柳州至南宁客运专线的重点控制性工程之一，全长2250.728m，其中主桥跨越来宾市红水河（Ⅱ级通航航道），桥跨组成为80m+144m+80m的变截面单箱单室连续梁。
30#主墩高35.5m，墩底截面尺寸7.625×11.625m；31#主墩高35m，墩底截面尺寸7.6×11.6m，两桥墩截面尺寸沿墩高度方向均按40：
1的坡度变化。
合拢段长2m，截面高6m，顶板厚0.5m，底板厚0.48m，腹板厚0.45m。
图1红水河双线特大桥主桥
3设计单位提供的合拢方案
根据中铁二院设计的《来宾红水河双线特大桥设计图》第五册第C分册柳南施桥-9-5C-05图，建议主桥先中跨合拢，且中跨合拢时不能解除两个“T”构的临时墩梁约束，后边跨合拢，边跨合拢全部完成后才能解除所有临时约束。
中跨合拢时采用外刚性支撑（型钢劲性骨架）和张拉临时预应力钢束共同锁定法：
用刚性支撑抵抗合拢段混凝土升温时产生的压力，用预应力钢束抵抗降温时产生的拉力。
4对设计提供的合拢方案进行分析
按照设计提供的《红水河双线特大桥支座纵向预偏量表》，支座预偏量按照20℃的合拢温度预留，即合拢混凝土浇筑时，环境温度（“T”构温度）为T1=20℃。
表1红水河双线特大桥支座纵向预偏量表
假设合拢混凝土浇筑后的5天（张拉等待期）内，环境最高温度变化为ΔT0=10℃-15℃（根据广西来宾历年气温确定），则在ΔT作用下，能使"TT"内产生内力，从而使主桥墩内产生弯矩。
计算简图如下：
图2红水河双线特大桥主桥中跨合拢计算简图
按下列两种情况进行分析：
（1）不考虑主桥墩柔度引起的内力释放：
设中跨合拢采用6根双拼HW#428×407×20×35型钢组成临时刚性支撑，分别位于箱梁顶、底板处。
设计要求的6束N32、N33预应力钢束（17φ15.2mm钢绞线）预先张拉到控制张拉力的20%。
墩梁固结约束锁定时，悬臂梁中各分段梁某i号梁段平均截面积为Ai,其梁段长为li，每端悬臂梁长为lh=
混凝土的热膨胀系数为α,温度升高值为ΔT0，混凝土弹性模量为Eh。
无约束条件下，两端悬臂自由伸长量为δ1=2αΔT0lh；而两端悬臂梁在劲性骨架支顶力Ng作用下的压缩量为δ2=2
，因此，梁段悬臂梁在劲性骨架约束下，梁内升温引起的伸长量为Δlh=δ1-δ2=2（αΔT0lh-
）①
对于中跨合拢段劲性骨架，面积为Ag,其合拢梁段长为lg，混凝土弹性模量为Eg。
在支顶力Ng作用下，其压缩量为（Nglg）/（EgAg）,同时劲性骨架随着合拢段混凝土水化热温度升高而伸长，当水化热温度升高
ΔT时，钢的热膨胀系数与混凝土基本一致，取为α。
当劲性骨架受热时，在无约束条件下，其伸长量为αΔTlg。
则劲性骨架总的缩短量为Δlg=（Nglg）/（EgAg）-αΔTlg②
则劲性骨架的截面应力为σg=（EgΔlg）/lg=Ng/Ag-EgαΔT③
根据截面应力条件，则有Ng/Ag-EgαΔT≤[σg]④
根据合拢口的协调变形条件，由公式①②得Δlh=Δlg，即2（αΔT0lh-
）=（Nglg）/（EgAg）-αΔTlg⑤
由④⑤式得Ng≤（2αΔT0lh-lg[σg]/Eg）/（2
）⑥
由于合拢期很短，混凝土收缩徐变影响很小，因此劲性骨架承受的压力约为Ng。
依温度变化较理想情况，设合拢期间悬臂梁产生的温差为ΔT0=10℃，据此计算该桥，线膨胀系数α=10-5，lh=71m（“T”构一侧长度），lg=2m（合拢段长度）,Eg=2.1×105Mpa,[σg]=145Mpa,
=3.426,由⑥式得右边的值Ng=6.55×104KN。
若合拢段混凝土水化温升ΔT=10℃（循环浇水降温），根据式③，劲性骨架的截面应力为σg=（EgΔlg）/lg=Ng/Ag-EgαΔT=（6.55×107）/（12×361.4×100）-2.1×105×10-5×10=130Mpa<145Mpa，能满足要求。
根据上述计算分析得知：
a合拢时合拢段混凝土的温升必须控制在10℃以内，采用预埋冷却水管循环通水控制；
b合拢块浇筑至张拉过程中“TT”构的悬臂段温度升高同样需要控制在10℃以内，可以提前和气象站联系，选择适宜的温差变化在10℃以内的连续5天合拢中跨；
c劲性骨架单根截面积不能小于361.4cm2，可采用6根双拼HW#428×407×20×35型钢；
d提前在18#块顶板、底板和腹板的交点处及顶底板中线处预埋6对带锚固型钢的28mm厚钢板
（2）考虑主桥墩柔度引起的内力释放：
仍然按照ΔT0=10℃温差考虑，采用PKPM软件中的SATWE建模计算（在此不再阐述）得出桥墩需要配置200根φ25钢筋来抵抗温差内力引起的弯矩，而设计只有176根φ25钢筋（设计时桥墩按受压构件配置的罩面钢筋，未考虑合拢时产生的巨大弯曲应力）。
通过以上计算分析得知，按照设计单位提供的先中跨再边跨的合拢方案施工有如下弊端：
①存在的风险较大,温差变化较大时极有可能导致主桥墩混凝土产生裂纹；②需要大量钢材作为劲性骨架，且HW型钢市场缺乏；③劲性骨架反力座及预埋件焊接工作量非常大；④劲性骨架施工空间狭小，工人操作水平有限，不能保证立焊的焊接质量；⑤受气温变化影响太大，不确定环境因素较多。
5变更合拢方案后的主桥合拢
5.1变更后的合拢方案
鉴于以上先中跨再边跨合拢施工存在的弊端，2011年6月7日，建设、设计、监理和施工四方会签形成了《红水河双线特大桥连续梁合拢方案调整纪要》：
将原来的先中跨再边跨合拢的方案调整为先进行红水河双线特大桥主桥边跨合拢，再解除两个“T”构的临时墩梁约束，最后进行主桥中跨合拢。
边跨合拢仅用劲性骨架抵抗梁内压力；中跨合拢时采用外刚性支撑（型钢劲性骨架）和张拉临时预应力钢束（N32、N33束）到20%张拉力的共同锁定法：
用刚性支撑抵抗合拢段混凝土升温时产生的压力，用预应力钢束抵抗降温时产生的拉力。
图3红水河双线特大桥连续梁合拢方案调整纪要
5.2合拢方案变更后的分析
5.2.1边、中跨合拢施工流程
N55束张拉端及劲性骨架预埋钢板预埋在边跨18#及20#块中，20#现浇块施工完成——两“T”构18#块及18’#块顶板安装钢护筒作为水箱平衡边跨合拢段混凝土浇筑产生的不平衡弯矩——19#边跨合拢段模板安装，边跨合拢段劲性骨架安装——随着边跨合拢段19#块混凝土的浇筑，逐渐放出边跨18#块梁顶水箱中的水——边跨合拢段混凝土强度达到张拉强度且满足5天龄期后松开边跨劲性骨架——张拉边跨合拢段预应力束——解除中跨主墩顶梁墩临时固结——挂篮3后退一个节段，利用挂篮2作为合拢支架——检查两“T”构18’#块梁顶高差是否在1.5cm以内，否则应调整水箱配重水量——低温时焊接中跨合拢段劲性骨架，后张拉N32、N33临时预应力束到20%的控制张拉力——低温（20±2℃）时浇筑中跨合拢段混凝土——强度及龄期满足设计要求后松开劲性骨架——张拉N32、N33、N34、N43、N44等预应力束——张拉锚固主跨部分底板预应力束——拆除1-4#挂篮及29#、32#墩旁钢管支架——灌注29#、32#小跨部分顶帽
5.2.2劲性骨架设计
5.2.2.1边跨合拢劲性骨架设计
（1）劲性骨架型钢支撑计算
边跨合拢劲性骨架主要承受20#块现浇段由于温差引起的伸长而在底模上产生的摩擦力Ng=NGμ=（4362.5+1690.3/2）×0.15=782KN。
此外悬臂段梁顶和梁底温差引起的附加力P计算如下：
假设一天中梁顶及桥墩北侧温度升高15℃，梁底及桥墩南侧温度升高5℃，则Δt=10℃，t0=10℃，
Δ=
=
10×712×10-5/8.5-10×40×10-5=0.055m；通过Δ=
0.055m换算梁端的集中力，也就是加在边跨20#块现浇钢管支架顶的附加力P；通过上述公式代入数值得Δ=
（3.185×10-5+6.44×10-8）P=0.055m,所以P=1720KN，故每根劲性骨架受到P/4=430KN的附加剪力。
若采用4根工40a型钢作为劲性骨架，则σ=Ng/（ψAg）=782×1000/（0.993×4×86.1×100）=23Mpa＜[σg]=140Mpa；
<1.1f=236Mpa，能满足要求。
所以，在18#块及20#现浇块顶板和底板顶各安装2根工40a即可满足要求（实际施工时为增大安全系数采用4根双拼工40a）。
（2）锚固钢板焊缝计算
锚固钢板焊缝高度10mm，焊缝长度410mm，计算长度为400mm，单个主型钢端头设置2个锚固钢板，4条焊缝。
每个型钢受力为782/4=196KN；弯距M=0.22×196=44KN.m；单根焊缝W=0.7×10×4002/6=186667mm3；σf=
<
=160Mpa；τf=
<
=160Mpa；组合应力σ组合=
Mpa<
=160Mpa；
（3）预埋件计算
劲性骨架预埋件角钢型号为：
∠100×10×100mm，共3根，单根角钢面积S=1926mm2,由以上可知，单个预埋件上水平力为196KN，剪力Q=196KN。
弯距M=0.22×196=44KN.m；受弯方向角钢形心线间距d1=28.4mm,d2=178.4mm,d3=421.6mm；Nmax=
；V=196/3=66KN；
拉应力σ=N/A=96×1000/1926=50Mpa<1.3[σ]=182Mpa；剪应力τ=V/A=66×1000/1926=34Mpa<1.3[τ]
=110Mpa；组合应力：
σ组合=
MPa<1.1×1.3×[σ]=200Mpa。
图4主桥边跨19#合拢段混凝土浇筑前后及顶板劲性骨架图
5.2.2.2中跨合拢劲性骨架设计
（1）劲性骨架型钢支撑计算
中跨合拢劲性骨架主要承受合拢跨半跨及相连自由伸缩段梁的自重由于温差引起的伸长而在主墩支座顶产生的摩擦力及N32、N33临时锁定索张拉到20%控制张拉力产生的预压力。
此时合拢口劲性骨架受力为：
当升温ΔT时，合拢口劲性骨架所受压力Ng=NG1μ1+NG2μ2+Fy；NG——合拢跨半跨及相连自由伸缩段梁的自重；μ——支座摩擦系数，取0.06；Fy——预应力临时张拉束提供的预压力。
NG=N0#+2（N1#+N2#+…+N18#）+N19#+N20#=8.978×104KN；Fy=0.2×1302×3.14×7×7×6×17=4087KN。
所以升温时，Ng=8.42×104×0.06+0.558×104×0.15+4087=5889+4087=9976KN。
假设采用4根双拼工56a型钢作为劲性骨架，单根截面积为135×2=27000mm2，Wx=4684000mm3,i=220mm。
主型钢最大荷载值为Nmax=2494KN,长度为2.8m计,λ=l/i=2.8/0.22=12.7，
=0.992。
故有
<1.3[σ]=182Mpa，满足要求。
（2）锚固钢板焊缝计算
锚固钢板焊缝高度10mm，焊缝长度710mm，计算长度为700mm，单根主型钢端头设置6个锚固钢板，12条焊缝。
每个型钢受力为2494KN；弯距M=0.3×2494=750KN.m；单根焊缝W=0.7×10×7002/6=571667mm3；
σf=
<
=160Mpa；τf=
<
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