跨海高速铁路结合梁斜拉桥上部结构施工关键技术

2022-10-11叶德炳翁方文

铁道建筑 2022年9期

叶德炳翁方文

1.东南沿海铁路福建有限责任公司，福州 350013；2.中交第二航务工程局有限公司，武汉430040

铁路钢-混凝土结合桥梁采用剪力连接件将钢板梁、钢箱梁或钢桁梁等钢结构构件和混凝土桥面板结合成共同工作的钢-混凝土组合截面，具有良好的经济性，充分发挥了两种材料的优势，可快速便捷施工，在国内外公路桥梁和国外铁路（公铁两用）桥梁中得到了广泛应用。国内已建成铁路斜拉桥采用结合梁的仅有数座，而国内外铁路桥梁中主梁全联长采用钢-混组合梁的斜拉桥未见工程应用先例［1-5］。本文依托国内首座跨海高速铁路结合梁斜拉桥，基于其设计特点及现有施工资源，对上部结构施工方案进行优化分析并应用，形成一套跨海高速铁路结合梁斜拉桥上部结构施工可行的方案。

1 工程概况

泉州湾跨海大桥为国内首座跨海高速铁路斜拉桥，主桥设计为（70+130+400+130+70）m双塔双索面钢-混结合梁半漂浮体系斜拉桥，见图1。

图1 泉州湾跨海大桥主桥立面布置（单位：m）

钢梁采用Q370qE钢，主梁含风嘴全宽21 m，梁高4.25 m，采用单箱三室等高截面，由平底板、斜底板、中纵腹板及边板围封而成。钢梁划分为13种梁段类型，77榀梁段，其中标准节段长10.5 m。标准结合梁标准横断面见图2。桥面板分成预制板、纵向湿接缝、横向湿接缝三部分施工，其中预制板采用C55高性能海工混凝土，所有湿接缝均采用聚丙烯纤维补充收缩混凝土。每个节段桥面板由1块中板和2块边板构成，全桥共计231块，最大尺寸为4.65 m×9.80 m，重约560 kN。桥面板+钢主梁节段最大重量4 500 kN。斜拉索采用抗拉标准强度1 770 MPa环氧涂层平行钢丝拉索，全桥共72对斜拉索，最长斜拉索长219.2 m，最大自重（含两端锚头）248 kN。

图2 标准结合梁标准横断面（单位：m）

上部结构设计总体指导性施工方案为：中跨及次边跨标准段采用桥面吊机分节段进行悬臂拼装。钢梁与桥面板需在节段架设前完成结合，整体吊装定位后现场浇筑梁段间横向湿接缝。塔区存梁梁段利用浮吊吊装。边跨及辅助墩墩顶梁段77.9 m采用大型浮吊一次安装到位，边跨桥面板在合龙后进行安装。

2 上部结构总体施工方案优化

2.1 边跨大节段吊装优化为悬臂拼装

原设计方案边跨及辅助墩墩顶梁段吊装重量达12 000 kN，受边跨海域礁石影响，大型浮吊无法就位吊装。

综合考虑施工安全性及浮吊经济性，将边跨大节段吊装工艺优化调整为悬臂拼装工艺，充分利用桥面吊机对边跨梁段进行吊装施工。

2.2 标准段整体吊装工艺优化

原设计方案标准节段钢梁与桥面板先结合后进行整节段吊装，吊装节段重量见表1。可知，吊机最大吊重3 481 kN，传统吊机无法满足吊装要求，且受桥面宽度影响，若横向采用双台吊机抬吊吊装，桥面空间不足。因此，需要对整体吊装工艺进行优化。

表1 原设计方案整体吊装重量 kN

采用桥面板与钢梁后结合工艺（纵向湿接缝在吊装后现场浇筑）可以减小吊装重量，提高吊机资源可选范围。选定吊重2 900 kN的变幅吊机进行吊装作业。优化方案吊装重量见表2。优化后标准段总体工艺：若主梁（含桥面板）重量不超过2 900 kN则整体一次吊装完成，桥位施工横向湿接缝；若主梁（含桥面板）重量超过2 900 kN则分两个步骤完成吊装，先吊装钢梁+2块边桥面板，待钢梁栓焊及斜拉索初张后使用桥面吊机变幅吊装中桥面板，最后施工湿接缝。

表2 优化方案吊装重量 kN

2.3 桥面板吊装工艺优化

标准节段吊装总体工艺优化后，桥面板与钢梁后结合，桥面板在后场进行预制。通过平板车将预制桥面板经过海上栈桥运输至钢梁吊装区域。通过主墩施工平台处700 kN全回转吊机将预制桥面板安放在驳船上方对应的钢梁上，然后进行钢梁与面板整体吊装施工［4］。桥面板预留钢筋间距125 mm，钢梁顶面剪力钉间距125 mm，钢筋与剪力钉净间距仅20 mm（图3）。桥面板钢筋及钢梁顶面剪力钉空间位置有限，考虑到钢梁厂剪力钉施工误差及安装风浪影响，桥面板现场难以保证安装精度且安装困难。为保证现场施工工效，钢梁制造时不考虑桥面板区域钢梁顶面剪力钉，待桥面板吊装到位后湿接缝施工前现场进行焊接施工。

图3 桥面板钢筋与剪力钉相对位置（单位：mm）

桥面板与钢梁结合前，在预制桥面板与钢梁上翼缘板间的重合处粘贴防腐橡胶条。在横隔板上缘处，两侧橡胶条之间浇筑环氧砂浆（图4），靠近橡胶条的位置砂浆高度与橡胶条初始高度相同，中部隆起5 mm，形成上拱的弧面。在桥面板自重作用下，橡胶条完全压密封闭，环氧砂浆与上下接触面充分接触，从而保证结合面密封。

图4 橡胶条及环氧砂浆布置

为保证桥面板与钢梁结合的气密性，橡胶条最小压缩量不小于5 mm。根据混凝土桥面板重量，确定桥面板作用与橡胶条的应力为0.33 MPa，并对橡胶条进行压载试验。橡胶条尺寸为50 mm×100 mm×25 mm，试验压力由0.5 kN递增至3.0 kN，测量橡胶条在该压力作用下的压缩量。压载试验结果见表3。可知，橡胶条在0.33 MPa应力作用下最小压缩量为5.1 mm，满足设计要求。

表3 压载试验结果

2.4 超长超重斜拉索施工

S/M1—S/M4索长较短且重量较轻，可直接利用塔吊将斜拉索吊装至桥面，并利用塔吊牵引索头进行展索施工。S/M5—S/M14索长相对较长，通过塔吊吊装上桥，利用主塔处卷扬机进行辅助展索。S/M15—S/M18斜拉索重量均超过塔吊吊装能力，采用变幅吊机将此拉索吊装至桥面。以S/M15斜拉索为例，具体施工流程为：斜拉索进场，临时存放于主墩；S/M14斜拉索初张完成；回转吊吊装S/M15斜拉索至钢梁运输船；桥面吊机松钩变幅，吊装S/M15斜拉索至S/M14斜拉索对应梁段。

斜拉索展索由梁端向塔区进行，受桥面吊机影响，无法沿直线展索，需绕开桥面吊机。为保证斜拉索展索时的安全性，同时避免展索时对斜拉索造成二次损伤，研发了一种斜拉索展索导向装置，见图5。

图5 斜拉索展索导向装置

2.5 上部结构施工组织及耐久性

为保证上部结构施工安全，在主梁架设施工前与海事部门技术对接，并在吊装施工期间进行通航维护，确保吊装施工安全。

为保证结构耐久性，索塔钢锚梁采用含量不低于1%的Ni系高性能耐海洋大气腐蚀钢，不进行涂装、不设除湿系统，靠其自身生成致密稳定的钝化锈层阻止氯离子渗透，实现全寿命期的长效防腐。

结合大桥的环境特点和设计目标，钢主梁采用适用于海洋大气腐蚀环境的超长寿命耐久防腐涂装体系。钢主梁内外表面涂装体系见表4。

表4 钢主梁内外表面涂装体系

3 优化方案理论分析及实施效果

3.1 优化方案理论分析

根据优化调整后的施工方案，采用有限元软件进行施工全过程分析，并对边跨钢梁与混凝土桥面板结合前钢梁的应力进行局部分析。按照设计要求成桥线形目标为塔直梁平，通过施工全过程分析得出，成桥状态主梁最大挠度在10 mm以内（图6），小于设计要求±20 mm。成桥状态计算索力与设计索力差在±3.9%以内（图7），小于设计要求±5%。成桥线形及索力满足设计要求。成桥状态下主塔纵向最大偏位12 mm，横向最大偏位6 mm，满足设计成桥塔偏位小于H/3 000（H为塔高）且不大于30 mm的要求。

图6 成桥主梁挠度变形

图7 计算索力和设计索力对比

通过有限元施工全过程分析可知，合龙工况下桥面板最大拉应力（2.0 MPa）小于混凝土极限抗拉强度（3.3 MPa），且为短暂受拉状态；成桥状态主塔区域桥面板最大压应力（14.1 MPa）小于混凝土极限抗压强度（37.0 MPa）；辅助墩处钢梁顶升工况下钢主梁最大拉应力（115.7 MPa）小于基本容许应力（210.0 MPa）；成桥工况下钢主梁最大压应力（120.7 MPa）小于基本容许应力（210.0 MPa），桥面板及钢主梁结构受力安全。对边跨钢梁进行局部受力分析可知，钢箱梁最大应力为153 MPa，在钢箱梁底板和横隔板相交处为主拉应力。顶板最大等效应力（115.6 MPa）小于基本容许应力（210.0 MPa），钢主梁局部受力安全。