乌江大桥主桥全长620m, 孔径布置为:40m+110m+320m+110m+40m, 设计交角90°, 为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥, 全桥共设4×25对钢绞线斜拉索, 塔墩处设支座, 边跨设置辅助墩, 为纵向半漂浮体系, 两主塔承台以上高度分别为143.1m和197.1m, 主梁宽37.6m, 为双边箱与单箱四室结构相结合, 主梁利用智能化前支点挂篮进行悬浇施工 (见图1) 。乌江大桥主桥主梁在遵义岸和贵阳岸分别设置2处边跨合龙段, 合龙段为实心钢筋混凝土结构, 长×宽×高=37.6m×2.3m×3.2m, 混凝土自重约为700t, 其下设置2个竖向支座和2个抗风支座, 合龙段共布置58束纵向预应力, 采用P型锚固形式锚固于边跨合龙段端头, 横向预应力端横梁钢束共布置17束。边跨现浇段与主梁25号块位置关系如图2所示。

乌江大桥边跨主梁25号块施工完毕后, 此时挂篮前横梁距过渡墩盖梁68.4cm, 在边跨合龙过程中, 可采用连接挂篮底模I36和盖梁现浇支架的方法, 构造合龙段承载结构。挂篮与过渡墩盖梁位置关系如图3所示。

乌江大桥待主梁25号块梁端施工完成后, 不再单独设置现浇吊架系统进行边跨合龙施工, 而是利用前支点挂篮作为支撑平台和在过渡墩上设置现浇支架进行边跨合龙段施工。其总体施工工艺流程如下:25号块预应力张拉及压浆完成→安装挂篮前横梁锚固→在过渡墩盖梁上搭设支架→支架小纵梁与挂篮底模工字钢焊接→在挂篮前横梁上焊接支架斜撑→安装模板、绑扎钢筋及预应力相关施工→浇筑混凝土→预应力张拉及压浆。

边跨现浇段模板利用25号块梁端挂篮底模系统, 并在过渡墩盖梁上设置支点共同承受现浇段2.3m混凝土荷载, 支架设置形式为:卸荷砂箱、横向间距150cm 2根双拼I36、纵向在挂篮底模I36端头接长I25作为现浇段底模分配梁。边跨合龙段现浇支架布置情况如图4所示。

温度变化会导致斜拉索伸长缩短, 在1天中温度最低时, 斜拉索收缩量最大, 25号块垂向位移也达到最大;当温度逐渐升高, 梁端逐渐回落, 温度升至1天中最高时, 梁端位于最低位置。温度交替变化必然会导致新老混凝土接触面上下错动, 而新浇混凝土抗剪强度低, 因此需要采取措施克服25号块梁端纵向位移。

在合龙段混凝土浇筑前, 连续监测48h内温度变化情况, 在25号块梁端风嘴、主梁截面1/4处和主梁中心处布置5个测点, 其测量间隔时间为2h, 测量工况序号, 测量时间和温度对应如表1所示。

边跨合龙段施工期间, 昼夜温度相差约10℃, 根据监控单位计算及现场实际测量, 在温差10℃变化时, 主梁、索塔及斜拉索在温度梯度影响下, 会造成悬臂端梁面标高相差2.3cm (由于辅助墩的作用) 。

斜拉索及主梁纵向收缩或伸长, 使合龙段和主梁25号块分界面位置不断变化, 可能会导致接触面产生拉应力, 而边跨合龙段无法提前设置刚性支撑架克服梁面拉应力, 拉应力的存在会严重影响合龙段新浇混凝土质量。因此, 施工过程中, 现浇段新旧混凝土接缝处如控制不当则很容易出现裂纹。

主梁25号块混凝土达到预应力张拉龄期进行张拉压浆后, 挂篮位置不变, 保持前锚和后锚的锚固。此时通过25号块预留锚杆孔, 增设5组前横梁锚杆, 一方面满足挂篮受力需要, 使其和过渡墩支架一起承受合龙段混凝土竖向荷载;另一方面使已浇梁段和挂篮有较好的锚固, 当温度变化引起梁体位移变化时, 挂篮会随梁体一起运动。

挂篮底模I36与现浇支架I25小纵梁焊接后, 由于盖梁处支架作用, 已浇梁段基本无纵向位移, 温度变化给新老混凝土接触面带来的剪力由I25小纵梁承担。为改善小纵梁受力特性, 在I25小纵梁和挂篮前横梁间设置斜撑, 通过建模计算小纵梁承担剪力。

考虑到斜拉索和主梁升温、降温具有延迟性, 采用温度建模可能会给计算结果带来误差, 这里采用等效位移法计算小纵梁承担剪力。

具体计算思路为, 小纵梁在1天中温度最低时焊接, 焊接过后温度带来附加应力由小纵梁和辅助墩支架承担。斜拉索第3次张拉时会导致悬臂端梁体向上位移, 根据斜拉索3次张拉竖向拉力等效计算造成悬臂端2.3cm位移所需竖向力, 该竖向力即是小纵梁所受剪力。

由斜拉索第3次张拉施加与主梁的竖向力和竖向位移, 等效计算得出温度引起悬臂端梁体的附加应力 (即使悬臂端产生2.3cm位移的竖向力) 为929.92k N, 该剪力由14根小纵梁承担, 单根小纵梁承受剪力为66.42k N。

计算可以得出I25小纵梁承受的剪应力为:

由此可以得出, I25小纵梁满足其强度要求, 可抵抗温度升高引起的附加应力。为确保结构安全可靠, 在小纵梁和挂篮间焊接斜撑。

1) 现浇支架的I25小纵梁与挂篮焊接, 同时在小纵梁与挂篮前横梁间设置斜撑, I25小纵梁与挂篮之间斜撑需焊接牢固, 一方面改善I25小纵梁的受力状况, 以抵消节段缝位置处产生的竖向剪力, 保证接缝混凝土质量;另一方面确保挂篮能将梁端纵向位移传至小纵梁。

2) 在过渡墩盖梁上搭设现浇支架时, 在现浇段承重梁I36与分配梁I25之间设置不锈钢板, 不锈钢板之间填充黄油降低摩擦系数 (按0.15考虑) , 确保施工现浇段时分配梁纵向整体移动。小纵梁间距为1m, 混凝土浇筑高度为3.2m, 混凝土重度为25k N/m³, 不锈钢板上压力为混凝土自重和温度升高带来的附加压力, 不锈钢板所受竖向压力总和即为小纵梁所受剪力, 小纵梁所受最大纵向压应力即为不锈钢板间的摩擦力:

通过计算发现小纵梁所受最大压力为37.56k N, 与此同时, 温度升高时, 斜拉索伸长, 25号块梁体下挠会给小纵梁带来竖向剪力, 因此在小纵梁与挂篮连接时要焊接牢固, 焊缝高度≥8mm, 焊接长度≥30cm。

3) 由于温度变化, 梁端标高不断变化, 为了防止温度降低不锈钢板与小纵梁脱离, 在实际施工过程中, 密切配合监控单位测量梁端标高, 在1天中温度较低时将支架I25和挂篮底模I36焊接, 确保不锈钢板与工字钢贴合, 处于受压状态。

边跨合龙段采用微膨胀混凝土, 膨胀率0.02%, 应在1天温度最低时段内用较少时间浇筑完毕, 当温度升高时, 合龙段新浇混凝土处于升温膨胀凝结状态, 新老混凝土接触面不会出现不利拉应力。

针对乌江大桥具体施工背景和状况, 提出一种利用主梁悬浇施工的前支点挂篮作为支承平台, 在过渡墩上搭设现浇支架进行边跨合龙的施工方法, 并采取一系列措施避免了已浇梁段和合龙段混凝土接触面垂向和纵向相对位移, 保证新老混凝土接触面无拉应力产生。