徐德志， 萬(wàn)志勇， 梁立農(nóng)
(廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,廣東廣州510507)
摘 要：結(jié)合虎門二橋項(xiàng)目的具體建設(shè)條件，針對(duì)本項(xiàng)目引橋橋梁長(zhǎng)、軟基深厚、橋墩高、墩高變化范圍較大等特點(diǎn)，根據(jù)墩高選擇跨徑，按照項(xiàng)目工況選擇節(jié)段拼裝法作為施工方案。節(jié)段預(yù)制采用短線法，拼裝選用懸臂和逐跨拼裝兩種方式。項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)施工方案深入細(xì)致的優(yōu)化比選為項(xiàng)目的安全、快速、高質(zhì)量施工創(chuàng)造了條件。
關(guān)鍵詞：虎門二橋；跨徑布置；節(jié)段拼裝；結(jié)構(gòu)構(gòu)造；方案設(shè)計(jì)
收稿日期：2015-03-11
作者簡(jiǎn)介：徐德志(1981—)，男，高級(jí)工程師，主要從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作 89019819@qq.com
DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.04.006
中圖分類號(hào)：U442.54
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1672-3953(2015)04-0022-04
Abstract: With the specific construction conditions of Bridge Two of Humen, such as the approach of the bridge being long, the soft foundation of the bridge being deep,the piers of the bridge being tall, the changing range of the height of the pier being large and other factors, taken into account, the spanning width is chosen according to the height of the pier, and the segment assembly method is chosen as the construction scheme in the light of the construction conditions of the project.The pre-casting of the segments is performed by means of the short-line method.The assembly and erection of the beam are performed by both the cantilever assembly method and the span-by-span erection method.The design of the project helps deepen the optimization of the construction scheme and thus creates very good conditions for the safe,quick and high-quality construction of the project.
虎門二橋是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中連接廣州和東莞的重要東西向通道，路線方案起于廣州市番禺區(qū)東涌鎮(zhèn)，順接南二環(huán)高速公路，經(jīng)廣州市番禺區(qū)、南沙區(qū)，并先后跨越大沙水道、海鷗島、坭洲水道后，穿越虎門港進(jìn)入東莞市沙田鎮(zhèn)，終點(diǎn)與廣深沿江高速公路相接?；㈤T二橋上游距珠江黃埔大橋約20 km，下游距虎門大橋約10 km [1]。
虎門二橋主線全線均采用橋梁方式建設(shè)，共設(shè)置特大橋兩座，分別是：坭洲水道橋采用主跨(548+1 688)m雙塔雙跨吊懸索橋，大沙水道橋采用主跨1 200 m雙塔單跨吊懸索橋；引橋主要采用30～62.5 m跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土橋；設(shè)置東涌、騮東(規(guī)劃預(yù)留)、海鷗島、沙田四座互通立交。路線總長(zhǎng)12.886 km，其中主線引橋全長(zhǎng)10.028 km。
虎門二橋引橋總長(zhǎng)較長(zhǎng)、墩高變化范圍較大、設(shè)計(jì)方案可選擇范圍較廣，因此，需針對(duì)橋梁所處位置，根據(jù)墩高、地質(zhì)條件等因素，對(duì)橋梁跨徑布置、上下部結(jié)構(gòu)、施工方案等進(jìn)行詳細(xì)研究比選，主要設(shè)計(jì)思路如下：
(1)跨徑的選擇合理與否對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)性、美觀性及施工速度有較大的影響，需要對(duì)同種墩高不同跨徑進(jìn)行全面的比選，以確定與墩高和基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)跨徑。同時(shí)，跨徑的布置還要考慮與主橋的配合及跨線要求、景觀影響等因素。
(2)施工方案應(yīng)針對(duì)本項(xiàng)目軟基深厚、橋梁長(zhǎng)、墩高變化范圍大的特點(diǎn)，充分考慮經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備利用率、施工速度等因素，重點(diǎn)分析比選節(jié)段拼裝、移動(dòng)模架等方法。
(3)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為預(yù)制結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的比選，以及在此基礎(chǔ)上通過(guò)完善的計(jì)算確定最優(yōu)的構(gòu)造尺寸；同時(shí)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要與施工工藝一體綜合分析。
(4)下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于橋墩墩型的選擇，本項(xiàng)目橋梁部分墩高達(dá)到65 m，橋址處抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從經(jīng)濟(jì)、景觀、抗震、抗風(fēng)、施工等多方面考慮，通過(guò)分析比選得到最優(yōu)截面尺寸。
引橋主線橋墩高在10～65 m之間，綜合考慮各方面因素后，將引橋按墩高分別劃分為高墩區(qū)(墩高40 m以上)、中墩區(qū)(墩高25～40 m)和低墩區(qū)(墩高25 m以下)。項(xiàng)目墩高分布如圖1所示。
綜合考慮經(jīng)濟(jì)、景觀、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)等因素，經(jīng)過(guò)比選，各墩高范圍跨徑布置為：低墩區(qū)跨徑30 m，中墩區(qū)跨徑45 m，高墩區(qū)跨徑55/62.5 m。
本項(xiàng)目低墩區(qū)范圍采用30 m跨徑，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制小箱梁。在中、高墩區(qū)范圍內(nèi)，跨徑45 m、55 m和62.5 m的橋梁左右幅合計(jì)總長(zhǎng)約10 km左右，規(guī)模較大。根據(jù)國(guó)內(nèi)典型長(zhǎng)大橋梁調(diào)查情況，與本項(xiàng)目建設(shè)條件類似的工程，采用的施工方案主要有節(jié)段拼裝和移動(dòng)模架兩種工法。因此，本項(xiàng)目主要對(duì)這兩種工法進(jìn)行比選。
圖1 主線橋各墩高范圍立面布置示意圖(單位：m)
節(jié)段拼裝法是指將梁體沿縱向劃分為若干個(gè)節(jié)段，在工廠或橋位附近進(jìn)行預(yù)制并留好預(yù)應(yīng)力孔道，待下部結(jié)構(gòu)施工完成后，將節(jié)段沿已建的橋跨軌道運(yùn)輸或船舶運(yùn)輸至橋位進(jìn)行拼裝，同時(shí)張拉所需的鋼束形成結(jié)構(gòu)體系。
節(jié)段拼裝法的主要優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)段預(yù)制工作是在預(yù)制場(chǎng)提前進(jìn)行的，可與橋梁下部結(jié)構(gòu)施工同時(shí)進(jìn)行；主梁是分段預(yù)制的，對(duì)起重能力要求不高，能夠高效率利用現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備，加快施工速度；梁體節(jié)段是工廠預(yù)制的，大大減少施工現(xiàn)場(chǎng)工作量，可不受天氣和外界因素干擾，混凝土施工質(zhì)量在預(yù)制場(chǎng)得到保證；節(jié)段預(yù)制拼裝工藝可保證橋梁的外形美觀；節(jié)段預(yù)制及吊裝施工可根據(jù)需要投入設(shè)備，合理安排工期，施工組織管理比較靈活。
節(jié)段拼裝法的主要缺點(diǎn)是：由于結(jié)構(gòu)采用化整為零、集零為整的施工方法，結(jié)構(gòu)整體性略差；節(jié)段預(yù)制需要大片的預(yù)制場(chǎng)地，預(yù)制好的塊件需平移或縱移等，對(duì)軟土地基處理費(fèi)用較高，對(duì)運(yùn)輸條件差的地方實(shí)施相對(duì)困難；節(jié)段拼裝法一般需采用體外預(yù)應(yīng)力體系，總體造價(jià)較高。
移動(dòng)模架系統(tǒng)是一種自帶模板、利用縱梁支撐對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑的施工機(jī)械，它象一座嚴(yán)密而堅(jiān)固的、沿橋跨布置的全封閉的“橋梁工廠”，在該“橋梁工廠”中可以完成立模、綁扎鋼筋、澆注混凝土、張拉預(yù)應(yīng)力等全套的現(xiàn)澆橋梁施工工藝，并能在一孔橋梁施工完成后實(shí)現(xiàn)逐孔前移。
移動(dòng)模架法的主要優(yōu)點(diǎn)是：周轉(zhuǎn)次數(shù)多，施工周期短，施工安全可靠，結(jié)構(gòu)整體性好，施工高度機(jī)械化，受天氣和外界因素干擾較少，能提高工程質(zhì)量；使用移動(dòng)模架施工不需要中斷橋下交通，與傳統(tǒng)的滿堂支架相比，使用輔助設(shè)備少，減少了人力資源的浪費(fèi)，施工現(xiàn)場(chǎng)文明簡(jiǎn)潔，既保證了工程質(zhì)量，又能加快施工進(jìn)度。
移動(dòng)模架法的主要缺點(diǎn)是：長(zhǎng)距離供應(yīng)原材料、水、電等有一定的難度，對(duì)曲線橋、變寬橋適用性不強(qiáng)；國(guó)內(nèi)大于60 m跨徑、八車道橋?qū)挼囊苿?dòng)模架設(shè)備套數(shù)不多；由于跨徑較大，設(shè)備組拼、移動(dòng)較為耗時(shí)，不利于縮短工期。
根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)節(jié)段拼裝和移動(dòng)模架兩種工法綜合進(jìn)行特點(diǎn)分析，詳細(xì)比較如下：
(1)結(jié)構(gòu)受力性能。移動(dòng)模架，整體連續(xù)性好；節(jié)段拼裝，抗彎和抗剪性能略遜于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。
(2)從施工角度進(jìn)行的兩種工法分析見(jiàn)表1。
(3)從耐久性角度進(jìn)行的兩種工法分析見(jiàn)表2。
表1 施工角度方案對(duì)比
移動(dòng)模架節(jié)段拼裝施工質(zhì)量和控制現(xiàn)場(chǎng)工作量大現(xiàn)場(chǎng)工作量小所需施工設(shè)備移動(dòng)模架架橋機(jī)、運(yùn)梁車對(duì)施工環(huán)境要求無(wú)特殊要求需預(yù)制場(chǎng)地施工工期45m跨徑14~17d/孔約6d/孔55m跨徑15~18d/孔約10d/孔62.5m跨徑15~20d/孔約12d/孔
表2 兩種施工方案的耐久性分析
移動(dòng)模架節(jié)段拼裝施工難易性60m跨徑、20m橋?qū)掚y度較大對(duì)預(yù)制和拼裝精度要求較高設(shè)計(jì)可采用高性能混凝土、真空壓漿等技術(shù)提高耐久性可采用高性能混凝土、真空壓漿技術(shù)、可更換體外束提高耐久性施工加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制,結(jié)構(gòu)耐久性較易保證現(xiàn)場(chǎng)拼裝精度要求較高,接縫處耐久性控制難度大后期檢查及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量可靠,后期養(yǎng)護(hù)量少體外預(yù)應(yīng)力需定期養(yǎng)護(hù),接縫處可能產(chǎn)生病害
綜合節(jié)段拼裝和移動(dòng)模架工法的分析可見(jiàn)，節(jié)段拼裝法具有施工速度快、節(jié)段質(zhì)量好、外形美觀、利于施工組織的優(yōu)點(diǎn)，符合目前橋梁建設(shè)工廠化、預(yù)制化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，可作為本項(xiàng)目采用的施工方案。
節(jié)段拼裝法施工需解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方案，即節(jié)段預(yù)制方法、節(jié)段運(yùn)輸方案和節(jié)段架設(shè)方案。其中不同的節(jié)段架設(shè)方案將影響設(shè)計(jì)方案，需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行明確；節(jié)段預(yù)制方法和運(yùn)輸方案則可在施工實(shí)施階段根據(jù)總體施工組織確定，設(shè)計(jì)階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件可提出推薦方案。
混凝土橋梁節(jié)段的預(yù)制方法基本可歸納為兩大類：長(zhǎng)線法和短線法 [2]，兩種方法特點(diǎn)分析見(jiàn)表3。
表3 節(jié)段預(yù)制方案比較表
比較項(xiàng)目短線法長(zhǎng)線法占地面積較少較多對(duì)場(chǎng)地地基的要求不高較高生產(chǎn)效率較高較低線形控制控制要求較高控制較簡(jiǎn)單
長(zhǎng)線法的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)段的線形控制比較簡(jiǎn)單，但由于底模縱橫向預(yù)制線形無(wú)法變化，故各跨的線形必須一致，只適用于無(wú)水平曲線的直線橋梁。長(zhǎng)線法雖然可在墩頂節(jié)段的底模結(jié)構(gòu)上作些改進(jìn)，在增加模板數(shù)量后可做到多點(diǎn)施工，但底模的利用率仍然較低。
短線法的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)段生產(chǎn)周期短，適用于直線橋梁和各種跨徑的橋梁，對(duì)節(jié)段數(shù)量很大的多跨長(zhǎng)橋和有水平曲線的橋梁尤其適合。由于內(nèi)外模板均可方便地移動(dòng)，故短法線一般均采用在鋼筋胎模上預(yù)制節(jié)段的鋼筋骨架再吊入臺(tái)座。
根據(jù)短線法和長(zhǎng)線法各自特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐情況，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段推薦采用短線法進(jìn)行箱梁節(jié)段的預(yù)制施工，目前承包商按短線法進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)。
節(jié)段在待施工橋跨位置的運(yùn)輸方式可以采用梁上運(yùn)梁或梁下運(yùn)梁的方式進(jìn)行。
預(yù)制節(jié)段進(jìn)行拼裝時(shí)若通道上箱梁已經(jīng)建設(shè)完成則可進(jìn)行梁上運(yùn)梁。采用梁上運(yùn)梁方式，所使用的懸拼吊機(jī)需針對(duì)性設(shè)計(jì)以滿足喂梁的需要。運(yùn)梁通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮最大節(jié)段重量及運(yùn)梁車重量此種不利工況。
虎門二橋現(xiàn)場(chǎng)河涌較多，在施工過(guò)程中為了便于組織，施工便道除大沙水道和坭洲水道外均需沿橋線貫通，跨越河涌部分根據(jù)水文情況采用涵管和鋼棧橋的方式跨越，如要采用梁下運(yùn)梁，運(yùn)梁通道需進(jìn)行加固，投入較大。
因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段推薦采用梁上運(yùn)梁的方式，以減少地面運(yùn)梁通道的加固成本，目前承包商也是按梁上運(yùn)梁進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)。
根據(jù)梁段拼裝工藝的不同，可以分為平衡懸臂拼裝法和逐跨拼裝法兩種方法，其方案比選見(jiàn)表4。
表4 節(jié)段拼裝施工工藝比較表
施工工藝比較項(xiàng)目懸臂拼裝逐跨拼裝架橋設(shè)備邊跨的一半需懸掛拼裝,架橋機(jī)僅需支撐邊跨跨徑一半即可,設(shè)備規(guī)模較小,重量較輕。架橋機(jī)需支撐全跨的重量,跨徑較大時(shí)架橋機(jī)設(shè)備規(guī)模較大,初期組裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力,移動(dòng)稍緩慢。一般適用跨徑>50m≤50m施工速度10~12d/孔5~7d/孔線形控制節(jié)段預(yù)制及拼裝施工精度要求較高,施工控制難度稍大。線形控制較易,難度不大。采用情況55m、62.5m跨徑采用45m跨徑采用
平衡懸臂拼裝法是指拼裝施工時(shí)用吊機(jī)將預(yù)制梁段在橋墩兩側(cè)對(duì)稱起吊，安裝就位后，固定緊固件或張拉預(yù)應(yīng)力筋，繼續(xù)下一節(jié)段施工，使懸臂不斷接長(zhǎng)至最大懸臂狀態(tài)，直至合龍。整個(gè)過(guò)程的結(jié)構(gòu)體系為先是懸臂結(jié)構(gòu)，合龍后形成連續(xù)體系。
逐跨拼裝法是指采用能夠承受全跨重量的架橋機(jī)或承重梁，將全跨的預(yù)制節(jié)段放置就位后用體內(nèi)或體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行串聯(lián)拼裝形成簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，最后張拉墩頂負(fù)彎矩束形成連續(xù)體系。
在明確了跨徑布置和施工方案后，需結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，對(duì)上下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目節(jié)段拼裝箱梁上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。
6.1.1 梁高的選擇
為提高體外預(yù)應(yīng)力效率、滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求，以及為體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)維護(hù)及更換留有足夠的空間，體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的梁高不宜太小 [1]，根據(jù)計(jì)算比較，梁高設(shè)計(jì)值基本按跨徑的1/17左右控制，詳細(xì)參數(shù)如表5所示。
表5 節(jié)段拼裝構(gòu)造梁高設(shè)計(jì)值 m
跨徑 62.55545梁高3.6(1/17.4)3.3(1/16.7)2.7(1/16.7)
6.1.2 預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì) [1]
體外預(yù)應(yīng)力具有減輕上部結(jié)構(gòu)重量、方便主梁制作以及可以更換等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)制節(jié)段拼裝橋梁大多使用體外預(yù)應(yīng)力。既有全部使用體外預(yù)應(yīng)力的，也有兼用體內(nèi)與體外束的。本項(xiàng)目縱向預(yù)應(yīng)力即采用體外+體內(nèi)混合配束的形式。
體內(nèi)、體外鋼束配比的設(shè)計(jì)與節(jié)段架設(shè)方案緊密相關(guān)，一般而言，架設(shè)階段采用的鋼束比例要高于成橋階段鋼束比例。對(duì)于本項(xiàng)目而言，45 m跨徑的逐跨拼裝橋梁，采用體外束作為架設(shè)階段鋼束，其所占比例較高。55 m和62.5 m跨徑的懸臂拼裝橋梁，采用體內(nèi)束作為架設(shè)鋼束，其所占比例較高。本項(xiàng)目鋼束配比設(shè)計(jì)如表6所示。
表6 體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力配合比設(shè)計(jì)
拼裝工藝跨徑/m體內(nèi)束/%體外束/%逐跨拼裝453070懸臂拼裝55673362.57030
45～62.5 m跨徑連續(xù)箱梁下部結(jié)構(gòu)采用板式墩，因本項(xiàng)目為8車道，橋面橫橋向?qū)挾冗_(dá)20 m，為弱化墩身橫橋向體量，提升墩身景觀，在墩身設(shè)凹槽成“啞鈴型”?；A(chǔ)為4根鉆孔灌注樁。下部結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表7所示。
表7 節(jié)段拼裝箱梁下部結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù) m
跨徑墩高板式墩墩身厚度樁基直徑62.545~553.02.240~452.72.05555~653.02.245~552.72.040~452.52.04540~452.51.830~402.21.825~302.01.6
結(jié)合虎門二橋項(xiàng)目的具體建設(shè)條件，針對(duì)本項(xiàng)目引橋橋梁長(zhǎng)、軟基深厚、橋墩高、墩高變化范圍較大等特點(diǎn)，對(duì)項(xiàng)目的跨徑布置、施工方案、節(jié)段拼裝幾個(gè)關(guān)鍵工藝進(jìn)行了比選研究。同時(shí)對(duì)節(jié)段拼裝箱梁的上下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行了概略的介紹。
在本項(xiàng)目的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了橋梁工廠化、預(yù)制化和大型化施工的優(yōu)越性，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方案進(jìn)行了詳細(xì)深入的優(yōu)化比選，為項(xiàng)目的安全、快速、高質(zhì)量施工創(chuàng)造了條件。
參考文獻(xiàn)
[1]徐德志，彭李立，彭亞軍.虎門二橋節(jié)段拼裝箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].廣東公路交通，2014(4)：17-20，24
[2]錢建漳，周一橋.采用長(zhǎng)線法和短線法預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁節(jié)段的比較[J].公路交通技術(shù)，2003(5)：69-73
An Overall Design for the Approach of Bridge Two of Humen
XuDezhi, WanZhiyong, LiangLinong
(Guangdong Provincial Institution Co.Ltd.of Highway Reconnaissance, Planning and Design,Guangzhou510507,China)
Key words: Bridge Two of Humen;arrangement of the spanning width;segment assembly;structural composition;design of the scheme
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