东海大桥造桥机应用关键技术
1、工程概况
东海大桥位于上海南汇区芦潮港镇客运码头往东4 km南汇咀处，跨越杭州湾北部海域，直达浙江省的小洋山岛，全长32．7 km，是上海洋山深水港一期工程的重要组成部分。
东海大桥浅海段现浇箱梁施工区域包括陆上段、滩涂段和海上段，跨越新大堤，海上段水深为0～10 m，滩涂段长约150 m，包含杂草区和防浪堤，地形条件复杂（见图1）。该箱梁的施工若采用传统的满堂落地式支架和支承桩支架无法满足施工工况的要求，而如采用预制箱梁结构形式，则施工船舶因水深影响无法进入施工区域。经反复论证，浅海段连续箱梁施工采用了滑动模板支架系统，即造桥机施工。
该区域受气象和水文影响较大，每年受台风和季风影响时间长。根据气象水文特征，浅海段年平均可施工日仅为270d。浅海段桥梁设计为预应力现浇混凝土连续箱梁，分左右两幅，共计52跨，包括五跨一联和七跨一联两种形式，跨度有42．6m和50m两种，全长1．25 km。箱梁标准段桥面宽
15．25 m，底板宽7．25 m，高3 m，设有3%的纵坡和2%的双向横坡，并设有竖曲线和半径3000m的圆曲线。根据工程设计基准期100a的要求采用了高性能C50海工混凝土。
2、造桥机特点、选型及工艺原理
2．1 造桥机特点
造桥机即滑动模板支架系统， 简称MSS（Movable Scafolding System）。它是根据现浇箱梁的跨径、结构尺寸等参数加工的逐孑L浇注的整体移动支架系统。其操作高效简易、施工周期短、适用性广泛，大大节约了施工成本。它可用于建造高速公路高架桥、城市立交高架及跨海大桥的引桥配孑L等。但造桥机也有其缺点，如设备庞大，使用过程中会有变形产生，而且跨度越大其变形挠曲也越大等。
2．2选型
根据受力主梁相对于桥梁的相对位置，受力主梁位于桥梁上方的称为上行式造桥机，受力主梁位于桥梁下方的称为下行式造桥机。由于上行式造桥机设备处于桥梁上方，总体高度较大，抗风稳定性较差，而该工程所处区域为杭州湾北部海域，受季风和台风影响大，对支架系统的抗风要求极高；同时该工程为双幅桥，左右幅箱梁净距较小，对于上行式造桥机，当施工后行幅箱梁时因受先行幅箱梁结构的影响，无法打开推进，故此，该工程浅海段现浇连续箱梁采用了下行式造桥机施工。下行式造桥机由主梁、前后鼻梁、横梁、推进台车、支撑托架、外模、内模、后门型吊架、平台及爬梯等主要构件组成（见图2）。
2．3 下行式造桥机工艺原理
整个移动支架系统于桥中心线分为两部分，分别支撑于安装在立柱两侧的支撑托架上，支撑托架利用承台作为支撑点。模板系统与主梁连为一体，系统自重及施工荷载由主梁承担。大于两倍跨径的滑动轨道及先进的液压设备可以使整个系统在两孑L梁之间移动，移动前系统由桥中心线分开，使得系统能顺利通过墩身（见图3）。
3、施工工艺流程
当施工起始跨箱梁时，支架系统前后点分别用千斤顶支于支撑托架上；当施工标准跨时，其前点用千斤顶支于支撑托架上，后点利用门型吊通过高强钢筋吊起主梁，支于已浇梁段腹板上。以标准跨箱梁施工为例，施工顺序如下：
（1）拆前一跨桥墩上支撑托架至下一跨桥墩上安装。
（2）两片主梁通过千斤顶落下至推进台车，拆除横梁连接螺栓及底模连接钢筋。
（3）支架系统横移打开，直至两侧底模能顺利通过墩身。
（4）利用推进台车上液压千斤顶将造桥机纵向推进至下一跨。
（5）支架系统两侧向桥中心线横移合拢，上紧横梁连接螺栓。
（6）后门型吊就位，千斤顶顶升主梁，通过千斤顶调节丝杆调整模板标高及预拱度。
（7）布预应力钢束、扎铁、内模安装，浇注箱梁混凝土。
（8）箱梁混凝土收水、养护等。
（9）预应力钢束张拉、压浆。
4、施工关键技术
4．1造桥机变形挠曲特征确定
该工程首次采用了下行式造桥机施工50m跨现浇箱梁，箱梁高3m，宽15．25m，设有3%的纵坡和2%的横坡，并设有曲率半径3000m的圆曲线，每跨箱梁自重达1 350 t。箱梁自重以及施工机械等重量是由造桥机来承受的，混凝土浇筑的过程实际上就是对造桥机加载的过程，也是造桥机受力变形的过程，为了使箱梁线型满足设计要求，同时尽量控制裂缝的产生，造桥机使用前需确定合理的模板预拱度值以及箱梁混凝土浇筑顺序。
4．1．1堆载试验
为确定造桥机刚度、稳定性及挠度等各项技术性能，造桥机在安装后应进行原位模拟堆载试验。根据各断面混凝土自身荷载，采用编织袋装土或砂在造桥机外模上作等条件堆载试验，并模拟浇筑混凝土顺序进行一次性堆载。在堆载过程中观测造桥机挠度变化情况，得出造桥机基本变形参数。
在堆载实验开始前，造桥机就位后，分别在造桥机的主梁、底模、横梁、翼板等部位布置观测点。
（1）在堆载试验开始前对各个观测点进行初读数并记录。
（2）在堆载过程中每天安排一次读数，并确保堆载结束有一次观测数据。
（3）在堆载结束后持载连续观测3d并记录。
（4）当造桥机沉降达到稳定，观测值变化不大时可以进行卸载。卸载后再进行一次读数。
4．1．2模板预拱度
为了保证混凝土浇筑完毕后箱梁线型满足设计要求，通过调节设置在横梁上的丝杆螺栓对造桥机底模给予与变形的相反方向施加预拱值，来抵消由于现浇箱梁施工过程中产生的挠度。首先根据堆载试验数据对42．6m跨进行数值模拟计算，建立三维数值模型，对造桥机的总体刚度进行评估。在完善计算模型的基础上，再对50m跨箱梁施工过程中造桥机变形挠曲情况预测分析，确
定合理的造桥机底模预拱度值。
简支梁在线荷载作用下，挠度（f）与跨度（L）的4次方成正比，与梁的刚度（EI）成反比（见下式）。
q（x）：任意位置的作用在简支梁上的线荷载假如通过增大主梁的刚度来克服此挠度，则跨度从42．6m增至50m时，刚度需增加2倍。也就是说，通过增加刚度来减小主梁的挠度显然是不经济的，而且不可能完全克服主梁的挠度。为此，通过调节设置在横梁上的丝杆螺栓对造桥机给予与变形的相反方向施加预拱值，来抵消由于现浇混凝土箱梁施工过程中产生的挠度。
4．1．3 混凝土浇筑时间及顺序
在箱梁混凝土浇筑过程中造桥机会产生挠度，不同的混凝土浇筑顺序对于造桥机在施工过程中各位置产生的挠度也不一样。为了尽量减少在浇筑过程中造桥机挠度的变化量，需确定一种混凝土的浇筑次序，以使箱梁在浇筑过程中不至于因变形挠曲太大而产生裂缝（见图4）。同时，对混凝土浇筑时间需严格控制，因为当混凝土到达初凝阶段时，其对任何细微的挠曲变形都是极其敏感的，如果这时变形继续发展，一旦超过可以承受的程度，裂缝就产生了，为此需在混凝土初凝前将箱梁混凝土浇筑完毕。
通过对造桥机在实际施工前的堆载试验模拟和理论分析，初步确定了不同跨度现浇箱梁的现浇施工顺序和变形挠曲预拱值，并且通过与对实际施工过程中监测结果进行比较，对实际现浇施工顺序和预拱值进行了论证和进一步完善。最终形成了造桥机在施工过程中的最佳混凝土浇筑顺序与预拱值，结果如下：
（1）造桥机在使用过程中混凝土的浇筑顺序为：桥梁横截面浇筑顺序：由桥梁中心线开始对称浇筑，先浇筑底板，然后浇筑两侧腹板，最后浇筑顶板。桥梁纵向浇筑顺序：浇筑从前端墩柱开始，两边对称浇筑（墩柱两侧各10 m，前段悬臂段完成），完成对称浇筑后，向已完成桥跨方向分段浇注直至完成（见图4）。
（2）造桥机在使用过程中各个位置的预拱值为表1所列。42．6m跨造桥机跨中位置预拱值为90mm，50m标准跨造桥机跨中位置预拱值为140mm
（3）通过上述确定的施工顺序和设定的预拱值对现浇箱梁进行施工，不仅有效地控制了箱梁现浇施工过程中以及施工结束后的变形，而且，施工完成后没有发现有害裂缝的存在，满足设计要求。实践证明：该工程采取的施工方法和研究方向切合实际，效果是显而易见的。
4．2海上抗风措施
该工程是下行式造桥机在海上首次应用，由于海上施工的特殊性，受季风和台风影响较大，对造桥机抗风稳定性提出了很高的要求。造桥机在海上正常推进风速限制为，浇筑混凝土时风速限制为，当风速时，造桥机必须采取安全加固措施。即在靠立柱侧的横梁上安装抗风防震顶撑杆，共4根，每个立柱侧布设2根，安装后将顶撑杆固定在立柱两侧，使造桥机与两侧立柱连成整体，共同承受风速、地震荷载（见图5）。
4．3 高性能海工混凝土配置技术
有着较高含盐量的海水及海风是破坏混凝土因素的主要载体。高性能海工混凝土的耐久性根本上取决于混凝土的抗渗透性。因此混凝土配合材料中的外加剂及掺合料的选用最为关键。
东海大桥C50浅海段箱梁高性能海工混凝土配方设计主要取决于水胶比、胶凝材料中复合矿物掺合料的掺量及混凝土外加剂的适宜掺量。海工高性能混凝土由于掺加了大量的矿物掺合料早期强度的发展较缓慢，早期弹模也达不到工艺要求，鉴于此，我们从下列几方面做了调整：
（1）外加剂的缓凝组分及其掺量被限制在一定的范围之内，既满足混凝土施工工艺的要求，又兼顾其对早期混凝土力学性能的影响。
（2）调整浆体用量，提高混凝土弹性模量。虽然大量矿物掺合料的掺入在一定程度上制约了混凝土早期强度的增长，但通过适量外加剂的掺人，达到了促进混凝土早强的效果，同时保证了高性能海工混凝土耐久、耐磨性能。
4．4造桥机海上施工蒸汽养护技术
该工程采用的聚氨酯硬泡材料由组合聚醚和异氰酸酯组成（俗称A、B料），A料是由聚醚多元醇、泡沫稳定剂、发泡剂、复合催化剂配制而成：B料为进口多元醇多甲基异氰酸酯（MDI）。采用现场喷涂工艺施工，保温层厚3cm。采用聚氨酯作为外模保温层不但达到了蒸养过程中保温的效果，而且具有方便施工和优良的密封性能，这也给海上现浇箱梁蒸汽养护施工创造了有利的前提条件。
4．4．1 喷涂外模保温层
该工程采用造桥机施工，为保证造桥机外模的保温性，在造桥机外模上喷涂了3 村民厚聚氨酯塑料保温层。从实际效果来看，该保温层保温效果较好，蒸养过程中造桥机外模的温度基本保持在25℃。造桥机外模保温层见图6。
4．4．2排设蒸汽管
标准段箱孔由桥墩横梁处分为40m段和悬臂10 m段。为了能更有效地控制温度升降，在两段箱孔内分别排设两根蒸汽总管，且横梁人孔洞同时要封闭。蒸汽管布置如图7所示。
桥表面两侧沿桥纵向排设两根蒸汽总管，后在总管上沿桥横向交叉均布鱼刺形支管，且在每根支管与总管连接处设蒸汽调节阀。蒸汽总管直径13cm，桥面支管直径4cm，支管上开设喷气孔，为保证喷气均匀性，开孔的间距应根据现场喷气试验由疏到密开设。为避免因蒸汽直接喷射至梁体局部而使局部升温过快，蒸汽管应离开混凝土面30cm，桥表面支管喷气方向应水平。
4．4．3安装蒸养棚
根据现场实际情况，蒸汽养护采用棚罩法。40m箱孔段因两侧横梁分割，该段保温性较好，而悬臂10m段及桥表面受海上气候影响，保温性较差，为此在桥表面搭设一蒸养棚。为了使蒸养棚内蒸汽充分对流，温度均衡，但又不会形成蒸养棚内上下温差较大，浪费热能，故蒸养棚高度应在0．6～1m之内。蒸养棚四周用泡沫塑料绝热层封闭，外面覆盖蓬布，蓬布周边与造桥机外模紧密连接，形成密闭气室。
4．5 造桥机施工管理
因造桥机为大型设备，且在海上施工，现场施工条件相当复杂，施工难度很大。为了保证施工质量、设备及人员安全，造桥机管理操作必须组织一支素质较高的专业队伍，并要对每一名操作人员进行专业培训，全面了解造桥机的性能。设备操作前由技术负责人对造桥机操作人员作详细技术交底，现场操作必须严格按照规范程序进行，并要听从统一指挥，如在造桥机施工过程中有任何未知的事件发生，设备操作必须立即停止，在查明原因并解决问题后才可继续施工，造桥机施工质量管理人员职责见表2所列。
5、工程应用效果
东海大桥浅海段箱梁工程采用两台下行式造桥机，在不到1 a的时间内完成52跨箱梁，造桥机海上施工50m跨箱梁平均周期达到12d，最短只有11d，其中上行线桥梁于2004年10月11日贯通，率先实现了东海大桥标段间的合拢，为其他标段的施工提供了很大的便利条件。下行式造桥机工艺在该工程的成功应用，不仅解决了浅海段的施工难点，而且提前完成了工期，保证了箱梁的施工质量，取得了重大的社会效益和经济效益。
图8为50 m跨箱梁下行式造桥机施工周期流程图：
6、结语
随着我国经济的进一步稳健发展，跨海大桥和城市高架道路的建设市场将不断壮大，建设规模也越趋庞大。其中跨海、跨河、跨山谷、跨软土地基等复杂条件下的桥梁工程建设将会大量涌现，特别是跨海大桥的建设将越来越多。由于造桥机拥有其独特的性能，适用性广泛，生产效率高，造桥机技术将成为现代桥梁建设的必不可少的一种施工方法。
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