鄂東大橋混合梁斜拉橋合龍技術(shù)

劉明虎，譚 皓，徐國(guó)平，趙燦暉

(1．中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088;2．西南交通大學(xué)土木學(xué)院，成都 610031)

1 前言

混合梁斜拉橋集鋼梁和混凝土梁各自優(yōu)點(diǎn)于一體，滿足了大跨度、建設(shè)條件及經(jīng)濟(jì)性的要求，在千米級(jí)乃至更大跨度斜拉橋方案中具有獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［1］。我國(guó)混合梁斜拉橋在過(guò)去15年間表現(xiàn)出跨度的跨越式發(fā)展(見(jiàn)圖1)，中跨合龍是斜拉橋建設(shè)過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章對(duì)鄂東大橋主橋混合梁斜拉橋中跨合龍方案及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。大橋位于湖北省黃石市，主橋采用橋跨布置為(3×67．5+72．5+926+72．5+3 ×67．5)m 的連續(xù)半飄浮雙塔混合梁斜拉橋。主梁中跨采用鋼箱梁，邊跨采用混凝土箱梁，結(jié)合部設(shè)置在索塔向中跨側(cè)12．5 m處。邊跨采用支架分段逐跨現(xiàn)澆施工，中跨采用懸臂拼裝施工。

2 斜拉橋合龍方案

大跨度斜拉橋合龍方案的選擇與其施工監(jiān)控理論密不可分。目前大跨度斜拉橋施工控制通常采用以下兩種方法:a．傳統(tǒng)的索力—主梁標(biāo)高雙控法;b．無(wú)應(yīng)力控制法(幾何控制法)，該法可消除施工臨時(shí)荷載及溫度的影響，并在理論上能滿足多工序同步作業(yè)［2～5］。

圖1 中國(guó)大跨混合梁斜拉橋Fig．1 Long span hybrid girder cable stayed bridges in China

對(duì)于中跨為鋼梁的斜拉橋(全鋼梁或混合梁)，通常有兩種合龍方案:其一為配切合龍，即現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)配切合龍段以適應(yīng)中跨合龍口寬度;其二為加載合龍，即合龍段按設(shè)計(jì)理論長(zhǎng)度制造，合龍時(shí)根據(jù)實(shí)際溫度，通過(guò)施加外力頂推或牽拉來(lái)調(diào)整合龍口寬度以喂入合龍段［6］。頂推或牽拉可以在合龍口梁端實(shí)施，也可以在索塔下橫梁處實(shí)施。通過(guò)剛性構(gòu)件加載為頂推，通過(guò)柔性構(gòu)件加載為牽拉。鄂東大橋通過(guò)索塔下橫梁與主梁之間的剛性構(gòu)件進(jìn)行加載，為方便起見(jiàn)，以下加載均稱為頂推。上述兩種合龍 方案的比較如表1所示。

表1 中跨合龍方案比較Table 1 Comparison of mid span closure solutions

表1中，a為合龍口臨時(shí)勁性骨架鎖定(順橋向自由)，合龍口壓重;b為合龍口長(zhǎng)度連續(xù)觀測(cè);c為根據(jù)實(shí)測(cè)穩(wěn)定時(shí)段溫度條件下的合龍口長(zhǎng)度實(shí)施合龍段配切;d為頂推主梁，至合龍口寬度滿足設(shè)計(jì)要求;e為起吊合龍段，穩(wěn)定時(shí)段溫度條件下嵌入合龍口;f為焊接合龍段兩端焊縫，實(shí)現(xiàn)合龍。對(duì)于兩種不同的合龍方案，相同實(shí)施流程的作用和工藝略有差別。分析表明，若忽略結(jié)構(gòu)安裝誤差，兩種合龍方案的最大差異在于對(duì)合龍時(shí)溫度的適應(yīng)性上。理論上，若合龍時(shí)溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度一致，且合龍后一段時(shí)間內(nèi)溫度保持穩(wěn)定，則兩種合龍方案并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。

3 鄂東大橋合龍方案研究

3．1 結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造特點(diǎn)

鄂東大橋主梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與全鋼主梁大跨度斜拉橋存在以下區(qū)別:

1)邊跨混凝土梁在提供較大剛度的同時(shí)，也提供了較大的重量，保證邊跨壓重。

2)邊、中跨主梁的力學(xué)行為存在一定的獨(dú)立性。邊、中跨索力水平分量的合力不平衡。經(jīng)總體受力計(jì)算分析，為保證合理的成橋狀態(tài)，須使施工期拉索水平分量的合力指向中跨側(cè)。

3)塔梁臨時(shí)約束在構(gòu)造上與全鋼梁斜拉橋不同(見(jiàn)圖2)。鄂東大橋由于邊跨混凝土梁伸入中跨，塔梁臨時(shí)約束可以利用為運(yùn)營(yíng)期受力而設(shè)置的混凝土限位擋塊，在其間填塞臨時(shí)填充物來(lái)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。

4)邊跨采用排架法施工，在中跨合龍前形成了多點(diǎn)支承小跨徑主梁。

圖2 塔梁臨時(shí)約束構(gòu)造比較(僅縱向)Fig．2 Comparison of temporary restricting structures between tower and beam(only longitudinal)

3．2 影響因素計(jì)算分析

合龍影響因素計(jì)算分析時(shí)，恒載及溫度作用下的橋梁各部受力大小及狀態(tài)需通過(guò)全橋總體靜力計(jì)算獲得。全橋總體靜力計(jì)算采用TDV－RM2006空間桿系非線性程序，以理論豎曲線為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，考慮斜拉索的垂度效應(yīng)(采用多單元法，將每根斜拉索分成8個(gè)單元來(lái)模擬拉索在荷載作用下的曲線構(gòu)形)、大位移效應(yīng)和P－delta效應(yīng)，按照施工進(jìn)程，分331個(gè)施工階段進(jìn)行模擬，全面分析結(jié)構(gòu)各階段直至合龍工況的內(nèi)力和位移情況。全橋分析模型見(jiàn)圖3。

圖3 RM2006全橋分析模型Fig．3 RM2006 whole bridge analysis model

結(jié)構(gòu)計(jì)算邊界條件為:主梁與過(guò)渡墩之間縱向自由、豎向及橫向約束;主梁與輔助墩縱向及橫向自由、豎向約束;索塔橫梁與主梁之間在合龍前整個(gè)施工期間三向線位移約束、平面內(nèi)及橫橋向轉(zhuǎn)角約束，在合龍實(shí)施頂推時(shí)解除縱向約束;塔底采用模擬實(shí)際基礎(chǔ)剛度的彈性約束。

1)溫度。計(jì)算分析表明:不考慮施工誤差及焊縫預(yù)留量時(shí)，主梁在不同溫度情況下，合龍口的頂推變位量(合龍段配切量)如圖4所示?？梢?jiàn)，當(dāng)合龍溫度低于20℃(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度)時(shí)，主梁需向中跨側(cè)頂推位移;高于20℃時(shí)，需向邊跨側(cè)頂推位移;頂推位移量與合龍溫度基本呈線性關(guān)系。對(duì)于加載合龍方案，通過(guò)合龍口寬度的調(diào)整，抵消了部分合龍時(shí)氣溫的影響，合龍后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度時(shí)接近;對(duì)于配切合龍方案，則在主梁中存留了溫度的影響，合龍后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度時(shí)相差較大。不同合龍溫度時(shí)兩種方案對(duì)成橋結(jié)構(gòu)線形的影響見(jiàn)圖5。

圖4 單側(cè)主梁加載位移量Fig．4 Displacement due to loading on completed single side of girder

圖5 合龍方案對(duì)成橋結(jié)構(gòu)線形影響比較Fig．5 Comparison of impact on structure alignment of bridge by closure solutions

2)頂推力。采用配切合龍方案時(shí)，主梁不需頂推。采用加載合龍方案，則必須對(duì)主梁主動(dòng)施加外力。要確定頂推力的大小，需首先分析主梁頂推時(shí)的受力狀態(tài):在頂推時(shí)，主梁主要受到邊跨支座的摩阻力、中邊跨拉索不平衡力的水平向合力以及頂推力;其中支座摩阻力是阻止主梁運(yùn)動(dòng)的，對(duì)于頂推不利。摩擦力特性決定了支座的靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)存在較大的差異。根據(jù)相關(guān)單位提供的試驗(yàn)資料，鄂東大橋所使用的球形鋼支座的摩擦系數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)全橋總體計(jì)算支反力結(jié)果得到頂推啟動(dòng)時(shí)的靜摩阻力最大值為6262 kN。

表2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)值Table 2 Friction coefficient test value

由于中、邊跨索力不同，主梁受到中、邊跨拉索不平衡力的水平向合力。以向中跨加載頂推為例:在剛開始頂推時(shí)，此力的方向向中跨為4756 kN，對(duì)主梁頂推有利。但隨著頂推位移量的增大，由于拉索角度的變化，此力的方向會(huì)反向(見(jiàn)圖6)。

以湖北黃石地區(qū)3月下旬平均最低氣溫13．5℃為例計(jì)算主梁頂推力。該溫度條件下，不考慮主梁施工誤差及截面溫差造成的縫寬差異，主梁需向中跨側(cè)頂推位移36 mm。根據(jù)上述分析，得到主梁頂推啟動(dòng)力及頂推過(guò)程中的最大力?？紤]分級(jí)加載過(guò)程中存在穩(wěn)載過(guò)程，支座摩阻力均按初始靜摩擦系數(shù)取用。由表3計(jì)算頂推力可見(jiàn)，頂推初始狀態(tài)并不是頂推設(shè)備提供最大頂推力的工況，隨著主梁逐步向中跨側(cè)移動(dòng)，頂推力逐漸增大直至3190 kN。應(yīng)注意，摩擦系數(shù)不可避免地存在較大離散性［7］，若取用較小的摩擦系數(shù)，則存在僅邊中跨不平衡索力就能使主梁移動(dòng)的情況。因此，在頂推的實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)采取適當(dāng)限位措施防止主梁突然向中跨前沖。

圖6 頂推位移量與拉索不平衡力的關(guān)系Fig．6 Relation between jacking displacement and unbalanced force of cable

表3 計(jì)算頂推力Table 3 Calculation of jacking force

此外，考慮頂推時(shí)主梁溫度超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度的情況，此時(shí)主梁需向邊跨側(cè)頂推，則在頂推啟動(dòng)時(shí)需要提供11018 kN的頂推力以克服支座摩阻力和不平衡索力的合力(僅為理論預(yù)測(cè)分析，實(shí)際由于頂推力較大而難以實(shí)施，故對(duì)于本橋，選擇合龍溫度時(shí)應(yīng)嚴(yán)格杜絕高于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度的情形)。

3)構(gòu)件局部承載能力。在合龍實(shí)施過(guò)程中，不同的方案對(duì)結(jié)構(gòu)局部的承載能力要求有所不同。如配切合龍時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性，在合龍后解除塔梁臨時(shí)約束，則應(yīng)考慮環(huán)焊縫匹配到施焊完畢時(shí)間段內(nèi)的溫度變化造成的附加力，明確其傳力途徑最終落實(shí)的構(gòu)件。如采用加載合龍時(shí)，根據(jù)不同的溫度情況計(jì)算施工過(guò)程中所需提供的最大頂推力，并明確頂推力作用的構(gòu)件，應(yīng)充分保證其承載能力。

4 鄂東大橋合龍技術(shù)實(shí)踐

根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，鄂東大橋預(yù)計(jì)合龍時(shí)間為3月底或4月初，為季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)期，由統(tǒng)計(jì)分析，存在晝夜溫差大、日平均氣溫分布較為離散的特點(diǎn)。經(jīng)綜合考慮，確定采用加載合龍方案。

4．1 實(shí)施流程

中跨最后4對(duì)斜拉索張拉至合龍口調(diào)整線形所需的合龍索長(zhǎng)，邊跨側(cè)相應(yīng)斜拉索張拉至設(shè)計(jì)第二次張拉索長(zhǎng)并施加主梁自重等代臨時(shí)配重→拆除邊跨主梁所有落地排架支墩→橋面吊機(jī)前移至吊裝合龍段位置→初步調(diào)整合龍口形狀及局部梁段線形→進(jìn)行48 h合龍口寬度的連續(xù)觀測(cè)以確定施工累計(jì)梁長(zhǎng)誤差及合龍段喂入合龍口時(shí)機(jī)→合龍口兩側(cè)勁性骨架鎖定橫向及豎向，順橋向仍為放松→起吊合龍段，卸除臨時(shí)配重→在溫度合適時(shí)喂入合龍口→解除塔梁臨時(shí)約束，合龍段單側(cè)匹配→實(shí)施主梁頂推→主梁頂推到位，合龍段兩側(cè)匹配完成→勁性骨架順橋向鎖定→合龍段兩端環(huán)焊縫施焊。至此完成力學(xué)意義上的合龍，后續(xù)流程不贅述。

4．2 關(guān)鍵技術(shù)措施

1)合龍口高差及頂?shù)卓趯挾炔钫{(diào)整。由于本橋施工監(jiān)控采用無(wú)應(yīng)力控制方法，在各構(gòu)件的制造、安裝均納入該控制體系的前提下，施工期的索力增量及臨時(shí)荷載的變化，理論上對(duì)大橋成橋后無(wú)影響。因此，合龍口高差及頂?shù)卓趯挾炔畹恼{(diào)整，采用調(diào)整中跨最后4對(duì)斜拉索索力及施加局部梁段配重實(shí)現(xiàn);合龍段兩端環(huán)口的局部變形采用馬板馬平。在合龍完成后卸除局部梁段配重并將斜拉索的索長(zhǎng)調(diào)整至設(shè)計(jì)第二次張拉索長(zhǎng)。

2)頂推的實(shí)施及塔梁臨時(shí)約束解除。主梁的主頂推點(diǎn)設(shè)置在塔梁臨時(shí)約束的限位擋塊處，在上、下游擋塊處設(shè)置同步千斤頂進(jìn)行頂推(見(jiàn)圖7)。從圖7可見(jiàn)，中、邊跨側(cè)均安裝了千斤頂，并設(shè)置由抽插鋼片構(gòu)成的限位裝置。目的在于防止主梁頂推運(yùn)動(dòng)后支座摩阻力由靜摩阻轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩阻造成的主梁前沖的可能。即采用限位千斤頂置換塔梁臨時(shí)約束裝置的臨時(shí)填充物;按照連續(xù)觀測(cè)的結(jié)果確定頂推量并采用頂推千斤頂分級(jí)實(shí)施，在每一級(jí)頂推過(guò)程中，限位千斤頂逐級(jí)放松，同時(shí)抽出限位鋼片。將解除塔梁臨時(shí)約束的過(guò)程融合入頂推實(shí)施過(guò)程中，頂推完成的同時(shí)塔梁約束裝置的解除也同步完成，從而減小施工期的風(fēng)險(xiǎn)。

3)合龍段喂入合龍口及匹配焊接時(shí)機(jī)。合龍口一晝夜間梁溫的變化見(jiàn)圖8，測(cè)溫時(shí)為陰有小雨的天氣;并根據(jù)短期天氣預(yù)報(bào)，在合龍實(shí)施過(guò)程中仍將持續(xù)陰天。由溫度統(tǒng)計(jì)情況可見(jiàn)，梁溫最大值出現(xiàn)在下午16:00左右，最高溫度不超過(guò)20℃，低于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度。同時(shí)可見(jiàn)，即便是陰天，在該時(shí)段主梁的頂、底板溫差仍超過(guò)4℃，主梁晝夜的平均溫差超過(guò)7℃。由上述溫度分析，因日最高梁溫低于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度，只需留出合龍段兩端的導(dǎo)向操作空間，合龍段即能順利喂入合龍口。18:00以后，主梁頂?shù)装鍦夭钚∮?℃，可以保證合龍段的匹配。由于晝夜溫差相對(duì)較大，因此，需在次日上午8:00前完成合龍段環(huán)縫焊接。

圖7 主頂推點(diǎn)布置Fig．7 Arrangement of main jacking point

圖8 鋼箱梁溫度變化曲線Fig．8 Temperature variation curve of steel box girder

4)勁性骨架的設(shè)置。合龍口勁性骨架(見(jiàn)圖9)在頂推實(shí)施過(guò)程中起導(dǎo)向作用，應(yīng)能夠保證在頂推完畢后主梁的軸線偏位、合龍口形狀均基本保持合龍口形狀初步調(diào)整后的狀態(tài)。因此，需要?jiǎng)判怨羌芫哂辛己玫呢Q向及橫向抗彎剛度。同時(shí)，為克服晝夜溫差對(duì)焊接的影響，在合龍段匹配完畢后，應(yīng)鎖定勁性骨架的順橋向自由度。勁性骨架橫、豎向自由度與順橋向自由度的鎖定功能應(yīng)分開設(shè)置。

圖9 合龍口勁性骨架Fig．9 Stiffness skeleton frame of closure section

5 結(jié)語(yǔ)

斜拉橋合龍方案應(yīng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式及細(xì)部構(gòu)造特點(diǎn)、力學(xué)特性、預(yù)計(jì)合龍時(shí)間以及合龍方法對(duì)合龍時(shí)及成橋后的影響、工藝實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)等諸多因素，趨利避害，在理論分析的基礎(chǔ)上制定切實(shí)可行的方案。

加載合龍方法具有較好的溫度適應(yīng)性;對(duì)成橋結(jié)構(gòu)線形和受力影響很小，滿足無(wú)應(yīng)力施工控制方法的要求;通過(guò)切實(shí)可行的措施與預(yù)案可以有效控制施工中的風(fēng)險(xiǎn)，使中跨合龍始終處于受控狀態(tài)，適用于大跨徑混合梁斜拉橋。

［1］劉明虎．大跨寬幅混合梁斜拉橋關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)綜述［C］//中國(guó)公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會(huì)2009年全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．北京:人民交通出版社，2009．

［2］梁 鵬，肖汝誠(chéng)，徐 岳．超大跨度斜拉橋的安裝構(gòu)形與無(wú)應(yīng)力構(gòu)形［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(4):49 －53．

［3］秦順全．分階段施工橋梁的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法［J］．橋梁建設(shè)，2008(1):8－14．

［4］李 喬，卜一之，張清華．基于幾何控制的全過(guò)程自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2009(7):69－77．

［5］芳 文，趙 雷．大跨度斜拉橋施工力學(xué)行為參數(shù)敏感性分析［J］．蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(6):124－130．

［6］陳 鳴，羅承斌，吳啟和，等．蘇通大橋主橋中跨頂推輔助合龍技術(shù)［J］．中國(guó)工程科學(xué)，2009，11(3):75 －80．

［7］東 輝，覃勇剛．南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼梁架設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)［J］．橋梁建設(shè)，2009(3):5－8．