混和梁斜拉橋中跨加載合龍施工技術(shù)

盧勇，楊培誠

（1.中交第二航務(wù)工程局第五工程分公司，湖北 武漢 430012；2.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江 溫州 325038）

1 斜拉橋合龍方法綜述

合龍是斜拉橋施工的重要環(huán)節(jié)之一，其施工質(zhì)量直接影響成橋線形和應(yīng)力。目前國內(nèi)外已建成的中跨為鋼箱梁（全鋼箱梁或混合主梁）的斜拉橋合龍方式主要有以下兩種：

1）溫度配切合龍：即配切合龍段長度以適應(yīng)實際溫度情況下的合龍口寬度。此法國內(nèi)應(yīng)用較多，優(yōu)點是合龍速度快，對合龍梁段加工精度要求不高；缺點是合龍溫度與設(shè)計基準(zhǔn)溫度不符時，會在主梁內(nèi)殘留應(yīng)力，影響成橋線形，且合龍受環(huán)境溫度影響大，主動性差。典型工程有武漢軍山長江大橋、南京長江二橋、南京長江三橋等。

2）加載合龍：又稱“頂推合龍”，即合龍段按設(shè)計長度制造，通過施加頂推力調(diào)節(jié)合龍口寬度以適應(yīng)合龍段長度。此法國外應(yīng)用較多。國內(nèi)的蘇通長江大橋首次采用，其是利用塔梁臨時約束的縱向固結(jié)索將合龍口兩側(cè)梁體向岸側(cè)拉移，合龍段嵌入合龍口后同步放松縱向索，使梁體回移到位從而實現(xiàn)合龍。該法優(yōu)點是合龍不受環(huán)境溫度影響，理論上可全天候進行合龍，成橋線形和應(yīng)力與設(shè)計目標(biāo)符合較好；缺點是對合龍段制造精度要求較高，頂推量過大時，存在施工風(fēng)險。

2 工程概況

鄂東長江公路大橋位于長江湖北黃石水道，主橋為跨徑（3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5）m 的九跨連續(xù)雙塔雙索面半漂浮體系混合梁斜拉橋，主梁中跨采用PK斷面鋼箱梁，邊跨采用與中跨同斷面外形的混凝土箱梁，鋼混結(jié)合面設(shè)在中跨側(cè)距索塔中心線12.5m處。主橋結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 鄂東大橋主橋總體布置圖

從邊跨混凝土梁端部至跨中，鋼梁部分依次劃分為：鋼混結(jié)合段M0、特殊梁段F1、標(biāo)準(zhǔn)梁段E2～A30、中跨合龍段G。斜拉索索面按不對稱扇形布置，每一扇面均由江側(cè)的J1～J30以及岸側(cè)的A1～A30共30對拉索組成。

3 鄂東大橋中跨合龍方案研究

3.1 與中跨合龍有關(guān)的特殊條件

1）如圖2所示，由于邊跨為混凝土箱梁，為保證邊跨掛索前主梁線形和結(jié)構(gòu)安全，邊跨現(xiàn)澆支架拆除后，仍有12排，每排6根，共72根φ1200×14鋼立柱直接支撐在箱梁底部。

圖2 邊跨保留支架布置圖

2）斜拉索扇面為不對稱布置，主梁受到中、邊跨索力差產(chǎn)生的向跨中的水平力。該水平力在合龍前由塔梁臨時約束承受，臨時約束由設(shè)置在索塔下橫梁頂、邊跨混凝土箱梁底的擋塊以及擋塊之間的HW400×400型鋼撐桿構(gòu)成，詳見圖3。通過計算分析可知，主梁水平力在剛解除臨時約束時為4765 kN，隨著向跨中位移量的增大（拉索角度變化）而減小。

圖3 塔梁臨時約束結(jié)構(gòu)

3）中跨合龍時間在2010年4月初，根據(jù)對黃石地區(qū)最近9年的氣象資料的分析，合龍時具備低于設(shè)計基準(zhǔn)溫度20℃的窗口條件。

4）由于中跨合龍段較短，僅4.6m，如果采取抬吊的方式，合龍口南、北兩側(cè)的橋面吊機存在沖突，因此合龍段只能采取由北側(cè)橋面吊機單邊起吊方式。

3.2 中跨合龍總體思路

圖4是分別采取溫度配切和加載兩種合龍方式對成橋線形及索塔塔偏的影響。從圖中可以看出，采取加載合龍時的主梁線形及塔偏均優(yōu)于溫度配切合龍，這是因為加載合龍通過合龍口寬度的調(diào)整，部分抵消了合龍溫度的影響，合龍后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與設(shè)計基準(zhǔn)溫度時接近。

圖4 兩種合龍方式對成橋的影響

大跨徑斜拉橋合龍方案的選擇與其施工監(jiān)控理論密不可分。鄂東大橋是一座主跨千米級的混合主梁斜拉橋，具有剛度小、非線性效應(yīng)明顯、結(jié)構(gòu)受溫度與風(fēng)振影響顯著等特點，采用傳統(tǒng)的“索力、標(biāo)高控制法”已遠不能滿足精度要求，上部結(jié)構(gòu)采用幾何法進行施工控制。通過計算分析和綜合比較，中跨采取加載（頂推）合龍與監(jiān)控理論一致，能較好地保證成橋線形和應(yīng)力。

但即使采取加載合龍方案，對于鄂東大橋而言，也受到合龍溫度限制，原因在于如果合龍溫度超過設(shè)計基準(zhǔn)溫度20℃，需要將主梁向邊跨側(cè)頂推時，必須同時克服中、邊跨不平衡索力差以及邊跨支座摩阻力，這樣頂推力將達10000 kN以上，在混凝土箱梁上設(shè)計大噸位頂推力施加的臨時結(jié)構(gòu)較困難，結(jié)構(gòu)安全和施工安全不易保證。

綜上所述，確定鄂東大橋中跨合龍總體思路：合龍段按設(shè)計尺寸制造；利用低于20℃的溫度窗口將合龍段起吊嵌入合龍口，先完成北側(cè)環(huán)縫的匹配；然后同步解除塔梁臨時約束，施加向跨中的頂推力，使主梁在頂推力以及中、邊跨不平衡索力差產(chǎn)生的水平力的作用下向合龍口移動，使南側(cè)環(huán)縫閉合并滿足匹配條件；最后利用夜間溫度較穩(wěn)時段進行兩條環(huán)縫的焊接，完成合龍?？紤]到邊跨保留鋼立柱對頂推合龍會產(chǎn)生不利影響，合龍前需拆除。

3.3 頂推力計算

3.3.1 合龍溫度

通過統(tǒng)計和分析黃石地區(qū)2007—2009年4月初每日溫度資料，確定合龍溫度為13.5℃。

3.3.2 頂推位移量

表1為不考慮主梁施工誤差及截面溫差造成的縫寬差異時，各種溫度條件下主梁單側(cè)需向跨中頂推的位移量，合龍溫度為13.5℃時，位移量為36mm。

表1 頂推位移量計算

3.3.3 頂推力計算

根據(jù)前面所述的合龍思路，中邊跨不平衡索力差產(chǎn)生的水平力對頂推合龍是有利的，邊跨混凝土箱梁的支座摩阻力是阻止主梁向跨中移動的，故有：

頂推力＝邊跨支座摩阻力－中邊跨不平衡索力差產(chǎn)生的水平力

其中：不平衡索力差產(chǎn)生的水平力是一個變化值，在解除塔梁臨時約束時為4765 kN，隨著向跨中位移量的增大而減小，當(dāng)單側(cè)位移量達到36mm時，水平力減小至3072 kN。

邊跨球形鋼支座的摩擦系數(shù)通過試驗獲得，如表2。根據(jù)摩擦系數(shù)和各墩支反力計算得邊跨支座最大靜摩阻力為6347 kN。

由此計算得：頂推力=（6347-4765）～（6347-3072）=1582～3275 kN。即啟動頂推力為1582 kN，頂推到位時的最大頂推力為3275 kN。

值得注意的是，邊跨支座摩阻力是按“初始靜摩擦系數(shù)”計算而得的最大靜摩阻力，而摩擦系數(shù)有一定的離散性（如表2），如果取數(shù)值較小的“動摩擦系數(shù)”，則邊跨支座摩阻力＜中邊跨不平衡索力，即解除塔梁臨時約束后，不施加頂推力，主梁就會向跨中移動，因此在跨中側(cè)擋塊處必須采取適當(dāng)限位措施，防止主梁突然前沖。

表2 邊跨支座摩擦系數(shù)試驗

4 中跨合龍施工及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 中跨合龍施工過程

步驟一：調(diào)整J27～J29拉索至合龍索長（調(diào)整合龍口線形所需的索長），J30拉索在二張時直接張拉至合龍索長；卸除邊跨混凝土箱梁保留鋼管支撐；在南北兩側(cè)A30梁端施加等代壓重。

步驟二：南側(cè)橋面吊機在吊裝A30鋼箱梁的位置保持不動；北側(cè)橋面吊機更換合龍段吊裝吊具，前行至吊裝合龍段位置。

步驟三：對合龍口進行48 h連續(xù)觀測；微調(diào)合龍口，完成合龍口橫橋向和豎向的鎖定（順橋向放松）。

步驟四：合龍梁段根據(jù)觀測結(jié)果換算成設(shè)計基準(zhǔn)溫度下的合龍口寬度進行精加工，運輸至橋位；卸除北側(cè)A30梁端等代壓重；起吊合龍段進入合龍口，與北側(cè)A30梁段匹配。

步驟五：解除塔梁臨時約束，合龍口兩側(cè)主梁向跨中移位；合龍段與南側(cè)A30梁段匹配；鎖定合龍口縱橋向。

步驟六：合龍段兩條環(huán)縫同時施焊，橋面吊機松吊，焊接設(shè)備和檢查小車回退至塔梁根部；移除南側(cè)A30梁端等代壓重，恢復(fù)J27～J30拉索至設(shè)計二張索長。

中跨合龍段于2010年4月6日14∶20開始起吊，16∶05起吊到位，17∶15解除塔梁臨時約束，19∶10完成合龍段匹配并開始縱向鎖定，整個過程歷時5 h，十分順利，并于7日8∶00完成合龍段環(huán)縫的焊接。施工過程見圖5。

圖5 中跨合龍施工過程

4.2 中跨合龍關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 合龍口形態(tài)調(diào)整及監(jiān)測

合龍口形態(tài)（高差及頂?shù)卓趯挾炔睿┎捎谜{(diào)整中跨最后4對拉索索力及局部施加配重實現(xiàn)，這是基于鄂東大橋施工監(jiān)控采用無應(yīng)力控制法，施工期的索力增量及臨時荷載的變化，理論上對大橋成橋后無影響。在合龍完成后卸除局部配重并恢復(fù)拉索至設(shè)計二張索長。

合龍口監(jiān)測目的：確定累積梁長及合龍口形態(tài)與溫度變化的關(guān)系。

監(jiān)測內(nèi)容：合龍口寬度以及主梁懸臂前端7個梁段的相對高程，同時測量大氣溫度、鋼箱梁內(nèi)表溫度和索溫、塔溫。

監(jiān)測頻率：每2 h測量1次，在日出前后2 h和日落前后2h每60min測量1次，連續(xù)觀測48h。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算在設(shè)計基準(zhǔn)溫度20℃時的合龍口寬度，以此寬度確定合龍段的下料長度。

4.2.2 合龍口鎖定

合龍口的鎖定裝置為設(shè)在兩側(cè)A30梁段上的勁性骨架，由4根2[40與HW150組成型鋼桁架結(jié)構(gòu)，具有良好的豎向及橫向抗彎剛度，能夠保證在頂推完畢后主梁的軸線偏位、合龍口形狀基本保持初步調(diào)整后的狀態(tài)。勁性骨架分為兩段加工，其中固定段焊接在北側(cè)A30箱梁錨腹板上，伸縮段附著在南側(cè)A30箱梁錨腹板上，隨A30梁段一起運至現(xiàn)場、整體吊裝。合龍口形態(tài)調(diào)整完后，鎖定勁性骨架的橫橋向、豎向自由度；頂推到位并完成合龍段匹配后，鎖定勁性骨架的順橋向自由度，以保證合龍段環(huán)縫焊接不受溫差的影響，見圖6。

圖6 合龍口勁性骨架及鎖定

4.2.3 塔梁臨時約束解除

塔梁臨時約束解除是實現(xiàn)加載合龍的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，南、北岸塔梁約束應(yīng)同步解除，見圖7。

圖7 塔梁臨時約束解除

第一步：中、邊跨的不平衡索力使得邊跨側(cè)的型鋼撐桿已與擋塊脫開，可先行拆除；

第二步：在跨中限位擋塊之間安裝4臺200 t千斤頂，每道擋塊布置2臺，同時在千斤頂兩側(cè)設(shè)置限位器，以防止千斤頂失效、主梁突然前沖，限位器一端與擋塊之間放置4～5塊20mm鋼板；

第三步：同步頂撐千斤頂，拆除跨中側(cè)的型鋼撐桿，將不平衡索力轉(zhuǎn)換由千斤頂承受；

第四步：同步緩慢回縮千斤頂，同時抽取限位器鋼板，使限位器與擋塊之間始終有5mm左右空隙。在合龍口監(jiān)測主梁位移量，直至合龍縫閉合并滿足匹配要求，最后鎖定千斤頂。

事實證明，解除塔梁臨時約束后，千斤頂縮缸，主梁就開始向跨中移動，整個合龍過程沒有再額外施加頂推力，這說明在頂推力計算時“邊跨支座摩阻力”取值偏于保守，在跨中側(cè)擋塊之間設(shè)置限位措施防止主梁突然前沖是很有必要的。

5 結(jié)語

混合梁斜拉橋以其獨特的構(gòu)造和技術(shù)特點，滿足了大跨度、建設(shè)條件及經(jīng)濟性的要求，在千米級乃至更大跨度斜拉橋方案中具有獨特的競爭優(yōu)勢。因此，開展混合梁斜拉橋建造技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實意義。

斜拉橋合龍應(yīng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)特點、力學(xué)特性、預(yù)計合龍時間以及工藝實施的風(fēng)險等諸多因素，在理論分析的基礎(chǔ)上制定切實可行的方案。鄂東大橋邊跨混凝土梁存在支座摩阻力，且中、邊跨索力不平衡在主梁上產(chǎn)生指向跨中的水平力，從而使合龍口兩側(cè)主梁向邊跨側(cè)頂推較難實施。鑒于此，制定了在低于設(shè)計基準(zhǔn)溫度時將合龍段嵌入合龍口、利用不平衡索力使合龍口閉合的合龍方案，避免了施加較大頂推力的施工風(fēng)險，實現(xiàn)了幾何合龍，滿足無應(yīng)力施工控制方法的要求，對同類型橋梁具有借鑒指導(dǎo)意義。

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