公鐵兩用的閔浦大橋中跨橋面施工關(guān)鍵技術(shù)

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

閔浦大橋是上海S32申嘉湖（A12）高速跨越黃浦江段工程，主橋為雙塔雙索面雙層斜拉橋，主跨跨徑708 m，鋼梁采用N型桁架結(jié)構(gòu)。其中，中跨鋼結(jié)構(gòu)橋面梁全長約682 m，總質(zhì)量約23 000 t，為正交異性結(jié)合鋼桁梁。

閔浦大橋中跨鋼結(jié)構(gòu)橋面梁上下橋面高差9 m，上橋面總寬43.6 m，下橋面寬28 m，主桁橫向間距為27 m，邊弦桿距離主桁為7.25 m，斜拉索錨固在邊弦桿上。整個中跨鋼梁由45 根間距為15.1 m的主橫梁分成46 個節(jié)間，由44 對斜拉索錨固在對應(yīng)主橫梁與邊弦桿形成的結(jié)點(diǎn)上。

2 總體技術(shù)路線確定

閔浦大橋中跨橋面鋼桁梁節(jié)段構(gòu)件尺寸大，故委托具備大型碼頭、可直接下水的專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠加工制作，并在工廠預(yù)拼裝，經(jīng)驗收合格后，由水路運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，進(jìn)行現(xiàn)場節(jié)段吊裝并懸臂拼裝。

考慮到安裝流程及安裝方法，中跨主梁共分為45 個節(jié)段，東西對稱。其中MB1節(jié)段為邊、中跨結(jié)合段，長度11.9 m；HL為合龍段，長度23.2 m；MB2～MB22為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，長度均為15.1 m。每個節(jié)段均包含1 個主橫梁大結(jié)點(diǎn)，為保證節(jié)段的整體性，在另一端設(shè)置臨時桿件。同時，為確保節(jié)段吊裝時進(jìn)檔順利，節(jié)段分段上橋面的前端比下橋面的前端長約1.64 m?，F(xiàn)場安裝采用專用橋面吊機(jī)整體節(jié)段吊裝工藝，所有節(jié)段均采用全焊接方式連接。

中跨鋼桁梁的安裝因受現(xiàn)場地形及水文條件的影響，部分鋼桁梁不能直接運(yùn)到吊裝位置。浦東主塔西側(cè)防汛墻堤外有較長的河漫灘，水深淺且易回淤，因此在浦東主塔西側(cè)修建一組長約86 m的滑道，將船舶運(yùn)抵的鋼桁梁（MB1～MB6）通過大型浮吊轉(zhuǎn)移到滑道臺車上，滑移至近塔處的吊裝位置，然后再使用橋面吊機(jī)吊裝。浦西側(cè)主塔東北角最近處距離防汛墻凈距25 m左右，且在距防汛墻外側(cè)8 m處有一寬約9 m的廢棄碼頭，同樣需要在浦西主塔東側(cè)修建一組主跨鋼桁梁臨時擱置點(diǎn)，將船舶運(yùn)抵的鋼桁梁（MB1～MB4），通過大型浮吊轉(zhuǎn)移到臨時擱置點(diǎn)上，然后再使用橋面吊機(jī)吊裝。

其余節(jié)段，由運(yùn)輸船將鋼桁梁直接運(yùn)輸?shù)綐蛎娴鯔C(jī)投影面下，拋錨定位后由橋面吊機(jī)直接起吊。由于合龍段吊點(diǎn)間距達(dá)20.17 m，不適用于橋面吊機(jī)前后兩吊具間距，同時為保證吊裝時結(jié)構(gòu)受力的對稱性，中跨合龍段采用浦東、浦西4 臺橋面吊機(jī)抬吊吊裝，每臺吊機(jī)只用1 套提升系統(tǒng)，吊裝合龍段之前需對橋面吊機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場改造。

梁段安裝的同時進(jìn)行斜拉索安裝及張拉。為安裝鋼錨梁和斜拉索，在浦東浦西主塔4 個塔柱頂部設(shè)置提升門架和卷揚(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)。為長重斜拉索上岸用，在已安裝桁架梁底部設(shè)置提升系統(tǒng)；為斜拉索上橋面用，因此，分別在兩側(cè)上層橋面近塔側(cè)各配置1 套500 kN履帶吊。

3 中跨橋面安裝施工關(guān)鍵技術(shù)[1-8]

3.1 中跨梁段的制作、拼裝和運(yùn)輸

中跨桁架梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中跨鋼桁組合梁三維示意

中跨雙層鋼桁梁空間結(jié)構(gòu)尺寸大，鋼桁梁的制作精度變形控制和安裝精度控制是關(guān)鍵控制點(diǎn)。為控制制造精度，在專業(yè)橋梁鋼結(jié)構(gòu)工廠制造時即采取了大量的針對性措施。制作分單元件制作、弦桿預(yù)拼、組合單元件制作、節(jié)段整體組裝預(yù)拼4 個階段進(jìn)行，在制作中采取了變形控制及余量補(bǔ)償措施；為確保精度，鋼桁梁節(jié)段組裝及預(yù)拼在總裝胎架上完成，總裝匹配采取“5+1”模式（圖2）。

梁段制作完成并經(jīng)廠內(nèi)總體預(yù)拼后放置在存梁區(qū)，需要時提前2～3 d滾裝上船至自航式梁段專用運(yùn)輸船并運(yùn)輸至作業(yè)現(xiàn)場水域；在長江及黃浦江航行時由海事局進(jìn)行護(hù)航。整個運(yùn)輸期間，加強(qiáng)與沿途各港航管部門的聯(lián)系，堅決服從水上航行管理，確保運(yùn)輸船及節(jié)段的安全。節(jié)段運(yùn)達(dá)工地后，如因故不能及時起吊，應(yīng)在港監(jiān)部門指定的錨地或碼頭拋錨待命（圖3）。

圖2 中跨鋼桁梁工廠整體預(yù)拼

圖3 中跨鋼桁梁水上運(yùn)輸

3.2 橋面吊機(jī)設(shè)計、制造及安裝

鑒于中跨鋼桁架橋面特點(diǎn)，閔浦大橋中跨的橋面吊機(jī)采用分離式低重心液壓千斤頂提升的結(jié)構(gòu)和起重形式，與主桁架對應(yīng)布置。浦東浦西方向各設(shè)置2 臺橋面吊機(jī)，每臺額定起重量400 t，采用2 臺2 300 kN穿芯式液壓千斤頂；吊機(jī)提升速度約16～20 m/h。吊機(jī)采用步履式裝置，可以在橋面上前后行走。

橋面吊機(jī)主承載結(jié)構(gòu)采用桁架式，前支點(diǎn)支于橋面桁架梁上橫梁與主弦桿結(jié)點(diǎn)處，后錨點(diǎn)與橋面吊耳綜合考慮。由于雙層桁架橋下橋面較寬，主桁橫向間距大，因此，提升設(shè)備采用上下游分離式；為解決橫向穩(wěn)定問題，考慮采用低重心的形式；為進(jìn)一步減少設(shè)備結(jié)構(gòu)用鋼量，主要承重結(jié)構(gòu)采用塔索梁結(jié)合體系，主梁采用全焊接桁架形式，鋼塔采用格構(gòu)式，頂部設(shè)置鋼錨梁，利用平行鋼絲成品索斜拉至鋼塔上，整個結(jié)構(gòu)呈三角形?？紤]到盡量減小前支點(diǎn)以及后錨點(diǎn)的受力，后錨點(diǎn)錨固位置考慮1.5節(jié)間，使用節(jié)段吊裝吊點(diǎn)進(jìn)行錨固。

橋面吊機(jī)動力裝置及其控制系統(tǒng)主要包括主提升系統(tǒng)、縱移系統(tǒng)、泵站供油系統(tǒng)、計算機(jī)控制及操作系統(tǒng)等一整套滿足吊裝工況的設(shè)備及裝置。主提升系統(tǒng)與縱移系統(tǒng)結(jié)合成一個整體，主提升系統(tǒng)由4 臺額定荷載2 300 kN的千斤頂及其掛架、提升鋼絞線、吊具和索盤導(dǎo)索架組成；縱移系統(tǒng)由滑道、縱移小車、連桿和縱移千斤頂組成。節(jié)段吊裝時，由主提升系統(tǒng)將節(jié)段提升到位，再由縱移系統(tǒng)推動提升系統(tǒng)，同時將節(jié)段精確就位（圖4、圖5）。

圖4 橋面吊機(jī)結(jié)構(gòu)

圖5 提升與縱移系統(tǒng)

為使整個橋面吊機(jī)形成一套完整的設(shè)備，設(shè)置步履式行走系統(tǒng)；同時，添加完善的操作平臺及通道系統(tǒng)和操作控制室以方便操作人員工作。

橋面吊機(jī)在工廠分段制作，除表面涂裝要求按2 年考慮外，其余制造標(biāo)準(zhǔn)同永久鋼結(jié)構(gòu)；經(jīng)1.25 倍靜載試驗合格后運(yùn)輸至現(xiàn)場，利用塔吊及橋面汽車吊進(jìn)行現(xiàn)場拼裝。

3.3 浮吊和橋面吊結(jié)合吊裝

需要用到浮吊吊裝的最重構(gòu)件質(zhì)量約540 t，考慮到吊具等輔助設(shè)施，選擇采用6 000 kN雙吊鉤浮吊來進(jìn)行，不能直接用橋面吊機(jī)吊裝梁段的吊裝轉(zhuǎn)移。為保證吊裝安全和梁段吊點(diǎn)部分只受豎向力，通過扁擔(dān)梁吊架來吊裝。扁擔(dān)梁吊架由鋼管組成格構(gòu)柱，上吊點(diǎn)布置剛性吊耳，采用4 根Φ75 mm的鋼絲繩同浮吊鉤子相連；下吊點(diǎn)布置類似萬向鉸的結(jié)構(gòu)，兩個方向均可自由轉(zhuǎn)動，鉸下布置柔性鋼絲繩同橋面上吊點(diǎn)相連，由于鋼絲繩延性較大，確保了各吊點(diǎn)受力均勻，同時也便于吊索具拆裝。

浮吊作業(yè)時，利用錨位卷楊機(jī)定位，使浮吊頂于碼頭方向。先吊碼頭上的吊架，然后調(diào)整浮吊的船位，使浮吊船首和碼頭留有100 m的開檔，并根據(jù)水流的流向先松下水頭的錨纜，讓箱梁船進(jìn)檔，使之頂于船頭。運(yùn)梁船進(jìn)檔后如有余地即可拋下船尾上水錨，通過船上卷揚(yáng)機(jī)控制船位。梁船后纜帶于浮吊的船首，梁船的前纜帶于碼頭。

梁船進(jìn)檔定位結(jié)束后，由浮吊調(diào)整吊點(diǎn)位置吊梁。當(dāng)浮吊把箱梁起到無礙運(yùn)梁船進(jìn)出檔的高度后，浮吊擋開下水錨纜讓運(yùn)梁船出檔，然后浮吊再調(diào)整船位錨纜，至碼頭或棧橋位置后將梁段平穩(wěn)放下（圖6、圖7）。

圖6 浮吊吊裝

圖7 橋面吊機(jī)直接吊裝

3.4 結(jié)合段安裝

MB1段使用橋面吊機(jī)吊裝就位后，與邊跨鋼桁梁進(jìn)行焊接。然后在結(jié)合段鋼桁梁下搭設(shè)支架，澆筑混凝土并進(jìn)行縱向預(yù)應(yīng)力張拉，將結(jié)合段鋼梁與邊跨橋面結(jié)構(gòu)連成整體。

3.5 浦西MB4節(jié)段空中接力吊裝

浦西MB4梁段因所處位置尷尬，梁段有部分已超出廢棄碼頭而無法直接擱置，且運(yùn)梁船也無法靠近到橋面吊機(jī)投影位置；若在碼頭外打樁作為排架又影響航道，所以只得采用空中換手吊裝工藝，即梁段先由浮吊起拎后移至橋面吊機(jī)投影位置，橋面吊機(jī)同時下吊鉤的相連；其后橋面吊機(jī)逐漸加載，浮吊被動卸載，直至浮吊上荷載為零，浮吊松鉤；采用高低吊的辦法將吊架移出，完成空中換手，轉(zhuǎn)由橋面吊機(jī)提升就位（圖8）。整個過程沒用到支架，施工方便、轉(zhuǎn)換平穩(wěn)又降低了成本。實(shí)踐證明該方法在水流流速較小、風(fēng)速較小的情況下還是行之有效的，但考慮到風(fēng)險系數(shù)較高，應(yīng)盡量慎用。

圖8 浦西MB4節(jié)段空中接力吊裝

3.6 橋面吊機(jī)水上直接吊裝

從浦西MB5、浦東MB7節(jié)段起，水深已滿足運(yùn)梁船吃水深度要求，可直接拋錨定位在橋面投影線位置，然后由橋面吊機(jī)直接吊裝就位。

3.7 梁段現(xiàn)場焊接技術(shù)

中跨梁段連接采用懸臂拼裝全焊接的施工工藝，現(xiàn)場焊接主要為梁段之間的連接，包括上下弦桿、邊弦桿、斜腹桿、中縱梁、U肋、橋面板的連接。梁段接口對接匹配時，先匹配剛度大的六大弦桿，后再匹配橋面。焊接順序總的原則為：先下后上、由內(nèi)向外、對稱施焊。為確保焊接質(zhì)量，事先應(yīng)模擬現(xiàn)場工況，按規(guī)范制作各類焊接試件并進(jìn)行各項焊接工藝評定，根據(jù)評定結(jié)果，現(xiàn)場采取相應(yīng)防風(fēng)防雨措施。

中跨弦桿桿件板厚較大，焊接前需要預(yù)加一定的焊接收縮補(bǔ)償量。不同桿件和不同焊接形式應(yīng)分別進(jìn)行試制，通過試制找出焊接收縮量。為控制焊接變形，除增加焊接收縮補(bǔ)償量以外，還應(yīng)控制裝配間隙，并可適當(dāng)采取反變形措施。在生產(chǎn)中應(yīng)采用線能量較小的焊接方法，同時加強(qiáng)現(xiàn)場對電流、電壓等工藝參數(shù)的控制，根據(jù)現(xiàn)場溫度視需要采取電加熱措施，防止氫對焊縫的影響，確保焊接質(zhì)量。根據(jù)板厚情況，結(jié)合規(guī)范和設(shè)計要求，不同部位選擇相應(yīng)的坡口形式。現(xiàn)場應(yīng)布置足夠數(shù)量的碼板，沿環(huán)縫均勻布置，約每40 cm布置1 道，弦桿部位適當(dāng)加密。

3.8 合龍段安裝

中跨合龍段結(jié)構(gòu)主要由桁架系統(tǒng)及橋面系統(tǒng)2 部分組成。合龍段上層橋面長度為23.220 m+2Δm，下層橋面長度為26.502 m+2Δ m，其中2Δ為長度預(yù)留量。包括臨時桿件，整個合龍段質(zhì)量約740 t。通過對幾種施工方案的對比，結(jié)合質(zhì)量、工期、風(fēng)險、現(xiàn)場條件等因素考慮，本工程最終采用整體焊接的施工方法，利用溫度自然降溫合龍。

3.8.1 合龍段的切割及端口處理

為了降低合龍段現(xiàn)場吊裝的難度，同時為了合龍段與相鄰梁段的接口匹配，保證后續(xù)梁段線型和焊接質(zhì)量，將MB22和MB22'梁段的上、下和邊弦桿與合龍段相接的端頭切成斜口，斜口按1∶10坡度設(shè)置，梁段上下橋面的縱梁腹也切成斜口，U肋設(shè)置嵌補(bǔ)。端口處理在預(yù)拼裝之前完成。

3.8.2 合龍段長度確定

合龍段安裝前，進(jìn)行鋼梁的連日溫度、變形及索力觀測，根據(jù)歷史氣象資料及實(shí)測結(jié)果，選擇溫差變化相對較小、恒溫時間持續(xù)較長的溫度作為合龍溫度。在正式確定合龍長度前，需進(jìn)行48 h情況測量，求得溫度、風(fēng)、索力等因素與間距之間的準(zhǔn)確變化關(guān)系并計算得出合龍段最終長度，然后下達(dá)指令到工廠對合龍段預(yù)留量進(jìn)行精確切割。

3.8.3 臨時鎖定裝置

根據(jù)合龍段的施工工況，所需要采用的臨時鎖定裝置必須承受鋼結(jié)構(gòu)由于因熱脹冷縮所引起的應(yīng)力，包括拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，同時鎖定裝置還應(yīng)作為橫向及豎向限位裝置，在焊接過程中固定節(jié)段。

3.8.4 整體吊裝

合龍段加上輔助結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約740 t，采用4 臺橋面吊機(jī)同步提升，提升高度約40 m，提升速度約15 m/h，持續(xù)約3 h。合龍段提升至離就位位置約0.5 m時，停止提升，鎖定橋面吊機(jī)。當(dāng)氣溫達(dá)到合適溫度點(diǎn)（22：00左右），兩邊梁段均有空隙時，將節(jié)段提升就位（圖9）。隨著氣溫的緩慢下降，合龍段同MB22（MB22'）節(jié)段的間隙慢慢擴(kuò)大，當(dāng)間隙到達(dá)焊縫要求寬度時，安裝臨時鎖定裝置，焊接人員安裝碼板，準(zhǔn)備進(jìn)行焊接施工。同時，浦東浦西兩邊主塔處約束裝置解除。

圖9 合龍段吊裝

3.8.5 合龍段焊接

完成合龍段臨時鎖定后，首先焊接上、下、邊6 大弦桿，同步進(jìn)行上下橋面縱梁和橋面焊接，形成橋梁縱向傳受力的主要骨架，之后按照橋位焊接工藝規(guī)程對合龍段的其他部位依次進(jìn)行焊接。

3.9 斜拉索安裝

閔浦大橋斜拉索采用高強(qiáng)度低松弛平行鋼絲外擠高密度聚乙烯形式，全橋共8×22對，1#～7#斜拉索直接錨固于主塔上，上橫梁以上的8#～22#斜拉索錨固區(qū)采用錨固鋼橫梁結(jié)構(gòu)，斜拉索在主塔內(nèi)張拉、錨固。最大索長約366.4 m，最大索質(zhì)量約50 t。

3.9.1 索的架設(shè)

斜拉索張拉施工主要包括運(yùn)輸、索上橋面、展索、掛設(shè)、張拉、索力檢測、調(diào)整以及減振裝置安裝等工序。根據(jù)斜拉索的質(zhì)量、錨固牽引力的大小以及張拉施工空間要求，1～8#、9～22#索分別采用不同的方法進(jìn)行施工（圖10、圖11）。

圖10 掛索施工

圖11 橋面梁段入錨

斜拉索以索盤形式運(yùn)輸，采用履帶吊吊到橋面臥式放索機(jī)上，用卷揚(yáng)機(jī)牽引斜拉索固定端沿著橋梁中軸線背向主塔方向展開，采用豎向牽引卷揚(yáng)機(jī)提升至斜拉索塔端部，然后配合塔頂豎向卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行塔端掛設(shè)；利用橋面卷揚(yáng)機(jī)、梁端手扳葫蘆以及橋面汽車吊互相配合牽引梁端錨頭進(jìn)入索套管錨固，接著在塔端用千斤頂、軟硬組合牽引塔端錨頭入索套管錨固，最后在塔端進(jìn)行張拉及調(diào)索。9～22#斜拉索張拉牽引因受到主塔空間結(jié)構(gòu)的影響，張拉牽引難度增加，故加工了特殊的短張拉桿，確保了交替張拉的空間。

3.9.2 斜拉索張拉

斜拉索統(tǒng)一采取塔端張拉。張拉過程中索塔順橋向兩側(cè)的拉索和橫橋向?qū)ΨQ的拉索須對稱同步張拉，索力中值誤差小于±2%。按照本項目斜拉索的設(shè)計索力，并考慮滿足同索號斜拉索同步張拉的要求，以最大設(shè)計索力的120%配備了10 臺12 000 kN的千斤頂用于Φ313 mm以上規(guī)格的斜拉索張拉。日照和環(huán)境溫度對斜拉橋的塔、梁、索影響較大，張拉和索力調(diào)整要避免在溫度變化較大的時段進(jìn)行。張拉時的橋面要求無動載，附加荷載則應(yīng)盡可能與設(shè)計計算條件相一致。

3.10 工程測量

中跨節(jié)段為雙層全鋼結(jié)構(gòu)，接縫采用全焊接，截面尺寸大，結(jié)構(gòu)橫向剛度差，測量控制難度大。測量主要內(nèi)容包括：平面位置控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)、 軸線控制、高程控制、主塔位移觀測、沉降觀測。

4 結(jié)語

閔浦大橋中跨橋面施工采取了大量的創(chuàng)新工藝，從吊裝標(biāo)準(zhǔn)段至完成合龍段初步焊接，前后不到6 個月，完成了近22 000 t鋼桁架橋面鋼梁的安裝以及176 根重約4 000 t斜拉索的安裝。取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，也開創(chuàng)了大跨度雙層公路斜拉橋施工的新方法，對類似工程具有一定的指導(dǎo)意義。