沌口長江公路大橋主橋鋼箱梁架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

羅航 ，鄭建新

1　工程概況

沌口長江公路大橋是武漢市四環(huán)線的重要組成部分和跨越長江的關(guān)鍵性控制工程之一。跨江主橋為雙塔雙索面半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置（100+275+760+275+100）m。索塔為鉆石形結(jié)構(gòu)，塔高233.7 m。主梁為PK斷面鋼箱梁，含風(fēng)嘴頂板全寬46 m，不含風(fēng)嘴頂板寬43.2 m，中心線處梁高4 m，共127個節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12 m，標(biāo)準(zhǔn)橫梁間距3.0 m，采用1 860 MPa平行鋼絲斜拉索。橋型布置如圖1所示。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示[1]。

2　鋼箱梁架設(shè)總體施工方案

2.1　總體施工工藝

鋼箱梁安裝分8個類別：塔區(qū)支架上0—2號梁段、臨時墩頂梁段、輔助墩支架上梁段、過渡墩支架上梁段、過渡墩和輔助墩之間的支架上的存梁段、標(biāo)準(zhǔn)梁段。

圖1　沌口大橋主橋橋型布置圖(m)Fig.1　Overall layout of Zhuankou main bridg(m)

圖2　主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（cm）Fig.2　Standard cross section of the main beam(cm)

1）臨時擱置在支架上的梁段（輔、過渡墩之間支架梁段和墩頂梁段、塔區(qū)支架上0—2號梁段及臨時墩頂梁段）均采用大型起重船臨時吊裝在支架上存放。

2）除塔區(qū)支架上0—2號梁段、墩頂梁段在支架上調(diào)位安裝外，其余梁段均采用橋面吊機懸臂拼裝。

3）中跨采用頂推輔助合龍方案。

2.2　施工特點

1）上部結(jié)構(gòu)鋼箱梁除塔區(qū)及墩頂節(jié)段采用支架施工外，其余采用全懸臂吊裝，懸臂長，影響線形及內(nèi)力控制的因素較多。

2）鋼箱梁吊裝施工及安裝精度控制難度大。

3）中跨采取頂推輔助合龍施工，需精心組織。

4）結(jié)構(gòu)跨度大，幾何非線性效應(yīng)明顯。

3　鋼箱梁架設(shè)施工關(guān)鍵技術(shù)

對結(jié)構(gòu)的施工過程、構(gòu)件制造、匹配、張拉措施等進(jìn)行全面分析，以實現(xiàn)控制的目標(biāo)狀態(tài)。

3.1　塔梁臨時約束體系設(shè)置

沌口大橋跨江主橋施工過程中，為便于對懸臂拼裝狀態(tài)的梁體進(jìn)行約束，以及基于中跨合龍的考慮，在塔梁間分別設(shè)置了縱向、橫向、豎向臨時約束。

通過有限元分析，施工過程塔梁臨時鉸接豎向最大壓力為10 951 kN，最大拉力912 kN；施工過程縱向最大不平衡力4 079 kN，縱向同時考慮中跨合龍時頂推的需要，最大不平衡力5 740 kN；橫向最大受力3 092 kN。

縱向約束布置在阻尼器安裝的位置，北塔邊跨縱向約束兼顧作為后續(xù)的頂推合龍輔助措施。北塔縱向約束結(jié)構(gòu)由鋼箱梁阻尼縱向約束底座、縱向約束支撐桿、撐腳、牛腿等部分組成。鋼箱梁阻尼縱向約束底座用于阻尼器安裝，為永久性結(jié)構(gòu)，各項受力性能均滿足塔梁縱向約束要求?？v向約束支撐桿采用φ426 mm×16 mm無縫鋼管，撐腳及牛腿為鋼板焊接件。根據(jù)有限元分析，在縱向力作用下，撐桿最大應(yīng)力為146.1 MPa，撐桿連接件耳板最大應(yīng)力為96.2 MPa，強度滿足要求。彎矩作用平面內(nèi)撐桿應(yīng)力為164.9 MPa，穩(wěn)定性滿足要求。在縱向應(yīng)力作用下，撐腳的最大應(yīng)力為62.9 MPa，牛腿的最大應(yīng)力為114.2 MPa，強度滿足要求。焊縫最大應(yīng)力83.4 MPa?？v向約束和頂推結(jié)構(gòu)滿足施工過程及中跨頂推輔助合龍施工需求。

橫向約束由橫向抗風(fēng)支座提供，橫向抗風(fēng)支座的設(shè)計水平力為8 000 kN，并在塔柱與鋼箱梁塔區(qū)梁段邊腹板間單側(cè)設(shè)置4個φ800 mm×8 mm鋼管限位。

索塔處豎向支座設(shè)計為球形支座，單個支座設(shè)計豎向力12 500 kN，考慮豎向支座的承載力及施工便利性，施工過程中塔梁臨時鉸接豎向壓力由永久支座承擔(dān)。為克服施工過程中塔梁處豎向拉力，在下橫梁與0號鋼箱梁間設(shè)置12根直徑36 mm的精軋螺紋鋼，單根精軋螺紋鋼張拉力為150 kN，理論上共可提供1 800 kN的預(yù)緊力，能夠滿足平衡上拔力及安全儲備的需要。同時在支座兩側(cè)布置8個臨時支墩作為保險措施。

塔梁臨時約束總體布置如圖3所示。

圖3　塔梁臨時鉸接總體布置圖Fig.3　Overall layout of tower-beam temporary hinge

3.2　塔區(qū)鋼箱梁架設(shè)技術(shù)

塔區(qū)梁段共計5榀鋼箱梁。岸側(cè)S01及主塔處T00梁段采用起重船（起重船采用蘇航工868，最大起重量800 t）吊裝在岸側(cè)存梁支架后，滑移至目標(biāo)位置，S02梁段直接采用浮吊存放至目標(biāo)位置；江側(cè)M01、M02梁段受施工塔吊的影響，先采用起重船存放于支架上，待主塔鋼錨梁安裝完成且拆除江側(cè)施工塔吊，將梁段滑移至目標(biāo)位置。T00梁段重388.9 t，滑移摩擦力為388.9 kN，滑移距離12 m，采用60 t千斤頂及φ32 mm精軋螺紋鋼進(jìn)行牽引施工。

圖4　塔區(qū)梁段支架布置圖Fig.4　Layout of beam section support in tower area

0號塊梁段存梁支架主要由鋼管樁（立柱）、平聯(lián)、斜撐、主橫梁、軌道梁、附墻等部分組成。鋼立柱采用φ1 000×10的鋼管，平聯(lián)為φ600×8，斜撐采用2[25a，立柱上設(shè)3HM700×300主橫梁，主橫梁上根據(jù)坡度設(shè)墊塊，墊塊上擱置2HN900×300軌道梁，軌道梁上設(shè)臨時滑道。塔區(qū)梁段支架布置如圖4所示。

每個鋼箱梁節(jié)段在橫隔板底部布置4個存梁及滑移墊墩，在墊墩旁布置三向千斤頂，千斤頂用于鋼箱梁平面位置及高程的調(diào)整，調(diào)整完成后千斤頂卸壓，由墊墩承受鋼箱梁荷載。T00梁段調(diào)位完成后，在梁段兩側(cè)增加臨時墊墩，再安裝豎向精軋螺紋，用于固定梁段，再依次調(diào)節(jié)1號、2號梁段與T0梁段匹配，逐片焊接鋼箱梁。之后進(jìn)行縱向臨時約束、斜拉索牽引及張拉、吊機安裝及試驗作業(yè)。

3.3　懸臂鋼箱梁架設(shè)技術(shù)

懸臂鋼箱梁采用雙橋面吊機吊裝施工，全橋共需8臺橋面吊機。根據(jù)現(xiàn)場實際情況及現(xiàn)有橋面吊機資源，南北岸中跨及北岸邊跨采用225 t鋼絞線提升系統(tǒng)橋面吊機，南岸邊跨采用250 t卷揚機提升系統(tǒng)橋面吊機。橋面吊機主要由構(gòu)架、提升系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、調(diào)位系統(tǒng)、扁擔(dān)梁及工作平臺等組成。

鋼箱梁懸臂安裝控制的重點為梁段的匹配和斜拉索的張拉。

梁段起吊后，經(jīng)粗匹配、精匹配最終達(dá)到目標(biāo)安裝位置。匹配流程為：

1）用變幅橋面吊機縱向調(diào)位油缸推動提升到位箱梁節(jié)段至已安裝箱梁節(jié)段邊緣。

2）利用扁擔(dān)梁上的調(diào)平油缸調(diào)整吊裝鋼箱梁的縱坡與已安梁段相匹配。

3）用單臺橋面吊機升、降調(diào)整箱梁節(jié)段與已安裝箱梁節(jié)段橫向相匹配。

4）用卷揚機調(diào)整待安裝梁段標(biāo)高，使其與已安裝梁段連接端口位置處于同一標(biāo)高上。

5）用變幅機構(gòu)中縱向調(diào)位油缸推動提升到位箱梁節(jié)段至與已安裝好箱梁節(jié)段止頂板相接觸[2]。

6）溫度穩(wěn)定時進(jìn)行懸臂前端3個梁段控制點的相對平面位置及高程局部測量。

7）調(diào)整匹配梁段上、下游控制點相對高差及軸線。

8）復(fù)測懸臂前端局部線形與軸線，滿足精度控制要求后，焊接固定止頂板處交叉限位板，擰緊匹配件螺栓，鎖定吊機。

9）腹板和頂板局部殘余高差用馬板配合千斤頂調(diào)整。

梁段焊接完成后即進(jìn)行斜拉索的掛設(shè)和張拉。受現(xiàn)場條件影響和施工便利性的需要，施工中臨時荷載或方案會有調(diào)整，張拉索力則需及時修正。采用傳統(tǒng)的梁段匹配焊接、斜拉索掛索一張、吊機前移、斜拉索二張、梁段吊裝施工流程，懸臂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工周期約6 d。

考慮鋼箱梁結(jié)構(gòu)材料的允許應(yīng)力幅較大[3]，經(jīng)方案分析及計算綜合考慮，沌口大橋斜拉索實施“一次到位”的張拉方案，同時，在梁段精匹配過程根據(jù)誤差及參數(shù)識別結(jié)果對索力進(jìn)行微調(diào)，以消除架設(shè)過程中的累計誤差。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工及控制優(yōu)化流程如圖5所示。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工及控制優(yōu)化流程圖Fig.5　Construction and control optimization flow chart of standard section

理論計算及現(xiàn)場實施時，斜拉索一次到位張拉即控制斜拉索至成橋狀態(tài)下的無應(yīng)力索長。采用上述施工及控制優(yōu)化流程，可以在節(jié)段焊接完成、斜拉索掛索完畢后即刻進(jìn)行一次到位張拉，不受溫度等因素限制，索力的微調(diào)和精匹配可以在同一溫度穩(wěn)定時段進(jìn)行。且施工過程主梁最大應(yīng)力為-98.0 MPa，斜拉索安全系數(shù)大于2.50，結(jié)構(gòu)受力處于合理范圍。

通過流程的優(yōu)化，現(xiàn)場實施過程中，懸臂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工周期縮減至4 d，累計節(jié)省工期約30 d。

3.4　中跨合龍技術(shù)

沌口長江公路大橋中跨合龍設(shè)計基準(zhǔn)溫度為15℃，在該溫度狀態(tài)下進(jìn)行中跨合龍，對永久結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生不利影響。在實際施工中，受合龍時機及自然條件的影響，合龍時的環(huán)境和結(jié)構(gòu)溫度均將與基準(zhǔn)溫度存在差異。根據(jù)施工進(jìn)度安排，主橋中跨合龍時間在6月上旬，整體溫度較高，且晝夜溫差較大，溫度變化1℃時合龍口間距影響量約9 mm。為盡量減少溫度對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響，同時方便施工，選擇頂推輔助合龍作為本橋的中跨合龍實施方案。

合龍方案思路為，根據(jù)實測的溫度、合龍口間距確定基準(zhǔn)溫度下合龍段長度，由南岸橋面吊機單側(cè)起吊合龍段，北岸側(cè)塔梁縱向臨時約束兼顧作為縱向頂推裝置單側(cè)頂推北主橋進(jìn)行合龍。采用頂推輔助合龍可修正懸臂梁長誤差，確保主梁基準(zhǔn)溫度下無應(yīng)力總長度不變，對成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線形影響小[4-7]。合龍段起吊如圖6所示。

圖6　合龍段起吊示意圖Fig.6　Lifting sketch of the closure section

合龍段起吊需要的操作間隙按50 mm控制，喂梁選擇在陰天或者白天下午鋼箱梁頂?shù)装迤骄鶞囟仍?1℃以下時進(jìn)行，溫度對合龍口寬度的影響約150 mm。為滿足頂推施工的要求，頂推裝置的頂推行程按20 cm設(shè)計，所需頂推力為572 t。

沌口長江公路大橋主橋中跨合龍施工步驟：

1）S30、M30斜拉索一張后，進(jìn)行梁面施工臨時荷載清理，南岸橋面吊機吊具更換為MH梁段吊裝吊具。北岸橋面吊機向岸側(cè)回行6 m后錨固、南岸橋面吊機向江側(cè)前移9 m后錨固。

2）南北岸中跨各配置1/2MH梁段重量，模擬合龍段安裝工況。通過M29、M30斜拉索索力或臨時配重等措施對南北岸合龍口標(biāo)高、轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整。

3）解除塔區(qū)橫向臨時約束及北岸豎向臨時約束，北岸僅保留縱向約束及永久支座，進(jìn)行南北岸軸線調(diào)整。

4）進(jìn)行合龍口量測，確定北側(cè)主梁向岸側(cè)的頂推量及頂推力，保證合龍段的吊裝空間，同時確定中跨合龍段鋼箱梁長度。

5）M31梁段1/2MH配重拆除，北半橋向北側(cè)縱向頂推，保證MH梁段吊裝空間，南岸橋機起吊MH合龍梁段。

6）使MH梁段頂面與NM31梁段頂面持平，將MH梁段、NM31梁段通過匹配件栓接，使頂?shù)装?、邊腹板對齊，在合龍段安裝支撐型鋼。

7）橋面吊機緩慢落鉤，平均分配合龍梁段重量到NM31、SM31梁段，吊具鋼絲繩松弛，對MH梁段初調(diào)。

8）晚上氣溫恒定時，通過索力、配重、手拉葫蘆對拉和北半橋向中跨回頂?shù)容o助措施對MH梁段縫寬、軸線和標(biāo)高進(jìn)行精確調(diào)整。焊縫寬度及梁段匹配滿足要求后，迅速將MH梁段與NM31，SM31鋼箱梁匹配、打碼作業(yè)。

9）解除北塔頂推輔助裝置，合龍段兩側(cè)焊縫同時開始焊接，完成后解除南塔塔梁間臨時約束。

3.5　施工控制技術(shù)

針對沌口大橋結(jié)構(gòu)及施工特點，施工控制采取全過程幾何控制理念，即通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件制造和安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的全過程高精度控制，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)最終控制的目標(biāo)狀態(tài)。具體思路為：1）以幾何控制為指導(dǎo)原則；2）制造階段中，嚴(yán)格按照主梁及斜拉索等構(gòu)件的無應(yīng)力構(gòu)形進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造；3）架設(shè)階段中，根據(jù)施工全過程仿真分析得到主要結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差因素，確定初始架設(shè)參數(shù)，加強監(jiān)測，并依靠索力等主動調(diào)節(jié)懸臂架設(shè)線形，消除架設(shè)過程中累計誤差。主梁匹配過程中，由無應(yīng)力制造線形確立的梁段間夾角，控制匹配梁段在局部坐標(biāo)系下相對關(guān)系，保證了線形的平順性。根據(jù)實測的溫度、合龍口間距確定基準(zhǔn)溫度下合龍段長度，最終滿足無應(yīng)力合龍要求。

4　結(jié)語

沌口大橋主橋通過臨時結(jié)構(gòu)的合理布置、施工方案的優(yōu)化、過程的精心組織和嚴(yán)格控制，有效實現(xiàn)了鋼箱梁雙橋面吊機懸臂拼裝施工。為大跨鋼箱梁斜拉橋的施工提供了參考。該橋于6月5日下午進(jìn)行了縱向頂推及合龍段吊裝，根據(jù)吊裝時溫度及合龍段喂梁安全需要，實測頂推量約14 cm。6月6日凌晨順利實現(xiàn)了全橋合龍，合龍段軸線5 mm，標(biāo)高與目標(biāo)值的誤差為2 mm，取得了良好的實施效果。

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