大跨徑塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋合龍施工技術(shù)研究

■許 晟

(福建省高速公路建設總指揮部，福州 350001)

1 工程概況

長門特大橋在閩江下游跨越閩江，橋址區(qū)臨近閩江入?？?。主橋全長848m，雙向六車道，橋?qū)?8.5m，橋跨布置及結(jié)構(gòu)形式為 (35+44+66)m＋550m＋(66+44+35)m的雙塔雙索面對稱混合梁斜拉橋，結(jié)構(gòu)體系為“塔梁墩”固結(jié)體系。其中，主跨鋼箱梁長度為495m，單側(cè)邊跨現(xiàn)澆混凝土箱梁長度為164m，單側(cè)鋼混結(jié)合段長度為8.5m(混凝土箱梁段3m、鋼混凝土結(jié)合段2m、鋼箱梁加強段3.05m、鋼箱梁段0.45m)，橋型布置如圖1所示。斜拉索采用1770MPa、直徑7mm的平行鋼絲，全橋共136根。主塔采用花瓶型。

主跨鋼箱梁采用封閉扁平流線形鋼箱梁，劃分為五種類型，共33個節(jié)段。主要輪廓尺寸為：鋼箱梁含風嘴頂板全寬為38.5m，不含風嘴頂板寬為34m，含風嘴底板寬為7.85+22.8+7.85=38.5m，中心處梁高3.22m。合龍段鋼箱梁為E類型梁段，梁段編號為JH梁段，梁長15m，設置4道橫隔板和2道縱隔板。合龍段采用4臺橋面吊機吊裝施工，合龍段梁段重量約為280t。鋼箱梁標準橫斷面如圖2所示。

2 合龍方案研究

對主跨采用鋼梁的斜拉橋(全鋼梁或混合梁)，一般采用兩種合龍方案：

圖1 長門特大橋橋型布置圖

圖2 鋼箱梁標準橫斷面

(1)配切合龍[1]方案。即在施工現(xiàn)場對合龍口進行連續(xù)觀測來確定合龍段安裝長度，即時在現(xiàn)場進行配切，以適應合龍口寬度。該方案特點：可在不解除塔梁臨時約束條件下實現(xiàn)中跨合龍。該方案受溫度影響較大，存在合龍段無法嵌入合龍口或焊縫寬度過大難以主動調(diào)整等難題。

(2)加載合龍[2]方案。即合龍段按設計理論長度制造，合龍時根據(jù)實際溫度，通過在合龍口梁端或橋塔橫梁處施加外力頂推或牽拉來人為調(diào)整合龍口間距，以喂入合龍段。該方案特點：不需要改變合龍段尺寸，受溫度影響小，能精確調(diào)節(jié)合龍口寬度；主梁頂推施工時需釋放塔梁臨時約束，存在一定安全風險，結(jié)構(gòu)頂推變位后不易恢復；隨著跨徑增大，頂推力及限位力相應增大。

2.1 結(jié)構(gòu)體系及受力特點

(1)長門特大橋為國內(nèi)首例主跨500m以上的雙塔塔梁墩固結(jié)混合梁斜拉橋，主梁、塔柱、橋墩互為固結(jié)，施工時主梁、塔柱、下橫梁一體澆注，形成整體，不需要設置臨時約束，無論是施工過程還是成橋后的力學行為與漂浮、半漂浮體系的斜拉橋存在一定區(qū)別，在合龍過程中不存在塔梁連接的體系轉(zhuǎn)換問題，無體系轉(zhuǎn)換的風險。主梁在跨內(nèi)有多點彈性支承的剛構(gòu)，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)剛度大，主梁和塔柱的撓度均較小，不需要大噸位支座。 因采用雙塔形式，溫度應力較大[3]。

(2)長門特大橋受地形及通航條件限制，邊中跨比較小(邊中跨比為0.26)。邊跨采用混凝土箱梁，適當增加截面，采用結(jié)構(gòu)性壓重，雙向預應力結(jié)構(gòu)，以克服輔助墩、過渡墩、橋臺負反力，提高結(jié)構(gòu)抗風性能和整體剛度。澆筑時采用支架現(xiàn)澆，在第一根吊索安裝張拉前就完成邊跨合龍。

(3)本橋鋼箱梁采用橋面吊機懸臂拼裝，全橋施工控制采用標高索力雙控法。經(jīng)分析計算，合龍段吊裝為合龍過程中較不利的受力狀態(tài)，圖3和表1所示為合龍段抬吊時結(jié)構(gòu)的索塔、主梁和斜拉索應力狀態(tài)。其中鋼箱梁上緣最大應力84.5MPa、下緣最大應力 45.4MPa；混凝土主梁上緣最大應力 8.7MPa、下緣最大應力 8.8MPa，上下緣均未出現(xiàn)拉應力；索塔混凝土最大應力約 10.1MPa，未出現(xiàn)拉應力。

15#～17#斜拉索的塔端最大應力為 488MPa，相應的應力安全系數(shù)為3.81?？梢姡瑧冶鄱怂鲬Π踩禂?shù)較高，可調(diào)余量較大。

圖3 合龍段抬吊時結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)(單位：MPa)

表1 合龍段抬吊時斜拉索塔端應力及其安全系數(shù)

2.2 影響因素分析

(1)溫度

設計基準狀態(tài)時合龍段的設計標準長度為 15m，當溫度變化時，合龍口寬度會發(fā)生相應改變。經(jīng)計算，溫度升高+10℃時，合龍口寬度減小約64 mm。

根據(jù)現(xiàn)場施工進展情況，在6月份左右實施合龍。根據(jù)近3年和近7年的日最高溫、最低溫平均溫度統(tǒng)計，6月上旬近3年的平均最高溫為28.7℃，平均最低溫為23℃，日平均氣溫25.9℃，根據(jù)歷史溫度數(shù)據(jù)分析，預計合龍溫度約 25℃，合龍過程最大溫差約+5℃。

(2)合龍段構(gòu)造

合龍段鋼箱梁為E類型梁段，梁段編號為JH梁段，梁長15m，設置4道橫隔板、間距 3.188m，2道縱隔板、間距15.2m。合龍段梁段重量約為280t，若采用壓重水箱(含水)，每側(cè)水箱(含水)重量需達 139t。

(3)環(huán)境條件

長門特大橋在閩江的下游跨越閩江，橋址區(qū)瀕臨閩江的入海口，東臨東海。橋位區(qū)屬剝蝕丘陵臺地間夾溝谷地貌，呈“U”形，大橋與斜坡坡向近于直交。沿線路軸線與地面相對高差最大為73.96m，地形起伏大。 橋位河槽靠近南岸，最大水深45m，北岸側(cè)有120m寬淺灘區(qū)域。除臺風影響外，6月份橋址處最大風力5級，東北風居多。

(4)施工條件

橋面吊機采用縱向小變幅橋面吊機，使用分離式雙機抬吊的施工方法，額定最大起吊重量約為180t/臺。合龍段吊裝采用船舶運輸?shù)綐蛭?，由橋面吊機將鋼箱梁提升至橋面進行對位和拼接。 起吊過程所需時間約為3.5h，預計合龍段入口時間為3～4h、環(huán)焊縫的焊接時間為7h。起吊安裝過程不可逆轉(zhuǎn)，需考慮航道安全和運輸船舶安全。

2.3 合龍方案選定

鑒于長門特大橋結(jié)構(gòu)體系及受力特點和上述影響因素分析，主梁不具備頂推條件，因此中跨合龍采用溫度合龍方案。若采用常規(guī)的預先鎖定勁性骨架方案，勁性骨架必須有較大剛度，導致勁性骨架體量龐大，且勁性骨架不能承受彎矩，必須預設水箱壓重模擬合龍段重量，兩端起吊的同時，快速釋放壓重水，使勁性骨架承受盡量小的彎矩，導致水箱體量龐大，且放水量大。因此，參考九江長江大橋、沌口長江大橋等特大型斜拉橋的合龍方式，采用無勁性骨架合龍方式，即在合龍段吊入前，合龍口兩端無勁性骨架連接，處于自由狀態(tài)，按合龍段起吊重量預調(diào)合龍口姿態(tài)后，起吊時理論上合龍口自動返回理想合龍姿態(tài)，從而可省去龐大的水箱及勁性骨架。合龍段起吊后必須在當夜完成合龍固定工作，盡可能選擇陰雨天氣進行合龍。合龍段鋼梁采用北岸匹配，南岸配切。

3 合龍施工流程

長門特大橋合龍施工流程為：安裝16號梁段、17號斜拉索一張→拆除吊具配重、吊機移至合龍位置→17號斜拉索二張→拆除邊跨支架→通過調(diào)整15～17號索長調(diào)整合龍口形狀→對合龍口進行48h觀測確定合龍段安裝長度及喂入合龍段時機→合龍段單端配切→起吊合龍段、在溫度合適時喂入合龍口→梁段精度匹配→北岸碼定并焊接、南岸安裝固定消能裝置→南岸固定合龍口→合龍段兩端環(huán)焊縫焊接→吊機松吊→恢復15～17號索長至二張狀態(tài)。

圖4 合龍段吊裝示意圖

4 合龍施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 合龍口48h連續(xù)觀測

合龍口狀態(tài)對氣溫變化非常敏感，存在合龍段無法嵌入合龍口或者焊縫過寬的風險。為確保合龍的可控性，需要對合龍口狀態(tài)進行嚴密監(jiān)控。通過大量的觀測，采用回歸分析的方法，找到預計合龍時溫度對應的合龍段長度。觀測主要內(nèi)容包括合龍口頂?shù)装鍖挾取冶矍岸肆憾蔚南鄬Ω叱?。合龍口寬度觀測時應配合索溫、塔溫、梁溫、氣溫觀測；測一次合龍口寬度，就要測一次索溫、梁溫、塔溫，這樣便于進行溫度修正和預測，在溫度穩(wěn)定時間段還應該配合索力測量。觀測頻率為每2h測量一次，在日出前后2h和日落前后2h測量頻率增加至每1h測量一次，連續(xù)觀測48h，可根據(jù)觀測情況適當增加測量頻率。

4.2 合龍口姿態(tài)調(diào)整

當17#索第二次張拉及合龍段起吊后，由于溫度等隨機因素的影響，合龍口姿態(tài)有可能偏離理論值，需進行調(diào)整，確保合龍段與兩側(cè)懸臂端梁段的平順連接。合龍口姿態(tài)調(diào)整主要包括高程偏差調(diào)整和主梁軸線偏差調(diào)整，具體措施主要包括調(diào)整斜拉索索力、主梁前端施加配重等。

(1)高程偏差調(diào)整

合龍口高程調(diào)節(jié)措施主要是調(diào)整中跨15#～17#斜拉索索長(邊跨拉索進行同步調(diào)整)，將兩側(cè)鋼梁前端左右幅高程調(diào)至同一標高，即起吊后設計標高，但仍會存在微小偏差，可以根據(jù)情況進行微調(diào)：①當合龍口兩側(cè)均偏高、或一側(cè)偏高另一側(cè)適當時，在高的一側(cè)以25t汽車吊作為配重進行調(diào)整；②當合龍口兩側(cè)偏低時，若偏低量小于20mm，計算表明此時對焊縫寬度的影響僅為 2.7mm，不對合龍口端部進行調(diào)整。若偏低量大于20mm，通過張拉17#索調(diào)整；③當合龍口兩側(cè)一側(cè)偏高、一側(cè)偏低時，若兩側(cè)高差小于20mm，計算表明此時對焊縫寬度的影響僅為 2.3mm，不對合龍口進行調(diào)整。若大于20mm，則對偏高一側(cè)采用汽車吊配重，使兩側(cè)高差減小至20mm以下。

(2)主梁軸線相對偏差的調(diào)整

合龍口軸線調(diào)節(jié)通過安裝在兩側(cè)16#梁段頂板上的輔助設施完成，將兩側(cè)鋼梁軸線調(diào)整至同一軸線上。 但由于合龍段長度達15m，在合龍段起吊前，即使將兩岸軸線調(diào)節(jié)完成也無法鎖定軸線，因此軸線的調(diào)節(jié)在合龍段吊入合龍口后、臨時鎖梁裝置與主梁焊接前進行。合龍前，南北岸兩側(cè)的主梁軸線誤差通過匹配調(diào)整控制過程，預先將軸線誤差控制在允許范圍內(nèi)，合龍時的調(diào)整只是針對合龍口兩側(cè)主梁軸線的相對偏差。待合龍段吊入合龍口后，測量 N16、S16梁段前端控制點的軸線相對偏差，當相對偏差超出允許值，對合龍口兩側(cè)的軸線相對偏差進行調(diào)整，經(jīng)計算，每施加 10kN對拉力，軸線位移量約為3.0mm，結(jié)合預測的軸線偏差，只需約40kN的對拉力即可完成軸線調(diào)節(jié)。

4.3 合龍溫度及配切長度確定

通過連續(xù)觀測，確定合龍溫度和合龍段配切長度。合龍段在鋼梁制作廠加工時預先按照設計梁長增加40cm的長度進行制作。合龍段配切采用單端配切，北岸側(cè)作為匹配端，南岸作為配切端。合龍段提前到場，得出配切長度后在現(xiàn)場的運輸船上進行配切。合龍段配切放樣時的溫度需接近合龍溫度，避免溫度影響。配切與合龍時溫差為 5℃時，配切長度影響值為：15m×5℃×1.2×10-5/℃=9×10-4m=0.9mm。

4.4 合龍段吊裝 、匹配及焊接

選擇在溫度恒定的陰雨天氣、橋面高程處陣風風速不超20m/s的有利天氣進行合龍段吊裝作業(yè)。合龍段在白天起吊至合龍口底部，在當天夜間將梁吊入合龍口。合龍段空中停吊后拉設臨時抗風穩(wěn)定措施。起吊過程四臺吊機同步協(xié)調(diào)，每提升5min進行一次梁段調(diào)平。首先將合龍段與一側(cè)鋼箱梁匹配連接，然后調(diào)整合龍段與另一側(cè)梁段的相對高差，利用軸線調(diào)整裝置調(diào)整相對軸線偏差，進行另一側(cè)梁段的匹配連接。合龍段與南北岸兩側(cè)梁段匹配后即可進行合龍縫的打碼作業(yè)。打碼完成后須立刻進行合龍段的焊接，焊接順序首先進行腹板焊接、再進行環(huán)縫焊接，環(huán)縫焊接從橋軸線向上下游兩側(cè)對稱施焊。

4.5 合龍段焊縫寬的調(diào)整

合龍時合龍段與兩側(cè)16#梁段間隙允許范圍小，單側(cè)間隙一般在6～10mm時方可將合龍段吊進，而大于25mm則無法保證良好的焊接質(zhì)量 (現(xiàn)場焊接工藝試驗，常規(guī)焊縫寬度為6～28mm，最大縫寬30mm)。由于合龍段在下午 5：00起吊，起吊時間為 3h左右，因此在起吊和合龍過程中需防范的是合龍段焊縫跨度偏大的問題。由于長門大橋為墩、塔、梁固結(jié)體系，采用溫度合龍，合龍口寬度和合龍段焊縫寬度均由溫度決定，難以采取人為措施調(diào)整。當合龍段焊縫寬大于焊接要求時，先將北側(cè)合龍段焊縫寬調(diào)整至適宜寬度，北側(cè)臨時鎖梁裝置與主梁焊接，鎖定北側(cè)，其后每隔30min測量一次南側(cè)合龍段焊縫寬，當焊縫寬度適宜時，快速將南側(cè)臨時鎖梁裝置與南側(cè)鋼梁焊接，鎖定南側(cè)，其后，同時焊接南北側(cè)合龍段焊縫。

5 結(jié)語

斜拉橋因跨徑大、結(jié)構(gòu)特殊、施工風險大，在選擇合龍方式的時候應充分考慮斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點、受力性能、環(huán)境和施工條件等多方面因素的影響，選擇合適的合龍方式。經(jīng)過分析研究，長門特大橋中跨合龍采用了無勁性骨架的溫度配切合龍方案，該方案施工風險小，省去了龐大的水箱及勁性骨架，改善了施工條件，也較好地克服了溫度的影響，對成橋后的線性和受力影響很小，適用于大跨徑墩塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)的斜拉橋。

長門特大橋于6月份完成中跨合龍施工，施工過程順利，各項指標均滿足規(guī)范要求。