剛性主桁梁柔性箱拱架設(shè)施工關(guān)鍵技術(shù)

彭鵬 ，覃宗華 ，毛昌慶

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

滬通長江大橋是國家沿海鐵路大通道中滬通鐵路的控制性工程，上層為雙線6車道錫通高速公路，下層為雙線滬通鐵路和雙線通蘇嘉城際客運專線，大橋全長11.072 km，跨江部分約5.8 km。大橋北側(cè)跨越天生港專用航道，跨徑布置為（140+336+140） m，為目前世界上最大跨徑的公鐵兩用剛性梁柔性拱橋。天生港航道橋橋跨布置見圖1。

圖1 天生港航道橋橋跨布置（m）Fig.1 Bridge span arrangement of Tiansheng Port channel bridge(m)

主梁為帶豎桿的華倫式桁架[1]，橫向3片主桁結(jié)構(gòu)，桁間距為17.25 m，邊桁桁高15.7 m，中桁桁高16 m，節(jié)間距14 m，全橋共44個節(jié)間，最大桿件質(zhì)量88 t。上層公路橋面和下層鐵路橋面均采用正交異性鋼橋面板的整體橋面，最大質(zhì)量75 t，主梁斷面為三主桁雙層板桁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。拱肋為鋼結(jié)構(gòu)箱形截面，拱矢高60 m，吊桿為平行鋼絲拉索。橋墩最高達51 m，常水位水面至拱頂高度達130 m。邊墩（2號、5號）各設(shè)置2個多向活動邊支座和1個縱向活動中支座；3號主墩設(shè)置2個橫向活動邊支座和1個固定中支座；4號主墩設(shè)置2個多向活動邊支座和1個縱向活動中支座。

圖2 三主桁雙層桁板結(jié)構(gòu)Fig.2 Three main truss double deck truss structure

2 上部結(jié)構(gòu)總體施工方案

目前，剛性主桁梁柔性拱橋的總體架設(shè)方案一般為先架設(shè)主梁再架設(shè)拱肋的總體方案。鋼桁主梁通常采用從兩邊跨同時向跨中單懸臂拼裝架設(shè)方案[2]，即先在支架上安裝架設(shè)邊跨鋼桁梁，后過主墩單懸臂向跨中架設(shè)直至主梁合龍，如果懸臂長度過大采取吊索塔架或臨時支墩輔助架設(shè)。柔性拱通常采用在主桁梁上搭設(shè)鋼支架，拱肋分節(jié)段直接在支架上拼裝的方案。

天生港航道橋鋼桁主梁底距常水位水面55 m，拱肋最高處距離鋼桁主梁頂面約60 m。如果采用常規(guī)的支架法架梁邊跨鋼桁梁和支架法安裝拱肋的方案，邊跨支架和拱肋支架較高，臨時工程量巨大。又由于拱肋節(jié)段重量大，對起吊安裝設(shè)備要求高。同時，由于單懸臂架設(shè)主梁，導(dǎo)致架設(shè)工期長，影響后續(xù)的施工。通過技術(shù)、經(jīng)濟和工期綜合比選，鋼桁主梁采用從兩主墩雙懸臂對稱吊索塔架輔助拼裝的方案[3]。通過設(shè)置吊索塔架和雙層扣錨索輔助，控制鋼桁梁大懸臂時的桿件應(yīng)力、懸臂端撓度及合龍前合龍口位移調(diào)整；柔性拱采用先在合龍后的主梁上搭設(shè)矮支架拼裝成2個半拱，利用吊索塔架豎向轉(zhuǎn)體的方案。即總體采用“先梁后拱，主梁雙懸拼，拱肋豎轉(zhuǎn)”的新工藝。

2.1 鋼桁主梁施工

在主墩（3號、4號）兩旁設(shè)置墩旁托架，浮吊配合塔吊安裝墩頂4個節(jié)間鋼桁梁[4]。每個墩頂4節(jié)間安裝完成后，在4個節(jié)間鋼梁上拼裝2臺75 t全回轉(zhuǎn)橋面吊機。然后，每個主墩2臺橋面吊機分別自主墩向邊跨、中跨方向雙懸臂對稱拼裝鋼桁主梁。架設(shè)至相關(guān)節(jié)間掛設(shè)扣錨索，待邊跨鋼桁梁上邊墩并支墊后，邊跨末端三節(jié)間公路和鐵路橋面安裝配重，解除鋼桁主梁與墩旁托架的連接，中跨單懸臂繼續(xù)架設(shè)，掛設(shè)并張拉第二層扣錨索，調(diào)整安裝合龍口桿件，形成三跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系。鋼桁主梁最大雙懸臂對稱拼裝總體布置如圖3所示。

圖3 鋼桁主梁最大雙懸臂對稱拼裝總體布置Fig.3 General arrangement of maximum double cantilever symmetry assembly for steel truss main beam

2.2 柔性拱肋施工

主梁合龍后，在鋼桁主梁上搭設(shè)矮支架，分兩半拼裝拱肋[5]。然后，利用吊索塔架和扣錨索鋼絞線提升拱肋，沿拱腳處轉(zhuǎn)軸豎向轉(zhuǎn)體就位，最后安裝拱肋合龍段。拱肋合龍后，安裝吊索，完成全部上部結(jié)構(gòu)安裝。拱肋拼裝如圖4所示。

圖4 拱肋拼裝Fig.4 Arch ribbed assembly

3 架設(shè)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大跨鋼桁主梁雙懸臂對稱拼裝整體穩(wěn)定性控制技術(shù)

雙懸臂對稱施工多見于混凝土連續(xù)梁或斜拉橋主梁施工[6]，在大跨鋼桁梁架設(shè)施工中不多見。天生港航道橋鋼桁主梁最大雙懸臂架設(shè)長度達到140 m，邊跨不設(shè)置水中抗風(fēng)臨時支墩，架設(shè)過程中的整體抗傾覆穩(wěn)定性必須保證。借鑒混凝土連續(xù)梁或斜拉橋主梁雙懸臂施工墩頂臨時固結(jié)思路，采用在主墩兩旁設(shè)置墩旁托架和墩頂縱向水平限位相結(jié)合的措施保證大懸臂狀態(tài)下架設(shè)施工的整體穩(wěn)定。

常規(guī)的墩旁托架[7]既考慮承受豎向又考慮承受橫向不平衡彎矩，即“以剛克剛”。本橋鋼桁梁底距離承臺面接近55 m，如果依然采用此理論，墩旁托架結(jié)構(gòu)的剛度和強度幾乎與鋼桁梁相當(dāng)，托架結(jié)構(gòu)與墩身必須固結(jié)，既不經(jīng)濟，也不合理。經(jīng)研究，確定采用墩旁托架僅承受雙懸臂狀態(tài)下的豎向不平衡荷載彎矩，墩頂兩個邊支座縱橫向限位抵抗雙懸臂狀態(tài)下的不平衡橫向風(fēng)荷載彎矩的方案，“柔性”的托架豎向支撐和“剛性”的水平限位相結(jié)合，即“剛?cè)岵?。達到了穩(wěn)定鋼桁梁的目的，同時簡化了墩旁托架的結(jié)構(gòu)，充分利用了主梁支座的縱橫向限位作用。

為此，采用邁達斯計算軟件對鋼桁梁架設(shè)全過程進行施工流程分析計算，為僅得到墩旁托架的豎向反力，鋼桁梁臨時桿件與墩旁托架頂端采用彈性連接模擬。為得到邊支座順橋向的水平力，墩頂支座約束采用正式支座，中支座約束豎向、橫橋向及順橋向自由度，不約束相應(yīng)轉(zhuǎn)角，邊支座約束豎向、順橋向平動自由度，不約束相應(yīng)轉(zhuǎn)角，橫橋向自由度和相應(yīng)轉(zhuǎn)角不約束。

模型中限制鋼桁梁與墩旁托架、主墩約束，通過對鋼桁梁大懸臂狀態(tài)下鋼桁梁結(jié)構(gòu)恒載、扣錨索張力、臨時施工荷載、風(fēng)荷載、鋼桁梁整體升降溫、上下弦桿溫差等單項荷載效應(yīng)分析，確定了對整體穩(wěn)定性影響較大的荷載依次為結(jié)構(gòu)恒載、風(fēng)荷載、臨時施工荷載。計算分析考慮正常風(fēng)荷載和極限風(fēng)荷載2種施工狀態(tài)，正常施工標準組合、極限風(fēng)速狀態(tài)標準組合、正常施工抗傾覆組合、極限風(fēng)速狀態(tài)抗傾覆組合共4種荷載組合，選取最不利荷載組合，其計算結(jié)果作為墩旁托架和邊支座縱向臨時限位結(jié)構(gòu)設(shè)計及其穩(wěn)定性計算的依據(jù)。

3.1.1 墩旁托架結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)鋼桁梁懸臂拼裝流程計算分析，設(shè)計墩旁托架和臨時桿件。強度和剛度結(jié)合雙懸臂架梁過程中吊索塔架扣錨索索力協(xié)調(diào)受力考慮，滿足鋼桁梁整體抗傾覆要求。墩旁托架采用格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)與墩身扶墻連接，格構(gòu)柱支撐設(shè)置于每片主桁的臨時桿件下方，底部支撐在承臺上。墩旁托架結(jié)構(gòu)布置示意見圖5。

圖5 墩旁托架結(jié)構(gòu)布置Fig.5 Structure arrangement of pier side bracket

3.1.2 邊支座縱向限位結(jié)構(gòu)布置

3號墩主墩邊支座是縱向約束固定支座，能利用邊支座抵抗雙懸臂狀態(tài)下的不平衡橫向風(fēng)荷載。4號墩主墩邊支座是多向活動支座，對邊支座上座板進行限位，以抵抗不平衡橫向風(fēng)荷載。邊支座縱向限位結(jié)構(gòu)布置如圖6所示。

圖6 邊支座縱向限位結(jié)構(gòu)布置Fig.6 Layout of longitudinal limit structure of side support

3.2 雙層板桁結(jié)構(gòu)三主桁相對高差控制技術(shù)

天生港航道橋的主梁為雙層板桁結(jié)構(gòu)，三片主桁之間上層公路面板和下層鐵路面板均采用正交異性整體鋼面板，鋼面板與主桁箱形上、下弦組合共同受力。鋼面板橫梁腹板與主桁采用高強度螺栓連接，其余縱橫向均采用現(xiàn)場對接焊縫。單塊公路橋面板最大質(zhì)量約70 t，單塊鐵路橋面板最大質(zhì)量約85 t。

國內(nèi)目前采用三主桁且公、鐵路全是鋼面板的大跨鋼桁主梁結(jié)構(gòu)較少，大多為雙主桁結(jié)構(gòu)。桁板結(jié)構(gòu)主梁的架設(shè)順序一般為先主桁片，后桁片之間的鋼面板。對于雙主桁結(jié)構(gòu)，兩片主桁共同分擔(dān)鋼橋面板的重量，橋面板安裝后兩片主桁的變形幾乎一致。但對于三主桁結(jié)構(gòu)就有很大不同，在三主桁剛度差異、橋面吊機支腿反力差、三主桁片安裝不對稱及施工偏載等因素的影響下，三主桁變形會產(chǎn)生較大的偏差。天生港航道橋的鋼橋面板質(zhì)量占節(jié)間總質(zhì)量的51%，自重大，中桁承擔(dān)自重荷載約為邊桁2倍，導(dǎo)致鋼面板安裝后中桁變形大于邊桁，單節(jié)間約3 mm，若不予修正，鋼面板焊接時該高差和相對角度將被固化累加，因相對角度的存在，后續(xù)節(jié)間安裝時三桁高差將呈不斷擴大趨勢，經(jīng)過計算模擬最終將會達到約130 mm的三桁高差趨勢。因此架設(shè)過程中必須采取措施控制三桁相對高差，最終達到設(shè)計要求的線形和標高。

經(jīng)過理論計算與現(xiàn)場調(diào)整比對，采取了以下的控制技術(shù)：1）調(diào)整主桁桿件與橋面板安裝焊接順序，即在邊桁超前中桁一節(jié)間條件下，進行上一節(jié)間橋面板焊接，實現(xiàn)對上一節(jié)間邊桁壓重的效果，適當(dāng)調(diào)小沖釘?shù)却胧?，控制三桁高差在?guī)范允許范圍內(nèi)；2）橋面板橫縫待主桁及聯(lián)結(jié)系安裝完畢在本節(jié)間施焊，縱縫可滯后1或2個節(jié)間施焊，采用對稱同向焊接；3）通過調(diào)整架梁吊機三支點反力均衡，控制支點反力差對鋼梁前端高差影響；待高強螺栓終擰后吊機前移至本節(jié)間工作；4）安裝鋼桁梁桿件時，利用橋面吊機微調(diào)鋼梁桿件前端標高至監(jiān)控計算值，嚴格控制鋼梁安裝線形。

3.3 雙層板桁結(jié)構(gòu)三主桁跨中合龍技術(shù)

鋼桁梁中跨合龍是由單懸臂體系轉(zhuǎn)換成連續(xù)體系的過程，合龍?zhí)攸c是要精確調(diào)整鋼桁梁合龍口的軸線位置和轉(zhuǎn)角。由于在大懸臂狀態(tài)下，鋼桁梁前端豎向變形較大，必須先采取措施調(diào)整其變形和轉(zhuǎn)角，最大限度地降低合龍口兩端線形的差異，使其在標高、轉(zhuǎn)角方面具有極高的一致性，同時順橋向間隙與桿件長度匹配，中軸線保持水平。將跨中合龍口兩側(cè)鋼桁梁上、下弦桿的三維相對轉(zhuǎn)角均調(diào)至為0，實現(xiàn)在跨中合龍口無軸力、無彎距、無剪力的無應(yīng)力狀態(tài)下合龍桿件的對接。目前采用的方式主要有：1）抬高主墩處支點標高或升降邊支點處標高；2）跨中輔助墩調(diào)整標高；3）吊索塔架扣索張拉力調(diào)整。對于大跨重載的鋼桁梁合龍調(diào)整措施，由于懸臂端豎向變形大、自重大，單獨的采用一種方式調(diào)整，都存在諸多的困難和風(fēng)險，一般都是幾種方式的結(jié)合。經(jīng)過分析計算，結(jié)合拱肋豎轉(zhuǎn)用吊索塔架，天生港航道橋需采用吊索塔架扣索張拉力調(diào)整、升降邊支墩、主墩水平頂推等方式改變邊、中支點相對高差，達到調(diào)整的目的。

3.3.1 三鋼桁主梁跨中合龍的難點

1）鋼桁梁剛度大。三主桁雙層板桁結(jié)構(gòu)比普通的兩桁結(jié)構(gòu)或三桁桁片結(jié)構(gòu)的剛度大，合龍點坐標調(diào)整難度大[8-9]。

2）合龍點多、精度要求高。鋼桁梁桿件合龍點為15處，其中6根弦桿、6根斜桿和3根豎桿，要保證15個點都能精確對位，施工控制難度大；合龍口結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 合龍口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of closure

3）合龍點空間坐標的變化因素多。順橋方向受溫度、鋼梁制造與安裝偏差的影響；豎向方向受安裝荷載、三主桁變形不同步、日照的影響；鋼梁中線上下游方向受日照、鋼梁安裝順序及起吊荷載的影響。順橋向和豎向方向相互制約，合龍點的位置難以控制。

4）結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換頻繁。經(jīng)過計算，鋼桁梁邊跨上墩后，邊跨配重4 000 t方可向中跨單懸臂拼裝并在此階段完成托架落架施工。合龍段施工前需要調(diào)整扣索索力、調(diào)整2號和5號邊墩墩頂高程及解除4號墩縱梁約束，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換較為頻繁。

3.3.2 雙層板桁結(jié)構(gòu)三主桁快速合龍創(chuàng)新技術(shù)

合龍的總體思路首先是進行敏感性分析，它是保證所采用調(diào)整措施符合工程實際的重要方法。在實際的施工過程中，鋼梁調(diào)整有多種方式，如升降邊支點的粗調(diào)、溫度變化的影響、合龍口橫向?qū){(diào)等，這些方法中，有些是主動措施，有些則屬于被動措施，鋼桁梁在合龍之前應(yīng)分析不同調(diào)整措施的敏感性水平，確定各調(diào)整措施的作用力效果和大小。其次是合龍前48 h連續(xù)詳細測量合龍口兩側(cè)鋼梁的縱橫豎偏移及轉(zhuǎn)角和溫差、日照影響，根據(jù)測量資料認真分析研究調(diào)整方法與步驟。目前，三主桁合龍較多采用先貫通中主桁，再合龍兩邊主桁的原則。針對雙層板桁結(jié)構(gòu)的跨中合龍難點，本工程首次提出了鋼桁梁分步合龍技術(shù)，即先合龍兩邊主桁，貫通后再合龍中桁的工藝，將三主桁合龍簡化為兩主桁合龍，改變常規(guī)三桁桁梁的先中桁后邊桁的合龍原則，縮短了合龍周期。

3.3.3 跨中合龍的方法及措施

根據(jù)敏感性分析計算和合龍口兩側(cè)鋼桁梁的測量數(shù)據(jù)，研究采用如下的調(diào)整方法和措施：

1）取消常規(guī)鋼桁梁預(yù)先縱移使合龍口節(jié)點間距滿足“長圓孔鉸接”合龍要求，直接實現(xiàn)高栓孔合龍，完成精確合龍，一步到位，減少了合龍調(diào)整的步驟和時間。

2）采用調(diào)整邊墩支點、張拉吊索塔架第二層扣索及主墩（4號墩）鋼梁整體往跨中頂推等措施粗調(diào)，同時，上下弦桿桿件合龍口設(shè)撐拉桿、手拉葫蘆及溫度變化等措施精調(diào)；跨中合龍口調(diào)整示意如圖8所示。

圖8 跨中合龍口調(diào)整示意Fig.8 Adjustment of closure in the midspan

3）為減小合龍口桿件剛度，合龍段的前一個節(jié)間公路、鐵路橋面板暫不安裝；

4）將合龍口斜桿、豎桿插入式接頭變更為拼接式接頭，減小合龍桿件的安裝難度。

3.4 柔性三拱肋同步豎轉(zhuǎn)控制技術(shù)

天生港航道橋拱肋為箱形截面，跨度大、剛度小，目前常規(guī)的施工方法是在主梁上搭設(shè)高支架拼裝拱肋節(jié)段，由于拱肋距橋面高達60 m，且拱肋節(jié)段重，常規(guī)工藝無法實現(xiàn)，經(jīng)研究采用轉(zhuǎn)體施工。拱肋的轉(zhuǎn)體施工目前國內(nèi)外有很多成功案例，但對于箱形柔性拱肋三主桁轉(zhuǎn)體案例極少。就“柔性拱”而言，因拱肋跨度大、剛度小，轉(zhuǎn)體過程易產(chǎn)生較大變形，并出現(xiàn)受扭或局部應(yīng)力過大情況。就“三主桁”而言，須在拱肋轉(zhuǎn)體全過程中保持三片拱肋同步性，若不同步，將給拱肋橫聯(lián)受力造成不利影響，必須先開展豎轉(zhuǎn)敏感性和施工流程分析計算，進行理論研究和實際操作。經(jīng)敏感性分析，將拱肋不同步嚴格控制在50 mm以內(nèi)，保證拱肋間平聯(lián)應(yīng)力處于可控范圍內(nèi)。首次提出了“主輔牽引同步提升的柔性拱肋轉(zhuǎn)體施工方法”，轉(zhuǎn)體過程中，在每片拱肋上設(shè)置2束牽引索，前端作為主牽引索，承擔(dān)拱肋轉(zhuǎn)體牽引功能，后端索作為輔助索，既保證轉(zhuǎn)體過程中的拱肋整體穩(wěn)定性，又用以調(diào)整拱肋線形，改善拱肋應(yīng)力狀態(tài)。

為了豎轉(zhuǎn)的安全可控，研發(fā)應(yīng)用多主桁柔性拱多點同步提升設(shè)備與控制系統(tǒng)，首次實現(xiàn)三片主桁同步提升豎轉(zhuǎn)。多點同步提升設(shè)備與控制系統(tǒng)由提升油缸、鋼鉸線、拉索錨固系統(tǒng)、液壓泵站傳感檢測及計算機控制和遠程監(jiān)視系統(tǒng)等組成。通過計算機控制和液壓驅(qū)動來實現(xiàn)組合和順序動作，以滿足施工要求。

為實現(xiàn)拱肋豎轉(zhuǎn)全程實時監(jiān)控，研發(fā)了三拱肋豎向轉(zhuǎn)體實時監(jiān)控平臺，監(jiān)控人員可以在計算機上實時查看各拱肋的轉(zhuǎn)體進度、拱肋間高差值、關(guān)鍵部位受力情況等數(shù)據(jù)，確保轉(zhuǎn)體過程全面受控。

4 結(jié)語

天生港專用航道橋的三主桁剛性梁柔性拱結(jié)構(gòu)，鋼桁主梁跨度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雙懸臂拼裝跨度長，結(jié)構(gòu)剛度大，合龍對位點多。柔性三拱肋跨度大，剛度小，豎轉(zhuǎn)同步及變形難度大。在主梁拼裝穩(wěn)定性控制、三主桁相對高差控制、鋼桁主梁合龍、三拱肋豎轉(zhuǎn)等施工環(huán)節(jié)采用諸多創(chuàng)新性的關(guān)鍵技術(shù)，為施工安全提供了可靠保證，將我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的創(chuàng)新之路又向前推進了一步，也為今后類似鋼橋架設(shè)提供了借鑒。