非對(duì)稱混合梁斜拉橋單向坡龍口跨中合龍關(guān)鍵技術(shù)

張文龍

（中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 工程概況

國(guó)內(nèi)某跨海大橋主橋?yàn)榘肫蝹?cè)非對(duì)稱混合梁斜拉橋，長(zhǎng)961 m，南邊跨鋼箱梁跨徑分別為（60+198）m，北邊跨混凝土箱梁跨徑分別為（49+58+61）m，跨中535 m為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，鋼混結(jié)合段位于跨中距北塔8.5～12.5 m范圍（見(jiàn)圖1）。里程樁號(hào)K13+168.000（主橋起點(diǎn)樁號(hào)）—K13+660.000（縱坡最高點(diǎn)樁號(hào)），坡度為1.5%，其中主跨中心樁號(hào)K13+603.5，距離最高點(diǎn)56.5 m，跨中合龍段位于坡度為1.5%的單向坡區(qū)段。K13+660.000—主橋終點(diǎn)樁號(hào)K14+129.000，該段坡度為-1.0%。南北岸跨中單懸臂各17片梁段，跨中合龍段鋼箱梁長(zhǎng)4 m，含風(fēng)嘴頂板全寬40.5 m，不含風(fēng)嘴頂板寬34 m，中心線處梁高3.204 m，起吊重量81.3 t，為扁平流線型結(jié)構(gòu)。跨中懸臂吊裝前，需完成南邊跨鋼箱梁及北邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁的施工內(nèi)容。南邊跨鋼箱梁位于山頂，設(shè)存梁支架，滑移就位后于跨中梁段懸臂拼裝前定位焊接成整體[1]。本橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度為20℃，合龍高程誤差控制在±15 mm以內(nèi)，相對(duì)高程誤差控制在2 mm以內(nèi)，軸線誤差控制在±10 mm以內(nèi)[2]。

圖1 跨海大橋主橋橋型布置圖（m）Fig.1 Layout plan of main bridge of cross-sea bridge(m)

2 合龍方案選擇

本橋龍口僅4 m，較國(guó)內(nèi)其他類似橋梁長(zhǎng)度短，受橋面吊機(jī)的局限性，采用北岸側(cè)橋面吊機(jī)起吊合龍段，南岸側(cè)配重加載的方案。南岸橋面吊機(jī)完成17號(hào)段鋼箱梁吊裝后，保持相對(duì)工況不動(dòng)。北岸橋面吊機(jī)完成17號(hào)段鋼箱梁吊裝，前移11.25 m，提升系統(tǒng)后退1.75 cm，到達(dá)龍口位置。南岸側(cè)距懸臂端8.25～15.75 m的范圍內(nèi)（7.5 m）壓載800 kN。

配切合龍和頂推合龍是兩種目前大跨度鋼箱梁跨中合龍的常規(guī)方案。頂推合龍時(shí)先解除塔梁臨時(shí)固結(jié)，頂推變位后不宜恢復(fù)，且局部穩(wěn)定性控制難，但對(duì)成橋后的結(jié)構(gòu)體系影響較小。配切合龍一般接近設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下優(yōu)選，對(duì)施工組織要求較高。南邊跨鋼箱梁先于跨中梁段吊裝前定位焊接，預(yù)先設(shè)定了2 cm彈性變形壓縮量。若按頂推合龍方案提前解除臨時(shí)約束，經(jīng)計(jì)算，南塔塔偏11 cm（縱橋向），南側(cè)17號(hào)梁段單元產(chǎn)生4.3 cm（向上）的豎向變形，12.3 cm（小里程側(cè)）的縱橋向變形。合龍段廠內(nèi)制造順橋向每邊加長(zhǎng)10 cm，累計(jì)加長(zhǎng)20 cm，結(jié)合模型計(jì)算，最終選用配切合龍作為合龍方案。

3 龍口狀態(tài)

3.1 線性狀態(tài)

通過(guò)對(duì)南、北岸17號(hào)梁段的軸線、里程、標(biāo)高聯(lián)測(cè)分析，高程：南側(cè)懸臂端當(dāng)前誤差為+4 mm、北側(cè)懸臂端當(dāng)前誤差為-2 mm，整個(gè)懸拼過(guò)程控制較好，合龍后兩側(cè)相對(duì)誤差可控制在10 mm以內(nèi)。軸線：南、北兩側(cè)軸線相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差均控制在10 mm以內(nèi)，滿足合龍口軸線誤差控制要求，將繼續(xù)觀測(cè)其變化情況，合龍時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)拉的方式微調(diào)。里程：南側(cè)懸臂端整體偏短32 mm、北側(cè)偏短14 mm，里程偏差將通過(guò)合龍段（合龍段預(yù)留配切長(zhǎng)度20 cm）調(diào)整。

3.2 溫度及龍口變化

龍口狀態(tài)受溫度影響較大，需嚴(yán)密監(jiān)控，每2 h觀測(cè)1次，連續(xù)觀測(cè)48 h。采集的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用回歸分析的方法找到預(yù)計(jì)合龍時(shí)溫度對(duì)應(yīng)的合龍段長(zhǎng)度。觀測(cè)主要內(nèi)容包括大氣溫度，梁頂、底板溫度，合龍口頂?shù)装鍖挾?、軸線、高程等[3]。2020年8月14日15:00—16日上午5:00，對(duì)龍口連續(xù)觀測(cè)，15日凌晨3:00測(cè)得梁頂最低溫度24.4℃，15日15:00測(cè)得梁頂最高溫度37.7℃，溫差13.3℃。21:00—次日凌晨3:00為溫度較為穩(wěn)定時(shí)間段，龍口變化趨勢(shì)也較穩(wěn)定，為梁段進(jìn)入龍口并完成合龍的最佳時(shí)間段。

兩側(cè)的懸臂長(zhǎng)度達(dá)到265.5 m，當(dāng)溫度變化時(shí)，合龍口寬度會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。根據(jù)計(jì)算，每升溫或降溫5℃合龍口縮短或拉長(zhǎng)3.2 cm。

本橋合龍時(shí)間選擇在23:00—次日凌晨3:00，該段時(shí)間梁面溫度變化區(qū)間30～25℃，根據(jù)上述溫度變化關(guān)系可知，龍口的寬度間隙可增加20 mm，滿足合龍段入口合龍的條件。

4 龍口敏感性分析

4.1 配重敏感性分析

懸臂端配重是常見(jiàn)的一種龍口高程調(diào)整方式，經(jīng)計(jì)算，受南北岸非對(duì)稱混合梁的影響，南、北岸17號(hào)梁段配重100 kN豎向變形分別為2.2 cm和2 cm。

4.2 合龍軸線調(diào)整分析

合龍口軸線調(diào)節(jié)則通過(guò)安裝在兩側(cè)懸臂梁段頂板上的輔助設(shè)施完成[4]。輔助設(shè)施由臨時(shí)吊耳、鋼絲繩、10 t手拉葫蘆及卸扣組成。調(diào)整時(shí)4個(gè)葫蘆斜向?qū)?，將兩?cè)鋼梁軸線調(diào)整至同一軸線上[4]。臨時(shí)吊耳：4個(gè)，位于第1道橫隔板上，距離鋼梁邊緣75 cm，與鋼梁頂板四邊角焊縫連接，每條焊縫長(zhǎng)度150 mm，焊腳尺寸10 mm；鋼絲繩：直徑≥20 mm，長(zhǎng)度36 m；手拉葫蘆：10 t、4個(gè)。經(jīng)理論計(jì)算，每施加5 t對(duì)拉力，軸線位移量南岸側(cè)約11 mm、北岸側(cè)約8 mm。

本橋中跨主梁橫橋向剛度相對(duì)較小，軸線調(diào)整較易完成。本橋軸線偏差僅8 mm，通過(guò)5 t葫蘆對(duì)拉即可滿足要求，且調(diào)整完畢不設(shè)勁型骨架。

4.3 懸臂轉(zhuǎn)角對(duì)合龍口寬度影響分析

考慮本橋合龍段處于單向坡區(qū)，北岸位于上坡段，為保證梁段順利進(jìn)入龍口，將合龍段設(shè)“八”字形結(jié)構(gòu)起吊?？紤]合龍段吊裝對(duì)北岸17號(hào)梁段將發(fā)生豎向位移，因節(jié)段的前端點(diǎn)與后端點(diǎn)豎向位移不一致，17號(hào)梁段將產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變化，繼而影響懸臂前端鋼箱梁底緣的縱橋向位置。根據(jù)模擬計(jì)算分析結(jié)果，起吊合龍段時(shí)北岸17號(hào)梁段前端豎向位移為18.47 cm、后端豎向位移14.69 cm，發(fā)生的轉(zhuǎn)角為0.144 5°，換算至合龍口底板寬度將增加7.8 mm。

5 主梁應(yīng)力分析

本橋?qū)崪y(cè)合龍期間溫差13.3℃，合龍后計(jì)算溫差按15℃考慮。合龍后升溫15℃，主梁上緣應(yīng)力為-17.4 MPa、下緣應(yīng)力為-17.3 MPa。

碼縫期間主梁按持續(xù)升溫+15℃考慮，經(jīng)計(jì)算可得，中跨合龍縫處的溫度內(nèi)力為軸力約-29 256.5 kN、豎向彎矩約816.0 kN·m，其中軸力主要由均勻升溫引起，豎向彎矩主要由鋼箱梁頂板升溫引起，上述荷載即為臨時(shí)鎖梁裝置所需承受的荷載。

6 主要技術(shù)參數(shù)

合龍段配切時(shí)的溫度應(yīng)接近合龍溫度，避免溫度影響[5]。配切長(zhǎng)度影響值計(jì)算為：ΔL=εt×L×（Tmax-Tmin）=1.2×10-5/℃×4 m×1℃=0.048 mm（配切與合龍時(shí)溫差為1℃）。合龍段位于單向坡區(qū)段，對(duì)北岸17號(hào)梁段端部尺寸調(diào)整（見(jiàn)圖2），滿足“八”字口的要求，保證合龍段順利起吊。

圖2 合龍口調(diào)整圖Fig.2 Closure adjustment diagram

為節(jié)約合龍段切配時(shí)間，對(duì)合龍段南岸側(cè)端面的預(yù)留長(zhǎng)度按表1在龍口監(jiān)測(cè)前配切。合龍段在切配前南、北兩側(cè)頂?shù)装寰^加工圖預(yù)留0.1 m切邊長(zhǎng)度，合龍段總切配前長(zhǎng)度為4.2 m。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及南岸側(cè)切邊情況，合龍段北岸側(cè)端面按表2切配，單邊焊縫間隙預(yù)留8 mm。

表1 南塔側(cè)端面切配控制點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 1 Control points data for cutting and matching of south tower side end face

表2 北塔側(cè)端面切配控制點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 2 Control points data for cutting and matching of north tower side end face mm

吊裝初步就位后，梁段精確匹配，用600 mm×500 mm×20 mm的大碼板，頂板8處，底板6處，將梁段空間位置定位牢固。龍口鎖定后，小碼板局部碼平，對(duì)稱同步進(jìn)行[6-8]。碼縫期間按最高升溫+15℃計(jì)算，軸力約-29 256.5 kN。碼板受拉或受壓30 100 kN＞29 256.5 kN，可滿足要求。

7 體系轉(zhuǎn)換

本橋合龍施工組織見(jiàn)表3。合龍鎖定后，按升溫10℃及恒載作用的計(jì)算工況，南塔臨時(shí)固結(jié)將產(chǎn)生合計(jì)縱橋向力約9 800 kN（見(jiàn)表4、表5），可能會(huì)出現(xiàn)安全隱患，故在當(dāng)晚低溫解除臨時(shí)固結(jié)。臨時(shí)固結(jié)采取氣割在下橫梁處拆除，在合龍段大碼板焊接完畢，合龍口鎖定后即刻開始（準(zhǔn)備不少于8把割刀）。先割斷臨時(shí)固結(jié)位置的鋼絞線，然后在臨時(shí)固結(jié)中間合適位置將其割斷。單個(gè)臨時(shí)固結(jié)需割除的長(zhǎng)度為5 274 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單個(gè)臨時(shí)錨固需約2.5 h解除，滿足要求。

表3 施工組織一覽表Table 3 List of construction organization

表4 南塔臨時(shí)固結(jié)反力（合龍后恒載+升溫10℃）Table 4 Temporary consolidation reaction force of south tower(constant load after closing+10℃heating)

表5 北塔臨時(shí)固結(jié)反力（合龍后恒載+升溫10℃）Table 5 Temporary consolidation reaction force of north tower(constant load after closure+10℃heating)

8 效果分析

主橋合龍段于2020年8月17日凌晨完成定位安裝，與原設(shè)定的施工計(jì)劃僅慢30 min，NJ17梁段與SJ17梁段軸線相對(duì)誤差2 mm，合龍段（里程樁號(hào)K13+601.5）與理論高程誤差4 mm，實(shí)現(xiàn)高精度合龍。9月4—6日對(duì)部分斜拉索索力調(diào)整，使主橋線形更加平順，調(diào)索后的主橋整體線形及斜拉索索力監(jiān)測(cè)情況如圖3、圖4所示。

圖3 主橋成橋后跨中各梁段線形差值Fig.3 Linear difference of each beam segment in the mid-span after completion of main bridge

圖4 主橋成橋后跨中索力通測(cè)誤差Fig.4 Measurement error of mid-span cable force after completion of main bridge

鋼箱梁線形誤差滿足控制要求，主梁整體線形平順?？缰兴髁?shù)據(jù)均控制在±10%以內(nèi)，其中平均索力誤差左側(cè)為+3.1%、右側(cè)為+2.2%。

通過(guò)對(duì)合龍口的數(shù)據(jù)分析及施工過(guò)程控制，成功完成主橋高精度合龍施工，對(duì)類似工程的實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。