大跨度疊合梁斜拉橋中跨合龍技術(shù)研究

馬寶利

（中鐵十六局集團(tuán)第五工程有限公司 河北唐山 063000）

1 前言

相比一般梁橋，斜拉橋的跨越能力更大；相比同等跨度的懸索橋，斜拉橋的造價又更低，因而斜拉橋成為跨度在300～1 000 m之間橋梁形式的首選［1］。斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)形式主要有鋼桁架梁、混凝土梁、鋼箱梁、鋼混結(jié)合梁等。鋼混結(jié)合梁斜拉橋一般邊跨采用混凝土梁，主跨采用鋼箱梁或者鋼混疊合梁。鋼混疊合梁以混凝土橋面板代替鋼結(jié)構(gòu)正交異性板，提高了橋面剛度，進(jìn)一步改善無砟軌道承軌條件，增加了自重，提供了良好的重力剛度；混凝土橋面板分塊預(yù)制，又可以減小后期收縮徐變的影響。在斜拉橋施工建設(shè)過程中，大橋的合龍是其重要一個環(huán)節(jié)［2－4］，合龍施工質(zhì)量直接關(guān)系到大橋建設(shè)的成敗。本文結(jié)合工程實例，對鋼混疊合梁斜拉橋的合龍施工技術(shù)進(jìn)行分析。

2 工程概況

贛江特大橋位于江西省贛州市章貢區(qū)，為南昌至贛州客運專線跨越贛江的一座特大橋。主橋結(jié)構(gòu)采用（35＋40＋60＋300＋60＋40＋35）m 雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，全長570 m，為半漂浮體系，見圖1。橋塔采用大半徑曲線人字形混凝土塔，塔底以上索塔全高為124.5 m，橋面以上主塔高度為88 m。斜拉索從空間上成雙塔雙索面體系，斜拉索在塔上采用鋼錨箱，在主梁上采用銷接耳板式錨，全橋共設(shè)48對斜拉索。斜拉索在邊跨混凝土梁上的索距為10.5 m，在鋼－混疊合梁上的索距為12 m，塔上拉索錨點豎向間距在1.8～3.0 m之間。大橋主梁從邊跨到跨中依次采用153 m混凝土箱梁、10 m鋼－混結(jié)合段，中間采用244 m鋼混疊合梁，共分為20個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和1個合龍段。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12 m，重3 437 kN，合龍段鋼梁長度4 m，橋面板長6 m。大橋邊跨混凝土梁段與鋼－混結(jié)合段采用鋼管支架逐跨現(xiàn)澆施工，中跨鋼混疊合梁采用懸臂吊裝施工。

圖1 贛江特大橋立面（單位：m）

3 合龍方案研究

3.1 大橋合龍方案

影響斜拉橋合龍施工的因素較多，溫度是眾多因素中的一個重要因素［5－6］。為了克服溫度的不利影響，目前大跨度疊合梁斜拉橋中跨合龍通常有兩種合龍方式：其一為加載合龍（頂推合龍），即合龍段按照設(shè)計理論長度制造，合龍時根據(jù)合龍溫度，通過施加外力來調(diào)整合龍口寬度以方便喂入合龍段梁［7－9］；其二是配切合龍，即根據(jù)現(xiàn)場實測合龍口寬度配切合龍段以便喂入合龍口。上述兩種合龍方案的比較見表1。

表1 中跨合龍方案比較

對上述兩種合龍方案，主要是考慮溫度的作用，若合龍的溫度與設(shè)計基準(zhǔn)溫度相同，則兩種方案只是在施工流程和工藝上略有差別，而無本質(zhì)上的區(qū)別。經(jīng)過方案對比分析，贛江特大橋選擇采用第二種合龍方案。

3.2 大橋中跨合龍存在的技術(shù)難題

（1）大橋合龍時間在8月份，晝夜溫差大，特別是主梁橋面板影響嚴(yán)重，白天主梁頂板與底板溫度梯度大，對大橋合龍時間要求較嚴(yán)格。

（2）大橋主跨跨徑大，跨中合龍口的寬度與合龍口標(biāo)高對溫度變化較為敏感。

（3）主梁跨中采用焊接合龍，合龍段與兩側(cè)主梁的匹配程度要求高，合龍時主梁合龍口間的相對錯位必須解決。

（4）由于施工精度、橋面板臨時荷載以及吊橋機(jī)位置的影響，主梁懸臂端的標(biāo)高在合龍口位置存在一定的高差，故在進(jìn)行合龍段吊裝之前應(yīng)通過調(diào)索的方法調(diào)整合龍口兩邊主梁高程到符合焊接要求的標(biāo)準(zhǔn)高差之內(nèi)。

（5）對于半漂浮體系的橋梁通常有兩種體系轉(zhuǎn)化方式，其一為先漂浮再合龍，其二為先合龍再漂浮。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時，應(yīng)根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)體系和環(huán)境影響因素，選擇最優(yōu)體系轉(zhuǎn)換方式。

（6）大橋中跨每側(cè)的鋼混疊合梁分為10個長度為12 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和跨中的4 m合龍段，采用浮船將鋼混疊合梁運至適當(dāng)位置，由橋面吊橋機(jī)懸臂拼裝施工，而每個節(jié)段的鋼混疊合梁分為鋼箱梁吊裝施工和混凝土橋面板吊裝施工。由于斜拉索的存在，混凝土橋面板只能從主梁的正前方吊裝。跨中合龍口標(biāo)準(zhǔn)寬度為4 m，而合龍段混凝土橋面板長度為6 m，35＃主塔與36＃主塔的第10＃節(jié)段鋼混疊合梁的橋面板以及跨中合龍段的橋面板無法通過跨中合龍口吊上橋面［10－12］。

3.3 大橋中跨合龍步驟

為了解決本橋在合龍施工過程中所述技術(shù)難題，采用先吊裝施工35＃主塔側(cè)的第10＃節(jié)段鋼混疊合梁，再施工36＃主塔側(cè)的第10＃節(jié)段鋼混疊合梁，然后對合龍口寬度連續(xù)觀測確定合龍段長度，最后再施工跨中合龍段，見圖2。具體步驟為：

圖2 合龍施工主要步驟

（1）吊裝35＃主塔側(cè)第10＃節(jié)段的鋼梁，待鋼梁焊接完成后松鉤，安裝35＃主塔側(cè)第12＃斜拉索并初張拉；吊裝施工第10＃節(jié)段的橋面板，并對12＃斜拉索進(jìn)行第二次張拉。

（2）將36＃主塔側(cè)第10＃節(jié)段鋼混疊合梁的橋面板吊至橋面存放到35＃主塔側(cè)的第10＃節(jié)段鋼混疊合梁上，將跨中合龍段橋面板吊至橋面存放到36＃主塔側(cè)第9＃節(jié)段鋼混疊合梁上。

（3）吊裝36＃主塔側(cè)第10＃節(jié)段的鋼梁，待鋼梁焊接完成后松鉤，安裝36＃主塔側(cè)第12＃斜拉索并進(jìn)行初張；將原來放置在35＃主塔側(cè)第10＃節(jié)段鋼混疊合梁上的橋面板轉(zhuǎn)運至36＃主塔側(cè)第10＃節(jié)段鋼梁上施工橋面板。

（4）35＃主塔側(cè)的橋面吊機(jī)前移至第10節(jié)段鋼混疊合梁適當(dāng)位置，調(diào)整第10?！?2＃斜拉索的索力使得跨中合龍口兩側(cè)的第9＃～10＃節(jié)段同時達(dá)到合龍線形（合龍口的標(biāo)高比設(shè)計標(biāo)高高出15 cm，合龍口兩側(cè)主梁的標(biāo)高差在5 mm以內(nèi)）。

（5）對合龍口寬度連續(xù)進(jìn)行48 h觀測，對合龍段鋼梁的長度按照實際合龍溫度下的合龍口寬度進(jìn)行精加工，利用船舶運至大橋合龍口下方江面上。

（6）起吊跨中合龍段喂入合龍口，與兩側(cè)主梁匹配好，并在合龍段鋼梁底板、腹板用馬板與兩側(cè)主梁進(jìn)行臨時鎖定；在夜晚選擇合適溫度對跨中合龍段的鋼梁與兩側(cè)主梁環(huán)縫進(jìn)行焊接，待所有環(huán)縫焊接完成后解除臨時馬板，拆掉邊跨混凝土主梁剩余的支架和中跨鋼－混結(jié)合段的支架并解除主塔與主梁之間的臨時固結(jié)。

（7）將原存放在36＃主塔側(cè)9＃節(jié)段鋼混疊合梁上的合龍段橋面板轉(zhuǎn)吊至跨中合龍段進(jìn)行橋面板施工，待濕接縫混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后進(jìn)行后期預(yù)應(yīng)力張拉，大橋合龍完成。

4 合龍施工計算

合龍施工計算內(nèi)容主要包括跨中合龍口寬度和斜拉索NS10～NS12、GS10～GS12＃的索力調(diào)整值。

（1）有限元模型

模擬全橋施工過程的有限元靜力計算模型采用MIDAS-Civil 2019空間桿系軟件建立，見圖3。主梁、主塔以及輔助墩采用空間梁單元模擬，斜拉索采用只受拉的桁架單元模擬，斜拉索與主塔、主梁之間的約束采用彈性連接中的剛性連接模擬。模型主要材料參數(shù)根據(jù)工地實驗室試驗結(jié)果取值，見表2。全橋模型的節(jié)點數(shù)共計740個，單元數(shù)共計634個，其中主梁316個梁單元，斜拉索96個桁架單元，主塔與墩柱共222個梁單元。模型合龍口長4.0 m，寬17.3 m，合龍口和合龍段有限元模型見圖4～圖5。按照施工進(jìn)程，全橋施工共分為131個施工階段，其中第82個～第100個施工階段為大橋跨中合龍階段，大橋結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換采用先合龍再漂浮的方式。主梁與主塔以及輔助墩之間的約束按照施工過程真實情況模擬。

表2 模型材料參數(shù)

圖3 大橋計算整體模型

圖4 大橋合龍口模型

圖5 合龍段模型

斜拉索考慮由于自重引起的非線性效應(yīng)，拉索的彈性模量用等效彈性模量Eeq代替，等效彈性模量Eeq按照 Ernst公式計算［13］。

式中，E為拉索的彈性模量；A為拉索的截面面積；w為索單位長度重量；l為拉索兩端點水平距離；T為拉索張力。

（2）施工索力計算

根據(jù)施工進(jìn)程，在合龍施工過程中主要進(jìn)行4次斜拉索的張拉，分別為35＃側(cè)第12＃對拉索初張，35＃側(cè)第12＃對拉索二張，36＃側(cè)第12＃對拉索初張，兩側(cè)第10?！?2＃對拉索初調(diào)。經(jīng)過計算，NS10～NS12、GS10～GS12在合龍施工過程中索力見表3。

表3 斜拉索施工索力 kN

（3）跨中合龍口寬度確定

影響跨中合龍口寬度的主要因素是溫度，合龍口的寬度決定了合龍段主梁的長度，所以有必要對合龍口寬度對溫度的敏感性進(jìn)行觀測。合龍口觀測的目的是確定累計梁長以及合龍口寬度與溫度變化的關(guān)系。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，得到在實際合龍溫度時合龍口寬度，以此確定合龍段鋼梁的長度進(jìn)行精加工。觀測的主要內(nèi)容為合龍口寬度以及主梁懸臂前端第8?！?0＃節(jié)段主梁的相對高程，同時測量大氣溫度。在2018年8月24日－25日連續(xù)兩天對贛江特大橋的跨中合龍口寬度進(jìn)行觀測，觀測頻率為每2 h測量一次，連續(xù)觀測48 h。經(jīng)過48 h的連續(xù)觀測得到跨中合龍口的寬度與大氣溫度的關(guān)系，見圖6。在設(shè)計溫度19℃時，合龍口的寬度為4 009.2 mm，通過提前查詢天氣預(yù)報預(yù)測大橋合龍時的大氣溫度為25℃左右，此時合龍口的寬度為3 988.4 mm。考慮到焊縫焊接要求，最后確定合龍段主梁的下料長度為3 958.4 mm。

圖6 合龍口寬度與溫度的關(guān)系

（4）合龍施工

贛江特大橋中跨正式合龍于2018年8月31日，上午8：00 開始起吊，8：30 起吊到位，于9：30 分完成合龍段匹配并采用馬板臨時鎖定，晚上22：00開始合龍段環(huán)縫焊接；9月1日8：00完成鋼梁合龍段環(huán)縫焊接；9月2日開始解除主梁與主塔的臨時固接，9月5日完成臨時固接的解除；9月6日開始橋面板施工，最終于10月14日完成跨中后期預(yù)應(yīng)力的張拉，大橋合龍順利完成。

5 結(jié)論

（1）通過采取合龍口兩側(cè)鋼混疊合梁的不對稱施工、橋面板提前吊至橋面主梁之上、配切合龍段長度等措施，大跨度疊合梁斜拉橋順利合龍。

（2）對大橋主梁跨中合龍段兩側(cè)最后一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段采取先后吊裝施工，將后施工節(jié)段的橋面板與合龍段橋面板提前吊至前方主梁，解決了橋面板無法從合龍口吊裝上來的問題。

（3）通過對施工過程進(jìn)行模擬，得出合龍施工過程中相關(guān)斜拉索的施工索力，解決了主梁臨時存放橋面板和跨中合龍時橋面線形要求。

（4）通過對跨中合龍口的連續(xù)觀測，采取配切合龍段長度的方法代替主梁頂推施工適配合龍段長度的方法，避免了主梁跨中的合龍頂推施工，節(jié)約了工期，降低了施工成本。