南沙港鐵路洪奇瀝特大橋主梁合龍技術研究

高天馳， 李周， 蔡玉龍， 鄭熒光

(1.華南理工大學， 廣東 廣州 510665； 2.中建科工集團有限公司)

1 工程概況

南沙港鐵路洪奇瀝特大橋為鐵路鋼桁柔性拱結構橋梁，主跨為下承式連續(xù)鋼桁梁柔性拱結構，全橋長998.8 m，跨度布置為(138+360+360+138) m，如圖1所示。主梁為鋼桁梁，采用華倫式，由兩片主桁組成，桁高16 m，桁間距15 m，寬跨比為1/24。上下弦桿均采用焊接箱形截面，腹桿根據受力分別采用工字形和箱形截面；拱肋矢高65.0 m，采用箱形截面柔性拱；吊桿按橫截面方向布置雙吊桿，采用極限強度為1 670 MPa的高強度鋼絲；上弦桿、下弦桿、腹桿、節(jié)點板采用Q370qE鋼材，彈性模量為2.1×105MPa，容許軸向應力為210 MPa，容許彎曲應力為220 MPa；上平聯(lián)、下平聯(lián)、橫聯(lián)、縱梁間連接角鋼采用Q345qD，彈性模量為2.1×105MPa，容許軸向應力為200 MPa，容許彎曲應力為210 MPa；鋼桁梁采用栓焊結合的整體節(jié)點。橋面系采用縱橫梁明橋面，在兩片鋼桁下弦節(jié)點處設置橫梁，橫梁間通過4根縱梁相連，縱梁在橫橋向間距2 m，縱梁間通過系桿相連。

圖1 跨度布置圖(單位：m)

該橋采用先梁后拱的施工順序，鋼桁梁分節(jié)段懸臂拼裝合龍后，在主梁上臥拼拱肋，吊裝合龍；分批張拉吊桿，成橋后進行調索。鋼桁梁最大懸拼距離為98 m，鋼梁安裝施工難度大。該文主要介紹洪奇瀝特大橋鋼桁梁合龍的關鍵施工控制技術。

2 主梁無應力合龍方案

2.1 無應力合龍原理

鋼桁梁無應力合龍，即通過工程措施使得合龍口處于無應力狀態(tài)，即：

N=0，Q=0，M=0

(1)

總體思路就是通過尋找不同體系轉換臨界狀態(tài)，“模糊”不同體系的差別，使結構始終在一次成橋結構上進行加載和卸載，在彈性范圍內，只要加載=卸載，結構成橋內力不變。

2.2 主梁合龍方案

主梁分別從邊墩和中墩懸臂拼裝，合龍口設置在中跨的跨中位置，由于中跨的跨度比較大，在中跨設置臨時墩L-1和L-2，臨時墩L-1距離合龍口68.5 m，L-2距離合龍口82 m。為克服懸拼末端沉降造成的高差，該橋采用將237#墩及臨時墩L-3下落，臨時墩L-1及臨時墩L-2起頂?shù)姆绞綄淆埧谶M行調整。主梁施工示意圖如圖2所示。

圖2 主梁施工示意圖

洪奇瀝水道鋼桁梁柔性拱特大橋主梁合龍時，施工難點主要有：

(1) 合龍口桿件多，示意圖如圖3所示。桿件之間靠高強摩擦螺栓連接，在安裝過程中出現(xiàn)誤差調整空間較小，要實現(xiàn)標高、里程及軸線3個方向的無應力合龍，精度要求高。

圖3 合龍口示意圖

(2) 懸拼跨度大，合龍口幾何位置對調整措施、環(huán)境溫度以及臨時荷載較為敏感。

(3) 洪奇瀝水道所在地氣候較為炎熱，合龍溫度與設計基準溫度相差較大，克服溫度變化調整量較大，進一步提升了合龍的難度。

3 合龍施工控制技術

鋼梁合龍前處于懸臂受力的最不利狀態(tài)。合龍口調整時，不論是橋面吊機行進還是頂落梁的施工措施，都會對鋼梁受力產生影響，因此，此階段的監(jiān)控工作非常重要，主要分為3部分：

(1) 通過理論分析，計算鋼梁各位置的變形值，在實際施工時，密切關注合龍口的位移變化及其相對高差值。

(2) 通過理論分析，計算鋼梁合龍過程中的應力狀態(tài)，在實際施工時，密切關注關鍵桿件的應力變化情況，并與理論值進行對比。

(3) 通過理論分析，計算出在合龍口調整各階段的支點反力，可以為現(xiàn)場施工時各支點處布設千斤頂提供指導，同時也可以通過現(xiàn)場千斤頂?shù)挠蛪罕碜x數(shù)來驗證理論值的精確性。

3.1 頂落梁調整措施

懸臂拼裝導致合龍兩側存在轉角，上弦桿與下弦桿的里程不同，即合龍口成“八字口”的狀態(tài)，所以需要通過頂落梁對合龍口姿態(tài)進行調整。

采用將237#墩及臨時墩L-3落梁，臨時墩L-1及臨時墩L-2起頂?shù)姆绞綄淆埧谶M行調整，合龍口調整示意圖如圖4所示。

圖4 合龍口調整示意圖

合龍前，主梁是連續(xù)梁結構，合龍口姿態(tài)調整時，為避免支點處反力和主梁內力過大，主梁采用剛體轉動，則各支座的頂落梁值之間存在線性幾何關系。如下式所示：

(2)

該文采用Midas軟件建立主梁合龍的有限元模型，如圖5所示，通過施加節(jié)點強制位移實現(xiàn)頂落梁的措施，各支點處頂落梁值對合龍口標高及里程的影響如表1所示。

圖5 主梁合龍的有限元計算模型

表1 各支點頂落梁值對合龍口標高及轉角的影響

表1中標高的負值為向下，正值為向上，轉角的正值為圖5中順時針方向，負值為逆時針方向。從表1可以看出：237#墩及臨時墩L-3落梁時，合龍口兩側標高上升，影響因子分別為0.068和0.97；臨時墩L-1和臨時墩L-2起頂時，合龍口兩側標高增大，影響因子分別為1.841和2.004。

根據頂落梁調整措施及各支點頂落梁值的影響因子的計算，可以確定各支點頂落梁值的大小。理論計算結果中，考慮了主梁自重與施工臨時荷載的合龍口小里程側的轉角為0.002 28，大里程側的轉角為-0.002 67。為使合龍口兩側轉角為零，并結合式(1)、(2)及表1的計算結果,各支點頂落梁值a1、a2、a3、a4分別為-37、27、28.5、-28.5 cm。

進行頂落梁前小里程與大里程合龍口標高值分別為-17.4、-24.8 cm。各支點頂落梁值和合龍口標高值確定后，根據頂落梁值對合龍口兩側標高的影響因子可以計算出合龍口兩側的標高為：小里程側h1=29.79 cm，大里程側h2=29.55 cm，兩側理論高差為0.24 cm。實際施工時，按計算的頂落梁值進行合龍口調整后，合龍口小里程側標高的實測值為29.84 cm，大里程側標高實測值為29.31 cm，合龍口兩側高差為0.53 cm，小于合龍容許高差值1 cm，滿足合龍要求。頂落梁前后主梁理論與實測線形如圖6所示。各施工階段合龍口高程與高差變化如表2所示。

圖6 頂落梁前后主梁線形示意圖

表2 各施工階段合龍口兩側相對高差變化

在最大懸臂狀態(tài)下，鋼桁梁合龍口最大理論變形值為24.9 cm，最大實測變形值為24.8 cm，全鋼桁梁理論與實測線形最大變形誤差為0.3 cm(出現(xiàn)在頂落梁后E16和E23節(jié)點)，小于容許變形誤差值1 cm，鋼桁梁強度和剛度狀態(tài)良好。

鋼梁各施工階段的應力變化值如圖7所示。從圖7可以看出：在各個施工階段鋼梁內實測應力值與理論計算值吻合較好：其中合龍階段實測最大應力值最大，為135.1 MPa，出現(xiàn)在臨時墩L-2上弦桿位置，與理論計算值的誤差為-3.64%；臨時墩復位階段實測最大應力值為96.2 MPa，出現(xiàn)在238#墩頂上弦桿位置，與理論計算值的誤差為+2.85%，誤差較小。且合龍調整階段，鋼梁的應力遠小于容許應力值210 MPa，結構處于安全狀態(tài)。

圖7 鋼梁各施工階段的應力變化值

各支點計算與實測支反力結果如表3所示。從表3可以看出：支反力實測值與計算值誤差較小，均在10%以內。除臨時墩L-1支反力實測值略大于計算值外，其余墩頂實測值均小于計算值，千斤頂使用比例最高為60%，各支點結構安全，有限元計算結果準確，可以精確指導施工。

表3 各支點支反力結果

3.2 合龍溫度影響

鋼結構受溫度的影響非常大，由于鋼桁梁受到日曬比較均勻，所以溫度對鋼桁梁的影響主要在里程方向，溫度影響下鋼梁伸長量δ可按下式計算：

δ=α×L×ΔT

(3)

式中：α為線膨脹系數(shù)，取1.2×10-5/℃；L為鋼梁長度；ΔT為溫度差。小里程側梁長度為304.5 m，大里程側梁長度為180 m，所以溫度升高5 ℃時，合龍口小里程側里程的變化值為0.9 cm，大里程側里程的變化值為-1.5 cm，合龍口減小約2.4 cm，正值為沿著X軸正方向，負值為沿著X軸負方向。

在設計基準溫度20 ℃條件下，合龍口理論長度為9.013 m，實測長度為8.987 m。從施工安全和溫度變化趨勢等方面綜合考慮，確定合龍溫度為32～38 ℃(按照35 ℃考慮，合龍口誤差在2 cm內可以通過施工措施進行調整)，合龍口長度會減小約7.2 cm，合龍段會伸長約0.2 cm。綜合考慮，將小里程側鋼梁向小里程方向縱移9.4 cm。在實際施工過程中，調整前、后理論合龍口長度與合龍段長度隨溫度變化如圖8所示，里程實際合龍誤差約為0.3 cm。

圖8 合龍口與合龍段長度隨溫度變化關系

3.3 吊裝方式影響

該橋小里程側吊機總重210 t，大里程側吊機總重240 t，合龍口單根下弦桿重量約為70 t，采用哪一側吊機吊裝合龍口桿件以及另一側吊機的位置會直接影響合龍口的線形，對合龍工程有較大的影響，合龍口兩側吊機位置如圖9所示。

圖9 合龍口兩側吊機位置示意圖

由圖9可以看出：大里程側吊機吊裝合龍桿件與小里程側吊機吊裝合龍桿件的區(qū)別在于小里程側吊機需前移一個節(jié)間，即13.5 m。經有限元模型計算可知，大里程側吊機吊裝下弦桿時，合龍口大里程側標高降低1.1 cm；小里程側吊機吊裝下弦桿時，合龍口小里程側標高降低1.4 cm。

吊機位置選擇需根據施工組織安排及合龍口線形控制的要求進行，該橋實際施工時選用大里程側吊機吊裝合龍段下弦桿，實測大里程側合龍口標高降低1.0 cm。而前文的各支點頂落梁對合龍口標高的影響因子也是以此為基礎進行計算。

4 結論

洪奇瀝水道鋼桁梁柔性拱特大橋具有跨度大、合龍口多、安裝精度高、受施工措施、合龍溫度和臨時荷載影響大的特點。采用頂落梁和對主梁進行縱移的方式對主梁進行無應力合龍，通過研究，得到以下結論：

(1) 根據主梁合龍口理論轉角，確定了各支點的頂落梁值分別為：237#墩下落37 cm，臨時墩L-1上頂27 cm，臨時墩L-2上頂28.5 cm，臨時墩L-3下落28.5 cm，調整后合龍口兩側理論高差為0.24 cm，實測高差為0.53 cm。

(2) 溫度對主梁影響主要在里程方向，每升高5 ℃，合龍口減小約2.4 cm，考慮合龍溫度影響后將小里程側鋼梁向小里程方向縱移9.4 cm，實測合龍里程誤差約為0.3 cm。

(3) 吊裝方式不同將對合龍口標高造成影響，使用大、小里程側吊機對合龍段進行吊裝時理論計算該側合龍口分別下降1.1、1.4 cm，實際施工中使用大里程側吊機進行吊裝，實測大里程側合龍口下降1.0 cm。

通過對頂落梁值、溫度及橋面吊機站位等參數(shù)的影響因子進行計算，可以為實際施工提供建議和指導，主要體現(xiàn)在以下幾點：

(1) 確定了頂落梁值以后，根據現(xiàn)場需要，可以選擇合適的時機進行調整，如在主梁架設至臨時墩L-1和L-2時，將各支點標高調整到位，因為此時臨時墩的支反力最小，只需較少的千斤頂就可以完成調整工作，且調整時間可以根據現(xiàn)場情況靈活選擇，既節(jié)約了工期，也降低了施工成本。

(2) 實際施工時，由于合龍溫度等因素影響，合龍口線形處于動態(tài)變化的過程，而計算了溫度的影響因子后，可以選擇最佳合龍溫度。

(3) 由于合龍口桿件采用高強螺栓連接，對合龍口線形的精度要求非常高，實際合龍時，通過頂落梁、溫度、橋面吊機等綜合措施對主梁線形進行微調，將合龍口的高差和縱向間距的誤差均控制在5 mm以內。

洪奇瀝水道鋼桁梁柔性拱特大橋主梁已順利完成高精度合龍，線形平順，誤差滿足規(guī)范要求。該橋主梁合龍控制技術可以為類似工程提供參考。