長(zhǎng)門(mén)特大橋中跨鋼箱梁合龍技術(shù)

楊天偉，林高鵬，龔 山

(中交一公局廈門(mén)工程有限公司，福建 廈門(mén) 361000)

0 引言

長(zhǎng)門(mén)特大橋是福州繞城高速公路東南段工程項(xiàng)目中重要的控制性工程，主橋全長(zhǎng)848m，結(jié)構(gòu)形式為(35+44+66)m+550m+(66+44+35)m雙塔雙索面混合梁斜拉橋，為塔梁墩固結(jié)體系，是塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋國(guó)內(nèi)最大跨徑、世界第二跨徑。中跨鋼箱梁全長(zhǎng)495m，位于斜拉橋中跨對(duì)稱布置，合龍段鋼箱梁梁寬38.5m、梁長(zhǎng)15m，設(shè)置4道橫隔板、間距3.188m，2道縱隔板、間距15.2m(見(jiàn)圖1)。合龍段采用4臺(tái)橋面吊機(jī)吊裝施工，合龍段梁段重約280t。

該橋合龍為跨度>500m的雙塔塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋中跨合龍，為我國(guó)橋梁建設(shè)史上首次嘗試，中跨鋼箱梁精確合龍是否成功決定了整座橋梁的線形及受力狀況。本文通過(guò)對(duì)以往斜拉橋中跨合龍技術(shù)進(jìn)行分析研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合長(zhǎng)門(mén)特大橋橋況，采用無(wú)勁性骨架自然溫度配切方案實(shí)現(xiàn)中跨合龍。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及合龍口姿態(tài)進(jìn)行連續(xù)性觀測(cè)，確定合龍溫度和配切參數(shù)，以順利實(shí)現(xiàn)中跨合龍，確保合龍精度滿足要求。

1 合龍方案比選確定

鋼箱梁采用橋面吊機(jī)懸臂拼裝，全橋施工控制采用標(biāo)高索力雙控法。中跨合龍是鋼箱梁安裝的重要環(huán)節(jié)，安裝質(zhì)量直接影響主梁線形和受力狀況。

1)長(zhǎng)門(mén)特大橋合龍段長(zhǎng)達(dá)15m，若采用勁性骨架中跨合龍，則需設(shè)置體量龐大的勁性骨架。

2)勁性骨架能承受的彎矩小，需龐大的壓重水箱，短時(shí)放水量大。

3)無(wú)勁性骨架合龍方式在九江長(zhǎng)江大橋、武漢沌口長(zhǎng)江大橋等大跨度斜拉橋中已多次使用，工藝成熟。

4)長(zhǎng)門(mén)特大橋采用塔梁墩固結(jié)體系，溫度合龍是唯一選擇，而且無(wú)體系轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，中跨合龍段采用無(wú)勁性骨架自然溫度配切法施工工藝。

2 合龍施工技術(shù)

通過(guò)對(duì)合龍口連續(xù)觀測(cè)，確定合龍溫度及合龍段安裝長(zhǎng)度，對(duì)鋼箱梁段進(jìn)行配切，吊裝鋼箱梁，實(shí)現(xiàn)中跨合龍。

1)合龍段鋼梁北岸匹配、南岸配切。

2)不設(shè)置勁性骨架，在南岸側(cè)安裝固定消能裝置。

3)本橋合龍精度要求高、合龍時(shí)間緊迫。

4)主跨跨度達(dá)550m，溫度變化1℃將導(dǎo)致合龍間隙變化約5.9mm。

5)合龍時(shí)合龍段與兩側(cè)16號(hào)梁段間隙允許范圍小，單側(cè)間隙一般在6～10mm時(shí)方可將合龍段吊進(jìn)，而>25mm則無(wú)法保證良好的焊接質(zhì)量(現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝試驗(yàn)，常規(guī)焊縫寬度為6～28mm，最大縫寬30mm)。

6)起吊安裝過(guò)程不可逆轉(zhuǎn)，考慮航道安全和運(yùn)輸船舶安全，合龍段起吊后必須在當(dāng)夜完成合龍固定工作。

7)盡可能選擇陰雨天氣進(jìn)行合龍，減少環(huán)境溫度對(duì)合龍的影響。

中跨合龍總體流程為：16號(hào)梁段安裝、17號(hào)斜拉索一張→更換吊具，橋面吊機(jī)移至合龍位置→17號(hào)斜拉索二張→卸荷邊跨第3孔支架→調(diào)控和龍口形態(tài)→和龍口48h觀測(cè)→和龍口單端配切→起吊合龍段→合龍段精匹配→北岸碼定、焊接→南岸碼定、焊接→橋面吊機(jī)松吊，恢復(fù)斜拉索索長(zhǎng)。

3 合龍施工工藝

3.1 合龍前準(zhǔn)備

3.1.1鋼箱梁運(yùn)輸

鋼箱梁在集中加工廠加工成整段后，采用運(yùn)輸船運(yùn)輸至橋位區(qū)吊裝。運(yùn)輸船舶停至裝船碼頭，拋錨固定，采用轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)將鋼箱梁節(jié)段由存梁區(qū)運(yùn)到港池，用600t門(mén)式起重機(jī)吊起鋼箱梁梁段直接落在船舶甲板上，完成積載。吊裝如圖2所示。

圖2 梁段裝船吊裝示意

JH鋼箱梁裝船配載時(shí)采用單層的配裝方式，裝載節(jié)段梁如圖3所示。

圖3 合龍段裝船配載示意

鋼箱梁與甲板四周焊止動(dòng)塊，以防止鋼箱梁滑動(dòng)，兩側(cè)采用角鋼焊接加固。在裝船時(shí)，盡量使鋼箱梁中心線與船舶中心線重合。

3.1.2前期梁段安裝及測(cè)量

3.1.2.1前期梁段質(zhì)量控制

中跨合龍前14～16號(hào)段鋼箱梁安裝加強(qiáng)對(duì)線形、索力、橋塔偏位及應(yīng)力方面的控制和監(jiān)測(cè)，對(duì)不滿足要求的項(xiàng)目及時(shí)調(diào)整。為確保合龍段與兩側(cè)懸臂端頭梁段的平順連接，將重點(diǎn)控制好軸線及高程偏差。

1)軸線控制，先調(diào)正再減差 梁段前、后控制點(diǎn)(T2，T5)軸線偏差相同，即梁段軸線調(diào)正與橋軸線平行；梁段軸線偏差值<10mm(使用平錯(cuò)的方法調(diào)梁)；南、北岸梁段軸線相對(duì)偏差值<10mm。

2)高程控制，先調(diào)平再減差 前端左、右控制點(diǎn)(T1，T3)相對(duì)高差<5mm，梁段高程偏差值<10mm，南、北岸梁段高程偏差一致，同高或同低。

施工控制采用標(biāo)高索力雙控法，在14～16號(hào)梁段二張偏于照顧梁段的高程(見(jiàn)圖4)。

圖4 鋼箱梁幾何控制點(diǎn)布置(頂板)

3.1.2.2前期梁段測(cè)量

從14號(hào)梁段開(kāi)始，每段梁安裝均進(jìn)行兩岸軸線和標(biāo)高的聯(lián)測(cè)。15，16號(hào)梁段的測(cè)量工作交由北岸統(tǒng)一控制，確保梁段標(biāo)高和軸線對(duì)合龍姿態(tài)的影響程度達(dá)到最小。

3.1.3橋面吊機(jī)性能

1)橋面吊機(jī) 采用縱向小變幅橋面吊機(jī)，使用分離式雙機(jī)抬吊施工方法，額定最大起重量約為180t。橋面吊機(jī)設(shè)有步履式驅(qū)動(dòng)裝置，可在橋面自行前進(jìn)或后退(見(jiàn)圖5)。

圖5 橋面吊機(jī)

2)橋面吊機(jī)工作特征 待17號(hào)斜拉索一張后，對(duì)橋面吊機(jī)進(jìn)行前移，前支點(diǎn)站位位于16號(hào)梁段第2道橫隔板處，后錨點(diǎn)距離前支點(diǎn)11.25m。鋼梁的縱向及橫向調(diào)節(jié)通過(guò)起升、變幅、索具調(diào)整等進(jìn)行精確控制。

3)橋面吊機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 如表1所示。

表1 橋面吊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4)更換吊具 17號(hào)斜拉索進(jìn)行一張后，將大型吊具拆除并移走，安裝橋面吊機(jī)小型吊具。橋面吊機(jī)起吊位置變幅到8.813m。

5)吊裝位置 完成吊具更換后，橋面吊機(jī)前移。吊機(jī)前支點(diǎn)位于16號(hào)梁段江側(cè)第2道橫隔板位置，后錨位于15號(hào)梁段江側(cè)第1道橫隔板位置，該位置需增設(shè)后錨座螺栓孔(見(jiàn)圖6)。

圖6 吊裝位置

橋面吊機(jī)到達(dá)指定位置，進(jìn)行17號(hào)斜拉索二張。

3.1.4邊跨支架卸除

17號(hào)索二張后，對(duì)剩余的第3孔邊跨支架進(jìn)行卸載。從結(jié)構(gòu)安全和體系轉(zhuǎn)換要求來(lái)說(shuō)，只需使得現(xiàn)澆支架與邊跨混凝土梁底板脫開(kāi)即可。南岸將7號(hào)墩到8號(hào)橋臺(tái)的6根鋼管支架卸落裝置進(jìn)行卸載，北岸將2號(hào)墩到1號(hào)墩的現(xiàn)澆支架卸落裝置進(jìn)行卸載(見(jiàn)圖7)。支架卸荷的同時(shí)，及時(shí)清除現(xiàn)場(chǎng)多余荷載、布置施工臨時(shí)荷載(檢查車(chē)、電焊機(jī)等)。

圖7 對(duì)邊跨支架進(jìn)行卸荷

3.1.5預(yù)案汽車(chē)式起重機(jī)試載

在合龍當(dāng)天采用南、北岸一邊2臺(tái)汽車(chē)式起重機(jī)在15，16號(hào)梁段位置進(jìn)行預(yù)壓，以臨時(shí)調(diào)整合龍口標(biāo)高。在合龍前通過(guò)汽車(chē)式起重機(jī)在不同位置對(duì)鋼梁前端進(jìn)行量測(cè)，確定汽車(chē)式起重機(jī)位置對(duì)標(biāo)高的影響值。

3.1.6合龍口姿態(tài)調(diào)整

在邊跨第3孔支架卸除及橋面荷載處理完成后，進(jìn)行合龍口姿態(tài)調(diào)整。在進(jìn)行合龍口姿態(tài)觀測(cè)時(shí)，必須使測(cè)量時(shí)合龍口的姿態(tài)與合龍段起吊后的姿態(tài)相同。因此，需進(jìn)行合龍口姿態(tài)調(diào)整，合龍口姿態(tài)調(diào)整通過(guò)計(jì)算確定，以15～17號(hào)索的索力(索長(zhǎng))調(diào)整為主要手段，主要內(nèi)容如下。

合龍口姿態(tài)調(diào)整包括合龍口縱斷面形狀、兩側(cè)16號(hào)梁段前端高程和軸線。

合龍口高程調(diào)節(jié)措施主要是調(diào)整中跨15～17號(hào)斜拉索索長(zhǎng)(邊跨拉索進(jìn)行同步調(diào)整)，調(diào)索長(zhǎng)前做好索頭外露量記錄，以便合龍后恢復(fù)。將兩側(cè)鋼梁前端左、右幅高程調(diào)至同一標(biāo)高，即起吊后設(shè)計(jì)標(biāo)高。

合龍口軸線調(diào)節(jié)則通過(guò)安裝在兩側(cè)16號(hào)梁段頂板上的調(diào)位裝置完成，將兩側(cè)鋼梁軸線調(diào)整至同一軸線上(見(jiàn)圖8)。

為減少溫度影響，合龍口形狀的精確調(diào)整在溫度恒定的夜間或陰雨天進(jìn)行。

調(diào)整完畢后，進(jìn)行橫向鎖定。此后，鋼箱梁前端不得出現(xiàn)既定以外的荷載。

3.1.7合龍口48h連續(xù)觀測(cè)

合龍口的狀態(tài)對(duì)氣溫變化非常敏感，存在合龍段無(wú)法嵌入合龍口或焊縫過(guò)寬風(fēng)險(xiǎn)。為確保中跨合龍的可控性，需對(duì)合龍口狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。觀測(cè)的目的是通過(guò)大量觀測(cè)，采用回歸分析方法找到預(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)容包括合龍口頂?shù)装鍖挾取冶矍岸?個(gè)梁段的相對(duì)高程。合龍口寬度觀測(cè)時(shí)應(yīng)配合索溫、塔溫、梁溫、氣溫觀測(cè)；測(cè)1次合龍口寬度，就要測(cè)1次索溫、梁溫、塔溫，這樣便于監(jiān)控單位進(jìn)行溫度修正和預(yù)測(cè)，在溫度穩(wěn)定時(shí)間段還應(yīng)配合索力測(cè)量。

觀測(cè)頻率為每2h測(cè)量1次，在日出前后2h和日落前后2h測(cè)量頻率增加至每1h測(cè)量1次，連續(xù)觀測(cè)48h；可根據(jù)觀測(cè)情況適當(dāng)增加測(cè)量頻率。

合龍口寬度測(cè)量采用手持式激光測(cè)距儀(1臺(tái))進(jìn)行。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定合龍溫度和合龍口寬度，以此決定合龍段精加工的形狀、長(zhǎng)度。

觀測(cè)時(shí)機(jī)：17號(hào)斜拉索二張完成，完成橋面臨時(shí)荷載清理，合龍口姿態(tài)調(diào)整達(dá)到要求后。

觀測(cè)參數(shù)：環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，合龍口寬度，中跨懸臂端前3段梁段高程、軸線。

觀測(cè)時(shí)段及頻率：觀測(cè)時(shí)間段為第1天19：00至第3天19：00，連續(xù)48h觀測(cè)，晚間每1h觀測(cè)1次、白天每2h觀測(cè)1次。

鋼箱梁頂板設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別位于邊中腹板位置及梁軸線；底板設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別位于邊中腹板位置及底板和斜底板的交點(diǎn)，具體布置如圖9所示。

圖9 合龍口觀測(cè)點(diǎn)布置

3.1.8合龍溫度及配切長(zhǎng)度確定

通過(guò)連續(xù)觀測(cè)，確定合龍溫度和合龍段配切長(zhǎng)度，合龍溫度為25℃，配切溫度與合龍溫度相同，誤差≤5℃。

3.1.9合龍段配切及運(yùn)輸

合龍段在鋼梁制作廠加工時(shí)預(yù)先按設(shè)計(jì)梁長(zhǎng)增加20cm長(zhǎng)度進(jìn)行制作。合龍段配切采用單端配切，北岸側(cè)作為匹配端，南岸側(cè)作為配切端。

合龍段提前到場(chǎng)，得出配切長(zhǎng)度后在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸船上進(jìn)行配切。配切長(zhǎng)度測(cè)量放樣采用鋼尺，且該鋼尺必須與觀測(cè)時(shí)的手持式激光測(cè)距儀相校正。合龍段配切放樣時(shí)的溫度需接近合龍溫度，避免溫度影響(見(jiàn)圖10)。配切與合龍時(shí)溫差為5℃時(shí)，配切長(zhǎng)度影響值為15×5×1.2×10-5=9×10-4m=0.9mm。

圖10 吊裝過(guò)程標(biāo)高測(cè)量區(qū)域

3.1.10合龍段檢查車(chē)軌道配切及安裝

同步配切檢查車(chē)軌道，配切長(zhǎng)度同合龍段底板配切長(zhǎng)度，16號(hào)梁段的檢查車(chē)軌道前端相對(duì)位置必須提前精確量測(cè)。

檢查車(chē)軌道4個(gè)端頭提前切割下來(lái)一段25cm長(zhǎng)配切段，待合龍段匹配完成后再進(jìn)行配切安裝。該軌道的配切段在合龍當(dāng)天晚上，碼板基本碼定完成，即可連夜進(jìn)行安裝。

3.2 中跨合龍

3.2.1合龍段吊裝

溫度對(duì)合龍口姿態(tài)的影響很大，因此合龍段吊裝選擇在有利天氣進(jìn)行合龍段吊裝作業(yè)，長(zhǎng)門(mén)特大橋合龍段吊裝當(dāng)天為陰雨天氣、無(wú)持續(xù)風(fēng)向微風(fēng)、晚間氣溫26℃左右，當(dāng)天天氣對(duì)合龍段吊裝影響較小。為了減小溫度對(duì)合龍口姿態(tài)的影響，確保合龍段順利喂入合龍口，在吊裝當(dāng)天，在南、北兩岸各安排1臺(tái)灑水車(chē)，對(duì)梁段頂面灑冰水，保證鋼箱梁頂面呈現(xiàn)濕潤(rùn)狀態(tài)，對(duì)鋼箱梁進(jìn)行降溫處理。

在合龍段吊裝前，向海事等相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)航道管制，由海事警戒中心對(duì)閩江航道進(jìn)行管制。

待航道管制后，拋錨定位船駛進(jìn)施工水域進(jìn)行拋錨定位，運(yùn)梁船進(jìn)場(chǎng)并通過(guò)纜繩與拋錨船連成整體，利用拋錨船松拉錨繩，逐步完成運(yùn)輸船的精確定位。運(yùn)輸船完成定位后，橋面吊機(jī)繼續(xù)下放吊具至合龍梁段頂面，水上作業(yè)人員用銷(xiāo)軸將吊具與鋼梁上的臨時(shí)吊耳進(jìn)行連接。

在鋼箱梁起吊前，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)鋼梁上的臨時(shí)吊耳進(jìn)行全面檢查，確定無(wú)誤后再行吊裝作業(yè)。

起吊過(guò)程中注意4臺(tái)橋面吊機(jī)同步協(xié)調(diào)，每提升5min進(jìn)行1次梁段調(diào)平；采用手持式激光測(cè)距儀定時(shí)量測(cè)合龍段四角相對(duì)高差，及時(shí)將合龍段鋼箱梁調(diào)整水平，盡量避免不均衡受力。2臺(tái)手持式激光測(cè)距儀須提前進(jìn)行校正。

鋼箱梁吊裝至不影響拋錨船正常移動(dòng)的高度后，運(yùn)輸船和拋錨船先后駛離施工水域。當(dāng)合龍段接近合龍口底板時(shí)，暫停起吊，觀測(cè)合龍口姿態(tài)，利用南、北岸4臺(tái)橋面吊機(jī)進(jìn)行16號(hào)梁段配重，以調(diào)整合龍口姿態(tài)，在確定合龍口姿態(tài)滿足合龍段喂入合龍口后開(kāi)始喂梁。

合龍段吊裝采用單側(cè)橋面吊機(jī)S形小距離提升方案，通過(guò)南、北兩側(cè)的橋面吊機(jī)替換提升，緩慢將合龍段喂入合龍口，合龍段嵌入合龍口過(guò)程中，在邊腹板兩端設(shè)置手拉葫蘆進(jìn)行輔助，每側(cè)配置4套5t手拉葫蘆，調(diào)整鋼箱梁位置以便鋼箱梁順利提升。合龍段嵌入合龍口后，安裝臨時(shí)匹配定位螺桿，完成合龍段吊裝。

3.2.2梁段精度匹配及焊接

3.2.2.1吊裝初步就位后，立刻開(kāi)始北岸側(cè)匹配

通過(guò)4臺(tái)橋面吊機(jī)調(diào)整頂面標(biāo)高，與兩側(cè)16號(hào)梁段平齊。北岸側(cè)焊縫寬度調(diào)整采用兩側(cè)定位螺桿的松緊，軸線調(diào)整采用手拉葫蘆。通過(guò)高程和軸線的反復(fù)調(diào)整，確保兩側(cè)焊縫寬度均勻、北岸側(cè)縫寬滿足焊接要求，確保兩側(cè)斷口對(duì)接平順，尤其是邊縱腹板頂部對(duì)齊順直。

北岸精調(diào)完成后，采用大碼板將合龍段與北岸側(cè)16號(hào)梁段焊接固定，防止梁段移動(dòng)。同時(shí)，采用小碼板進(jìn)行梁段碼平。在南岸側(cè)大碼板暫時(shí)僅一端與合龍段或S16號(hào)梁段焊接(見(jiàn)圖11)。

圖11 大碼板固定

北岸固定后，設(shè)置定位板，間距≤30cm，將梁段空間位置和已架設(shè)梁段在xz平面內(nèi)定位牢固，然后再進(jìn)行局部碼平，且打碼過(guò)程必須對(duì)稱同步進(jìn)行；定位板附近碼平后方可割除定位板。

碼平工作必須在吊裝當(dāng)夜完成，在第2天8：00前完成腹板焊接和頂?shù)装宓拇虻缀附印?/p>

3.2.2.2南岸固定合龍口

在適當(dāng)溫度，南岸側(cè)縫寬滿足要求時(shí)進(jìn)行合龍口固定。將大碼板另一側(cè)與鋼箱梁焊接，確保0.5h內(nèi)焊接完畢。隨后進(jìn)行局部碼平工作，即刻開(kāi)始鋼箱梁焊接，在第2天8：00前完成腹板焊接和頂?shù)装宓拇虻缀附印０惭b并恢復(fù)鋼箱梁檢查車(chē)軌道；完成焊接后，橋面吊機(jī)松鉤并后退；拆除橋面吊機(jī)；恢復(fù)16～17號(hào)索長(zhǎng)至二次張拉索長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)門(mén)特大橋中跨合龍采用無(wú)勁性骨架自然溫度合龍方案，于2018年6月10日完成合龍，整個(gè)合龍過(guò)程十分順利。大橋成型后的線形符合要求，整體受力處于可控狀態(tài)，合龍質(zhì)量得到有效保證。通過(guò)對(duì)超大跨徑塔梁墩固結(jié)體系斜拉橋超長(zhǎng)合龍段的合龍施工工藝及控制措施進(jìn)行詳細(xì)研究，保證了合龍施工質(zhì)量。