七都大橋北汊橋主橋中跨無頂推梯形合龍技術(shù)

位東升 彭旭民

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，武漢 430034；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，武漢 430034）

1 工程概況

七都大橋北汊橋位于浙江省溫州市甌江下游，連接七都島（鹿城七都城市新區(qū)）和永嘉縣，為雙向6 車道城市主干道，設(shè)計車速為60 km/h，設(shè)計荷載等級為公路-I級。主橋創(chuàng)造性采用了曲線截面橋塔、曲線形牛腿，形成了跨徑組合（58+102+360+102+58）m 的雙塔中央索面半飄浮體系結(jié)合梁斜拉橋［1-2］（圖1）。

圖1 七都大橋北汊橋主橋布置示意圖（單位：m）Fig.1 Layout of main bridge of north bridge of Qidu Bridge（Unit：m）

主梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，二者通過剪力釘相結(jié)合，橋面板寬度37.62 m，梁高（鋼箱梁）3.5 m，中跨共45個梁段，標準段梁長8.0 m、平均重量約3 500 kN，合龍段（MH）長4.0 m、重約1 730 kN，中跨梁段頂板開口鋼箱，節(jié)段間采用焊接方式。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，在主梁上的基本索距為8 m，邊跨尾索區(qū)為6 m；塔上索距為2.5 m，全橋共168 根斜拉索，最大斜拉索長度193.8 m。

2 總體施工方案

中跨合龍是斜拉橋施工過程體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工況，合龍方案的合理性、科學性、及時性對體系轉(zhuǎn)換過程中的結(jié)構(gòu)安全、成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形至關(guān)重要［3-4］。為了降低施工誤差、實際合龍溫度與設(shè)計合龍溫度偏差帶來的不利影響，目前國內(nèi)外中跨合龍對于焊接構(gòu)件常用的方法有頂推配切合龍和溫度配切合龍2種方式［5-6］。但七都大橋為中央索面斜拉橋結(jié)構(gòu)，主塔為獨柱圓形曲線型結(jié)構(gòu)（圖2），橫橋向側(cè)面牛腿采用獨具特色的曲線形構(gòu)造，與橋塔整體風格統(tǒng)一，牛腿上設(shè)置拉壓支座，順橋向無操作平臺，不具備采用頂推合龍方式的條件，同時起吊合龍時間大約在2020 年6月10 日至6 月12 日，大橋橋址處日溫差在4 ℃以內(nèi)，合龍口寬度隨溫度變化較小，對合龍配切精度、起吊方式、匹配誤差調(diào)整、臨時鎖定、體系轉(zhuǎn)換時機等均增加了難度。

圖2 七都大橋主塔構(gòu)造示意圖（單位：m）Fig.2 Schematic diagram of main tower structure of Qidu Bridge（Unit：m）

由于七都大橋主梁設(shè)計有豎曲線，施工過程設(shè)置了預(yù)拱度，合龍前合龍口呈現(xiàn)倒“梯形”狀態(tài)，在無頂推、溫差變化較小的情況下，中跨合龍段無法正常吊入合龍口。針對這種情況，本橋在常規(guī)合龍技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了改變，將中跨M21 梁段底板往塔根部方向切割5 cm，使中跨合龍段配切后呈“梯形”，同時為了降低不平衡起吊引起的誤差及對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，將橋面吊機進行改造，采用扁擔吊的方式起吊，在觀測與起吊階段，引入自動采集設(shè)備與系統(tǒng)，通過人工測量與無線傳感器相結(jié)合，對合龍口間距、標高、軸線、梁體溫度、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)進行全面觀測，并將采集到的數(shù)據(jù)處理后通過可視化的形勢呈現(xiàn)在“七都橋智慧合龍駕駛艙”中，實現(xiàn)橋梁合龍的可視化動態(tài)監(jiān)測，極大提高了橋梁合龍的精度及效率，合龍流程見圖3。大橋于2020年6月11日順利起吊并完成高精度匹配，首次將中跨無頂推梯形智慧合龍技術(shù)成功應(yīng)用于中央索面獨柱疊合梁斜拉橋施工中，該技術(shù)的成功應(yīng)用可為類似橋梁的實現(xiàn)無應(yīng)力、高精度合龍?zhí)峁┙梃b和參考。

圖3 中跨合龍流程Fig.3 Mid span closure process

3 中跨合龍關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 施工準備

3.1.1 合龍狀態(tài)分析

大跨度中央索面組合梁斜拉橋?qū)儆谌嵝泽w系，特別是在施工過程中作為時變體系，受各種不確定性因素的影響，很容易使得橋梁結(jié)構(gòu)形成的最終狀態(tài)偏離理想的目標狀態(tài)［7-9］。因此，為達到中跨無應(yīng)力合龍的條件，使合龍后的線形與內(nèi)力滿足設(shè)計要求，須對合龍前主梁前端位移變化的合龍狀態(tài)進行分析，為合龍方案的制定提供依據(jù)。

采用大型有限元軟件MIDAS CIVIL 建立三維模型，主塔采用C55 海工耐久性混凝土，輔助墩、過渡墩采用C40 海工耐久性混凝土，橋面板采用C60 混凝土，鋼梁采用Q345qD，斜拉索為鍍鋅平行鋼絲斜拉索，9 種規(guī)格。邊界條件、臨時荷載與實橋保持一致，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，主塔、主梁、橋墩采用梁單元模擬，材料特性根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果進行修正，模擬施工過程，合龍前起吊使結(jié)構(gòu)理論狀態(tài)如圖4，塔頂往邊跨偏0.216 m，中跨合龍標高41.756 m。

圖4 合龍前結(jié)構(gòu)理論狀態(tài)Fig.4 Theoretical state of structure before closure

影響合龍段長度的主要因素為溫度荷載，在圖4 的狀態(tài)下整體升溫10℃，中跨合龍口寬度減小38 mm；整體降溫10℃，中跨合龍口寬度增大38 mm。臨時荷載引起的合龍段標高變化，可通過斜拉索索力進行調(diào)整，在前端MS21#斜拉索索力增加100 kN，前端豎向位移上升7.5 mm。合龍段匹配完畢、合龍口縱向臨時鎖定、塔梁固結(jié)縱向約束釋放后，考慮支座摩阻力的影響，升溫10 ℃，臨時鎖定構(gòu)件增加的內(nèi)力約830 kN。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)M21 號梁段切割，起吊方式確定及臨時鎖定構(gòu)件數(shù)量的確定。

3.1.2 合龍吊裝方案及臨時鎖定技術(shù)

中跨M21 號節(jié)段施工完成后，頂?shù)装鍫顟B(tài)如圖5所示，底板較頂板往中跨方向偏1 cm，根據(jù)合龍狀態(tài)的參數(shù)影響分析結(jié)果，結(jié)合橋址處日溫差變化小于4 ℃的氣溫條件，結(jié)合滿足切割工藝的要求，底板往邊跨方向切割5 cm，腹板沿圖5的虛線方向切割，合龍由原來的倒“梯形”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤菪巍焙淆?，這樣可保證起吊后合龍段頂板較底板短，可將合龍段順利吊入合龍口，避免了常規(guī)先將梁往邊跨頂開，待合龍段就位后再往中跨回頂帶來的頂推操作風險問題。

圖5 M21梁段切割示意圖Fig.5 Cutting diagram of M21 beam section

中跨合龍段設(shè)計長度4 m，如果采用單臺吊機起吊方式，須在另外一側(cè)施加壓重，壓重只能對稱布置在斜拉索兩側(cè)，容易造成M21 梁段與合龍段匹配時錯臺；如果采用兩臺吊機同時起吊的方式，中跨合龍段長度空間不滿足要求。根據(jù)參數(shù)影響分析，梁端位移對荷載比較敏感，為確保合龍精度，對原橋面吊機進行改造，采用扁擔梁的方式起吊，將中跨合龍段的重量均勻分配至兩臺橋面吊機上，既保證了起吊的同步性，又提高了合龍精度。橋面吊機及吊具的改造方式為：中跨合龍段采用兩臺橋面中間設(shè)置分配梁，在分配梁頂布置兩套提升千斤頂進行吊裝，分配梁采用上下雙拼型H588 型鋼，擱置在橋面吊機的桁架上弦桿位置，同兩側(cè)橋面吊機焊接固定。提升千斤頂采用原橋面吊機的兩套2 500 kN 數(shù)控連續(xù)千斤頂，合龍段長度為4 m，兩道吊耳間距為2 m（隔板間距），小于標準節(jié)段的距離，因此合龍段吊裝用吊具也需要改造，縮短吊具順橋向間距，橫橋向尺寸不變。吊機站位及起吊示意圖如圖6所示。

為保證焊接過程中焊縫不變形、不受力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在合龍段匹配后、臨時約束解除前，對合龍段進行臨時鎖定，本橋采用方便輕盈、受力明確的防拉壓裝置。當合龍梁段接近合龍口時，利用吊機的調(diào)位裝置，使合龍梁段準確地嵌入合龍口。隨后在鋼梁的底板上安裝合龍鎖定裝置，合龍鎖定裝置分別在SM21與MH、NM21與MH的接縫處各設(shè)置六組，由錨板、內(nèi)支撐、對拉桿組成，錨板利用20 mm 鋼板切割焊接而成，內(nèi)支撐采用雙拼20a工字鋼，對拉桿采用?32 mm螺紋鋼。

臨時鎖定裝置錨板與工字鋼內(nèi)支撐提前加工組裝完畢，待合龍段準確嵌入合龍口后，焊工立即進行錨板與接縫兩側(cè)鋼梁底板的焊接作業(yè)，焊接應(yīng)對稱進行，焊接完成后，再將對拉螺桿穿入錨板中，兩端用螺母固定，螺桿兩端的螺母力矩施加盡量遵循分級、對稱的原則，直至兩端螺母完全擰緊，完成合龍鎖定裝置的安裝。

3.1.3 合龍長度觀測

在合龍段安裝前進行鋼梁的連日溫度變形觀測，在確定合龍長度前，進行48 h情況測量以求得溫度、風等環(huán)境因素間距之間的變化關(guān)系。合龍段鋼結(jié)構(gòu)制造時，先在長度方向進行有余量制造，然后根據(jù)現(xiàn)場測量情況計算出合龍段預(yù)拼裝長度，再進行二次切割。

待M21 號斜拉索張拉完成后，將主梁吊機前移至合龍段吊裝位置（前移半個節(jié)段），對合龍段安裝空間進行連續(xù)測量（48 h），每1～2 h 采集數(shù)據(jù)，分析溫度對合龍口長度的影響，測點布置如圖7 所示。分別在斜腹板、中豎腹板頂?shù)滋幉贾帽O(jiān)測點，形成1—1 至4—4 共4 個切割面。選取代表性的24 h 監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)測時間及溫度記錄如表1所示，各對應(yīng)測點長度變化趨勢如圖8所示，整體趨勢為隨溫度升高合龍口長度變短，日溫差最大變化量僅4 ℃，長度變化最大變化量13 mm，與理論計算基本一致，日變化量較小，監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)合龍段鋼梁下料配切。

圖7 合龍長度測點布置示意圖Fig.7 Layout of closure length measuring points

表1 24 h連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 24 h Continuous monitoring data ℃

圖8 合龍長度變化圖Fig.8 Change chart of closure length

3.2 合龍段鋼梁精確匹配制造

合龍節(jié)段提前運輸至現(xiàn)場，鋼梁在加工時兩段各預(yù)留了15 cm 的加工余量，在現(xiàn)場對合龍段安裝空間完成測量后，現(xiàn)場根據(jù)數(shù)據(jù)對鋼梁端口的余量進行切割，切割控制標準為切割完的梁段長度比實測的安裝空間（梁段就位時段的數(shù)據(jù)）短1 cm，根據(jù)環(huán)境溫度，選取夜間凌晨2 點的溫度22 ℃作為合龍溫度，考慮梁段起吊后位移下?lián)显斐傻暮淆埧陧數(shù)卓谧兓绊懀?jīng)修正后的最終配切尺寸見表2 所示。為保證切割質(zhì)量，采用全方位爬山虎便攜式火焰切割機，并對切割面進行坡口處理及打磨。

3.3 智慧選擇合龍時機

合龍口兩端各預(yù)留1 cm 的焊縫間距，精度要求高，合龍時間至關(guān)重要，人工檢測很容易錯過最佳時機。自動化監(jiān)測可實時傳遞與診斷［10］，及時地對合龍時機進行預(yù)測，通過布置傳感器，通過無線傳輸模塊，對合龍口間距、標高、軸線、梁體溫度、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)進行全面動態(tài)觀測，并將采集到的數(shù)據(jù)處理后通過可視化的形勢呈現(xiàn)在“七都橋智慧合龍駕駛艙”中，實現(xiàn)橋梁合龍的可視化動態(tài)監(jiān)測，白天將梁起吊至合龍口，待夜間穩(wěn)定時，根據(jù)合龍駕駛艙反饋的數(shù)據(jù)，根據(jù)圖9 合龍參數(shù)監(jiān)測曲線預(yù)判合龍時機，極大提高了橋梁合龍的精度及效率，實現(xiàn)了采用人機交互方式的智慧合龍。合龍時實測塔偏往邊跨側(cè)偏0.205 cm，SM21、NM21 梁段前端的監(jiān)測點最大高差僅1 mm，實現(xiàn)了高精度合龍。

圖9 七都橋智慧合龍駕駛艙截面示意圖Fig.9 Cross section of Qidu Bridge intelligent closure cockpit

3.4 合龍口鎖定、體系轉(zhuǎn)換及焊接

合龍段匹配后，梁頂采用碼板焊接，梁底采用臨時鎖定裝置固定，同時解除主塔根部的臨時固結(jié)裝置，完成體系轉(zhuǎn)換。體系轉(zhuǎn)換完成后，對鋼梁進行焊接，焊接順序及焊接方向應(yīng)遵循同類焊縫對稱焊接、箱體先內(nèi)后外、由中心向兩邊施焊的原則，具體焊接順序為中豎腹板、斜腹板、底板、頂板、底板加勁肋、中豎腹板加勁肋、斜腹板加勁肋，如圖10所示。

圖10 合龍段鋼梁焊接順序圖Fig.10 Welding sequence diagram of steel beam at closure section

4 結(jié)語

溫州七都北汊橋主橋為獨柱圓形塔中央索面疊合梁斜拉橋，合龍頂推施工風險大，合龍日溫差變化較小，合龍精度要求高。本文將常規(guī)的倒“梯形”合龍改變?yōu)椤疤菪巍焙淆?，采用扁擔吊的方式實現(xiàn)同步起吊，兩臺吊機均勻受力，引入自動采集設(shè)備與系統(tǒng)，對各參數(shù)進行實時可視化動態(tài)監(jiān)測，極大提高了橋梁合龍的精度及效率，同時介紹了合龍工序及焊接順序。大橋于2020 年6 月11 日順利起吊并完成高精度匹配，首次將中跨無頂推梯形智慧合龍技術(shù)成功應(yīng)用于中央索面獨柱疊合梁斜拉橋施工中，該技術(shù)的成功應(yīng)用可為類似橋梁實現(xiàn)無應(yīng)力、高精度合龍?zhí)峁┙梃b和參考。