特大橋鋼箱梁合龍施工控制要點(diǎn)分析

劉凱

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

對(duì)于大跨徑橋梁，使用單一材料通常較難在結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性之間實(shí)現(xiàn)平衡，為此，20 世紀(jì)70年代涌現(xiàn)出鋼筋混凝土組合梁形式，其邊跨混凝土梁能起到壓重作用，確保彎矩分布更加合理，避免邊跨邊支座表現(xiàn)出上拔傾向，同時(shí)又能發(fā)揮鋼梁跨越能力大的性能優(yōu)勢(shì)。鋼筋混凝土混合梁因充分發(fā)揮了鋼材、混凝土材料的性能，故在受力、跨越性能及經(jīng)濟(jì)性方面具有很大優(yōu)越性，在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用也日益廣泛。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)該橋型展開理論研究、試驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)仿真，形成許多研究成果。

1 工程概況

某特大橋全長(zhǎng)為2045.45m，主橋跨徑為（35+40+60+300+60+40+35）m，為混合梁斜拉橋形式，且主梁包括組合梁、混凝土箱梁、鋼筋混凝土組合段。組合梁中心線處梁高為4.5m，橋面寬為16.5m。中跨跨中為鋼箱梁，其余主梁均為混凝土結(jié)構(gòu)、單箱單室斜腹板截面形式；主梁縱向采用全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)變高梁，鋼箱梁部分則采用等高梁。該特大橋主橋?yàn)榇罂鐝交旌狭哼B續(xù)剛構(gòu)橋，與常規(guī)連續(xù)體系梁橋相比存在諸多結(jié)構(gòu)形式方面的特征：主跨并非全部為鋼箱梁設(shè)計(jì)，主跨鋼箱梁兩端所存在的鋼筋混凝土結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜，并設(shè)置有局部預(yù)應(yīng)力鋼束；主跨采用大節(jié)段鋼箱梁后結(jié)構(gòu)自重減輕，為改善主跨受力、提升結(jié)構(gòu)剛度，邊跨應(yīng)小于主跨的1/2，該橋梁邊中跨比為0.42，而常規(guī)混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋邊中跨比取值在0.55～0.59 之間。

2 合龍施工方案

鋼筋-混凝土混合梁斜拉橋合龍施工時(shí)，合龍口必然存在偏差，根據(jù)誤差控制方法的不同，混合梁斜拉橋中跨鋼梁合龍可以采用加載合龍和配切合龍兩種處理方式[1]。加載合龍主要對(duì)梁體施加外力，促使合龍口寬度滿足設(shè)計(jì)要求，并在確保合龍段狀態(tài)不變的情況下保證合龍口匹配，該技術(shù)不會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)內(nèi)力改變，但必須在施工過程中將梁體臨時(shí)約束解除，并借助頂推設(shè)備向梁體施加推力，施工過程頗為復(fù)雜。配切合龍則是根據(jù)合龍口實(shí)際長(zhǎng)度預(yù)制加工合龍段，待達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，便開始合龍段施工，施工過程較為簡(jiǎn)便；合龍后構(gòu)件會(huì)因溫度變化的影響而出現(xiàn)無應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而影響成橋效果。

結(jié)合該特大橋鋼箱梁實(shí)際情況，因加載合龍施工過程中外力的施加會(huì)引起斜拉索角度改變，甚至使整個(gè)過程處于不可控、不確定狀態(tài)，且施工過程較為煩瑣，故該橋梁最終選用配切合龍施工方案。

該特大橋鋼箱梁合龍段預(yù)制橋面板及標(biāo)準(zhǔn)段橋面板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別為7.5m 和11.5m，均超出合龍段長(zhǎng)度，故很難從合龍口上橋吊裝，為此，必須在合龍前將合龍段和合龍前段預(yù)制橋面板吊裝至橋面放置，并待安裝完鋼梁后通過橋面吊機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)安裝。具體而言，通過2 臺(tái)橋面吊機(jī)分別從東西兩側(cè)對(duì)稱安裝鋼箱梁和橋面板至M11 和M12 節(jié)段，再將合龍段橋面板吊裝至M12 節(jié)段，將M12 節(jié)段橋面板吊至M11 節(jié)段；此后更換吊具，通過2 臺(tái)橋面吊機(jī)一起吊裝M12 節(jié)段鋼箱梁；東側(cè)M12 節(jié)段橋面板安裝完畢后張拉鋼絞線。對(duì)合龍口展開48h 持續(xù)觀測(cè)，并通過鋼尺測(cè)量和坐標(biāo)觀測(cè)兩種方式加強(qiáng)合龍口間距測(cè)量及測(cè)點(diǎn)高程控制。在得出觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合龍施工時(shí)間和合龍段下料長(zhǎng)度的確定，此后通過西側(cè)橋面吊機(jī)展開節(jié)段匹配連接，結(jié)束后調(diào)平鋼梁、固定環(huán)縫。最后將臨時(shí)固結(jié)裝置全部拆除。

為保證吊裝合龍施工效果，采用整機(jī)重量為77t、最大額定起重量為180t、起升幅度為6.59～8.85m、最大起升速度為20m/h、液壓千斤頂提升的縱向小變幅橋面吊機(jī)以及分離式雙機(jī)抬吊的施工工法。橋面吊機(jī)整機(jī)工作級(jí)別為A3，機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M4，電源為AC380V/50Hz；設(shè)計(jì)起升高度為70m，鋼絞線容量為16m×80m，鋼絞線提升長(zhǎng)度為80m，支點(diǎn)反力不大于96t×4，錨點(diǎn)反力不大于74t×2。

3 線形控制

該特大橋上部結(jié)構(gòu)施工由懸臂澆筑、邊跨現(xiàn)澆段支架現(xiàn)澆、邊跨合龍、中跨鋼混結(jié)合段施工、中跨合龍段鋼箱梁吊裝等階段組成，工序較為復(fù)雜，在順利完成以上工序并達(dá)到線形控制目標(biāo)后進(jìn)行合龍，存在較大難度。該特大橋線形控制主要包括鋼箱梁線形控制和混凝土梁線形控制兩個(gè)方面，兩者施工工序存在區(qū)別，前者主要采用整體吊裝，而后者則采用節(jié)段懸臂澆筑。

3.1 鋼箱梁線形控制

該特大橋主橋合龍段長(zhǎng)度大，合龍口吊裝存在諸多難點(diǎn)，必須加強(qiáng)大節(jié)段安裝后橋梁整體線形控制，具體如圖1 所示。為保證鋼箱梁安裝階段線形合格，必須確保準(zhǔn)確安裝鋼筋混凝土結(jié)合段，并保證合龍段安裝過程中鋼筋混凝土結(jié)合段實(shí)際標(biāo)高與預(yù)測(cè)標(biāo)高相一致。

圖1 鋼混結(jié)合段施工節(jié)段（單位：cm）

為進(jìn)行鋼箱梁加工階段線形控制，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)線形加工預(yù)制，其線形加工包括工廠無應(yīng)力狀態(tài)加工和現(xiàn)場(chǎng)吊裝兩個(gè)階段，線形控制也主要基于此兩個(gè)階段的位移累計(jì)。鋼箱梁在工廠胎架上以無應(yīng)力狀態(tài)組拼，線形控制相對(duì)容易。此后，在施工現(xiàn)場(chǎng)，主要通過提前設(shè)置在合龍口兩端的橋面吊機(jī)現(xiàn)場(chǎng)吊裝，在這種兩頭起吊的過程中，鋼箱梁基本處于簡(jiǎn)支梁狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的位移即為起吊階段必須考慮的位移，同時(shí)也是構(gòu)成鋼箱梁加工線形中預(yù)拱度的主要部分。待完成鋼箱梁吊裝后，張拉體外預(yù)應(yīng)力，必須將二期恒載施工時(shí)對(duì)應(yīng)的位移作為預(yù)拱度予以考慮和控制。

對(duì)于常規(guī)性連續(xù)剛構(gòu)橋而言，通常直接從模型中提取不同節(jié)段位移累計(jì)值，進(jìn)而預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形量[2]。因該特大橋鋼箱梁合龍段較長(zhǎng)，在采用特殊施工方法后，在計(jì)算合龍段累計(jì)位移時(shí)，激活單元邊界條件和起吊狀態(tài)下邊界條件存在較大差異，故無法按照常規(guī)連續(xù)剛構(gòu)橋計(jì)算合龍段位移累計(jì)值；也會(huì)因結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換而引發(fā)較大的模型計(jì)算誤差，故在施工期間必須準(zhǔn)確識(shí)別并予以修正。

3.2 混凝土梁線形控制

特大橋鋼箱梁主梁線形控制分為高程線形控制和平面線形控制兩個(gè)方面。因該橋梁主橋位于直線段，故其平面線形控制方法與懸臂澆筑混凝土梁完全一致，故應(yīng)將控制重點(diǎn)放在標(biāo)高控制方面。具體而言，采用自適應(yīng)控制法展開該特大橋主橋上部混凝土梁標(biāo)高控制，其中，理論立模標(biāo)高計(jì)算是其高程線形控制的關(guān)鍵所在[3]。設(shè)計(jì)圖紙中將該特大橋鋼箱梁主橋分成左右兩幅，且沿中心線對(duì)稱布置，故只進(jìn)行單幅橋有限元分析。分別應(yīng)用Midas Civil 2020 和橋梁博士V3.03 程序進(jìn)行該特大橋單幅結(jié)構(gòu)校核計(jì)算，單幅橋共分成152 個(gè)單元，包括128 個(gè)主梁?jiǎn)卧?4 個(gè)橋墩單元；并將主要施工階段劃分成66 個(gè)，同時(shí)展開結(jié)構(gòu)累計(jì)位移量的計(jì)算，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出，Midas Civil 2020 和橋梁博士V3.03 程序的計(jì)算結(jié)果具備較好的吻合度；中跨鋼箱梁合龍期間，鋼筋混凝土結(jié)合段累計(jì)位移存在突變，這一點(diǎn)也與普通懸臂連續(xù)剛構(gòu)橋累計(jì)位移變化存在差異?；炷吝B續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍段通常較短，合龍期間即使出現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換也不會(huì)出現(xiàn)累計(jì)位移突變現(xiàn)象，更不會(huì)增大立模標(biāo)高處理難度。

圖2 主梁累計(jì)位移

為加強(qiáng)該特大橋線形控制，保證中跨鋼箱梁精確合龍，必須妥善應(yīng)對(duì)和處理該特大橋鋼筋混凝土結(jié)合段所出現(xiàn)的累計(jì)位移突變，并準(zhǔn)確確定鋼混結(jié)合段安裝標(biāo)高。為此，該特大橋鋼箱梁和中跨15#塊混凝土梁全部在工廠預(yù)制，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過橋面吊機(jī)吊裝，并通過勁性骨架固定鋼混結(jié)合段，再進(jìn)行勁性骨架后澆帶現(xiàn)場(chǎng)澆筑；待鋼混結(jié)合段施工完成后，移動(dòng)吊機(jī)，吊裝鋼箱梁。

4 溫度效應(yīng)控制

因該橋梁主橋?yàn)榛旌狭线B續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)，且主跨合龍段長(zhǎng)度、合龍時(shí)中跨懸臂長(zhǎng)度等均較大，故溫度效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)懸臂混凝土梁段立模標(biāo)高、合龍段合龍精度等均存在較大影響。具體而言，溫度變化會(huì)造成單懸臂狀態(tài)下合龍口大小改變以及吊裝狀態(tài)下中跨鋼箱梁長(zhǎng)度的伸縮。施工過程中，實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)溫度必然存在差異，準(zhǔn)確把握溫度可能產(chǎn)生的影響，加強(qiáng)觀測(cè)，并尋求最佳合龍時(shí)機(jī)，以保證該特大橋鋼箱梁合龍施工精度。

鋼箱梁合龍溫度效應(yīng)分析的側(cè)重點(diǎn)不同于懸臂施工，懸臂施工時(shí)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)變形及溫度應(yīng)力受溫度變化的可能影響，而合龍時(shí)則重點(diǎn)考慮溫度變化對(duì)合龍精度的影響。結(jié)合該橋梁工程所在地氣溫情況，待主墩處在合龍前單懸臂狀態(tài)時(shí)分析溫度效應(yīng)，系統(tǒng)溫度升高及降低10℃和20℃時(shí)合龍口及鋼箱梁位移變化分析結(jié)果如表1 所示。整體而言，合龍口位移變化及鋼箱梁伸長(zhǎng)量均與溫度變化呈線性關(guān)系，在鋼箱梁配切期間必須準(zhǔn)確觀測(cè)關(guān)鍵施工階段環(huán)境溫度，根據(jù)理論分析修正配切量，確保精確合龍。

表1 隨溫度變化的合龍口前端水平位移值

在溫度變化過程中，合龍口標(biāo)高也隨之發(fā)生改變，必須準(zhǔn)確計(jì)算吊裝前、合龍后合龍段鋼箱梁接縫處豎向位移，具體如圖3 所示。由圖3 結(jié)果可以看出，由于體系轉(zhuǎn)換的原因，吊裝前及合龍后同一點(diǎn)在溫度改變后的位移量存在較大差異。吊裝前高程只會(huì)隨環(huán)境溫度的改變而改變，而中跨鋼箱梁合龍后，連接合龍段的斷面便無法按照既有變形規(guī)律而變化，必定會(huì)遵循新的變化規(guī)律，繼而引發(fā)高程線形誤差?？傊?，在鋼筋混凝土結(jié)合段定位過程中必須加強(qiáng)氣溫觀測(cè)，保證安裝標(biāo)高的準(zhǔn)確性；在合龍段鋼箱梁安裝期間，盡可能確保其氣溫與鋼筋混凝土結(jié)合段安裝時(shí)氣溫相一致，以便將誤差降至最低。

圖3 合龍段鋼箱梁接縫處豎向位移

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，特大橋鋼箱梁合龍施工控制存在諸多要點(diǎn)和難點(diǎn)，在控制過程中必須加強(qiáng)模型計(jì)算及其與實(shí)際施工狀態(tài)差異的分析，保證線形控制的精確性。在大節(jié)段鋼箱梁合龍過程中，合龍口存在明顯的突變現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行合理處理可有效保證鋼筋混凝土結(jié)合段安裝高程線形控制精度及成橋后中跨鋼箱梁線形控制精度，且Midas Civil 2020 和橋梁博士V3.03 程序所得到的結(jié)果基本一致。該特大橋鋼箱梁合龍采用勁性骨架自然溫度配切合龍施工方案后，主梁于2021年年底完成合龍，施工過程十分順利，且鋼箱梁成型后線形完全符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體受力可控，合龍質(zhì)量有保證。由此可見，該施工技術(shù)具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。