寬幅鋼箱梁斜拉橋合龍技術與影響因素分析

李湘龍，黃飛鴻，歐陽星，曾有藝，易壯鵬

（長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114）

斜拉橋是一種高次超靜定的組合結構，因其具有整體剛度大、抗風性能優(yōu)良、跨越能力強、結構布置多樣等優(yōu)勢，已經(jīng)成為發(fā)展最快、最具有競爭力的橋型之一［1］。在橋梁建設的過程中，橋梁合龍是非常關鍵的一環(huán)。在實際施工中，橋梁合龍施工控制尤為重要。因此，斜拉橋合龍控制和影響因素是斜拉橋施工控制研究的關鍵。許多學者針對斜拉橋在不同橋型、不同環(huán)境下的合龍技術和成橋敏感性進行了研究。何祖發(fā)等［2-4］對斜拉橋合龍施工控制技術和成橋狀態(tài)時的鋼箱梁和拉索彈性模量、重量等參數(shù)進行主梁線形的敏感性研究。但關于橋梁合龍前各種工況對橋梁線形的敏感性研究相對較少。而在橋梁在合龍施工時的整體溫度、鋼箱梁頂板底板溫差、索力、施工荷載的變化都會對合龍口產生影響［5-6］。分析斜拉橋在懸臂狀態(tài)下各因素對橋梁線形和應力影響的敏感性也是十分必要的［7-9］。因此，本研究以某寬幅斜拉橋合龍施工為工程背景，分析溫差、索力、施工荷載等因素對合龍橋梁線形和應力的影響，并提出最佳的合龍時間段，以期為類似工程施工提供參考與借鑒。

1 工程背景與合龍工序

以某跨徑組合為33+102+183 m的獨塔雙索面混合梁斜拉橋為工程背景，該橋的鋼砼結合點設置在跨徑102 m的邊跨處。該橋共23片鋼箱梁，其中，有20片需吊裝，分別為南側EJ1～EJ13與JH、北側EA1～EAS與AH，邊跨和中跨吊裝合龍段分別為AH段和JH段，剩余3片鋼箱梁AB、E0、JB段均為現(xiàn)拼段。斜拉索在主塔兩側分別有13對索，共52根。南側編號為J1～J13；北側編號為A1～A13。該橋布置如圖1所示。主橋梁寬44.5 m，高4.0 m，主梁采用流線型扁平箱梁。鋼箱梁標準橫斷面如圖2所示?，F(xiàn)場監(jiān)控點設置在外、內腹板和中心位置，標號為T1～T5。塔柱為鋼筋混凝土構件。全橋采用半漂浮體系。

圖1 主橋立面布置（單位：m）Fig.1 Elevation of the main bridge（unit：m）

圖2 主橋鋼箱梁橫斷面（單位：m）Fig.2 Steel box girder cross section of the main bridge（unit：m）

合龍是全橋施工過程中最關鍵的環(huán)節(jié)，其合龍效果將直接影響成橋線形和內力狀態(tài)是否能達到設計要求，是整個施工控制的關鍵。目前，國內的橋梁合龍施工方法主要有兩種：① 頂推合龍施工方法，即在合龍之前，對主梁進行整體的頂推來調節(jié)合龍口的寬度。該方法不用改變合龍段的尺寸大小，但在主梁頂推前，需要提前釋放塔梁臨時約束，且結構體系轉換之后不易恢復［10］。該方法應用在武漢二七長江大橋、洪山廟大橋等橋梁中［11］。② 溫度配切施工方法，即在橋梁合龍前，測量實際合龍口寬度，現(xiàn)場配切合龍段。該方法可避免釋放塔梁臨時錨固的風險，但其受環(huán)境溫度影響較大，故要嚴格控制施工溫度［12］。此方法應用在南京長江第三大橋中［13］。該橋的邊跨和中跨的合龍均采用溫度配切法，邊跨合龍采用雙邊懸臂，同時吊裝EJ6與邊跨合龍段AH，主跨合龍則單邊吊裝EJ13，在現(xiàn)場進行配切施工。通過溫度檢測分析、合龍口線形調整與施工荷載的研究，主梁可處于無應力狀態(tài)，實現(xiàn)橋梁的精準合龍。

2 合龍過程關鍵的因素影響分析

本研究采用BDCMS軟件建立有限元模型［14］，模型網(wǎng)格劃分為365個單元、300個節(jié)點。

2.1 斜拉索索力的影響分析

鋼箱梁斜拉橋在未成橋之前，主梁的縱向剛度較小。此時在懸臂狀態(tài)下斜拉索索力對主梁線形的影響較大。拉索前的計算需要考慮實際的工況，所建立的模型也需要考慮實際現(xiàn)場所產生的臨時荷載。監(jiān)測索力數(shù)值所用儀器為動測儀，根據(jù)斜拉索震動頻率和索力系數(shù)K來計算相應索力。在合龍前，控制合龍口標高與索力最為關鍵。因此，在BDCMS軟件中添加不同工況，研究合龍前二次張拉最邊緣一對索力的變化對標高抬升、下沉的影響和由此產生的主梁應力大小，計算結果見表1和圖3。

表1 斜拉索索力變化時的主梁應變變化值Table 1 Stress change value of main girder induced by the change of the cable forceMPa

圖3 索力變化影響Fig.3 Diagram of cable force variation

在邊跨合龍中，由表1和圖3（a）可知，在二次張拉索力出現(xiàn)±10%變化時，主梁應力的最大變化值達到了4.2 MPa，變化幅度為50%；當二張索力出現(xiàn)±5%變化時，主梁應力的最大變化值為2.2 MPa，變化幅度為21.6%。同時二張索力對合龍口的線形影響也較大，當索力出現(xiàn)±5%變化時，主梁合龍口豎向位移最大差值為9.6 mm；當二張索力出現(xiàn)±10%變化時，主梁合龍口的豎向位移最大差值為18.3 mm［15］。

在主跨合龍中，由表1和圖3（b）可知，在二次張拉索力出現(xiàn)±10%變化時，主梁應力的最大變化值達到了4.8 MPa，變化幅度為18%；當二張索力出現(xiàn)±5%變化時，主梁應力的最大變化值為2.5 MPa，變化幅度為11.7%。從圖3還可以看出，主跨合龍時對索力變化更為敏感，變化幅度也更大。當索力出現(xiàn)±5%變化時，主梁合龍口豎向位移最大差值為28.3 mm；當二張索力出現(xiàn)±10%變化時，主梁合龍口的豎向位移最大差值為52.5 mm。在合龍前最大懸臂狀態(tài)下，鋼箱梁上、下緣應力在索力變化下基本保持一致。

2.2 主梁臨時荷載/配重的影響分析

施工過程中，主梁臨時荷載主要包括橋面吊機、施工建材、主梁維修小車及相關設備等。在橋梁合龍過程中，臨時荷載變化較大會對合龍口線形產生影響。故選取臨時荷載或者現(xiàn)場配重參數(shù)來模擬實際施工工況的橋面吊機荷載誤差、現(xiàn)場臨時荷載的偏差及配重對合龍口線形的影響。計算前，將荷載重量模擬加載在中間T3位置，在其余參數(shù)數(shù)據(jù)不改變的情況下，通過BDCMS有限元軟件計算出在最大懸臂狀態(tài)時主梁的線形及應力變化。有限元計算結果見表2和如圖4所示。

表2 荷載變化下的主梁應力變化值Table 2 Stress change value of the main girder induced by the change of the load MPa

圖4 荷載變化的影響Fig.4 Influence of load change

由表2和圖4（a）可知，在邊跨合龍中，臨時荷載的變化對主梁應力的影響較小。當臨時荷載增加到20 t時，主梁應力的最大變化值為1.4 MPa，變化幅度為24.6%；當荷載增加到50 t時，主梁應力的最大變化值為3.4 MPa，變化幅度最大為60%。但臨時荷載對在最大懸臂狀態(tài)下的合龍口標高影響較大，當臨時荷載分別增加20 t和50 t時，主梁合龍口豎向位移分別達到8.8 mm和22.1 mm。

由表2和圖4（b）可知，在主跨合龍中，臨時荷載變化對應力的影響和邊跨時一樣，影響較小。當施工時臨時荷載增加到20 t時，主梁應力的最大變化值為1.8 MPa，變化幅度為9%；當荷載增加到50 t時，主梁應力的最大變化值為4.5 MPa，變化幅度為22.7%。但在主跨合龍時，臨時荷載對主梁線形的影響很大，在臨時荷載增加20 t和50 t時，主梁合龍口豎向位移分別達到了23.6 mm和58.4 mm。由表2可知，該橋在理想狀態(tài)下，在合龍前隨著臨時荷載的增加，上、下緣應力基本保持一致，且其均與荷載呈線性關系。

2.3 溫度荷載的影響分析

若采用溫度配切法進行合龍施工，雖然合龍速度快，但是施工受溫度的影響也較大。因此，控制溫度也是影響溫度配切法合龍的重要一環(huán)［16］。

在斜拉橋施工中，均勻溫度和梯度溫度均會對合龍產生影響。在合龍段施工時，通常會選擇在溫度穩(wěn)定的時間段進行。因此，合龍時的溫度影響實際上主要是指均勻溫度影響［17］。在鋼箱梁合龍施工中，對現(xiàn)場施工影響最大的因素為溫度影響，所以須確定最佳合龍溫度，其步驟為：① 要查詢當?shù)赝粫r期的氣象資料，預估現(xiàn)場合龍實際溫度是否與模型計算時的溫度相符。若不能達到，則要進行合龍溫度修正計算，以確定實際的合龍溫度，以及相應的溫度調整措施。② 在合龍前，進行24 h的溫度觀測，主要觀測合龍口的溫度場、合龍口兩側的標高及合龍口寬度，觀測頻率為每2 h進行一次，根據(jù)最終觀測的結果來確定最佳合龍時間段［18］。

在合龍前要清理橋面上所有的臨時荷載，確保合龍口處于無應力狀態(tài)。合龍段前、后梁端在減載、加載過程中，應盡量做到上、下游平衡，中邊跨對稱均衡。合龍完成后，立即觀測合龍段兩端高程，并確定是否需要調整預壓重量及焊接合龍段剛性連接的時間。

2.3.1 邊跨合龍

1） 溫度的影響分析。

在邊跨起吊前，需要對其合龍口進行實時溫度及合龍口寬度的實時監(jiān)測。該橋位于廣東省韶關市，邊跨合龍時間于10月份。根據(jù)歷年廣東省韶關市10月氣溫報告可知，韶關市10月份的晝夜溫差近10 ℃，溫差較大，溫度監(jiān)控較為關鍵。研究邊跨在起吊前的最大懸臂狀態(tài)下，整體溫度升降及上、下梁板每相差5、10 ℃時邊跨標高的變化規(guī)律，可為類似工程的現(xiàn)場分析提供理論依據(jù)。

在經(jīng)過實時監(jiān)控后，大氣溫度、鋼箱梁頂?shù)装鍦囟冉Y果如圖5所示。

圖5 邊跨合龍前溫度變化Fig.5 Temperature change before side span closure

溫度分析主要包含整體溫度分析和溫差分析兩個方面。通過有限元模擬計算，其結果如圖6所示。從圖6（b）可以看出，升溫時，鋼箱梁整體呈上凸的趨勢，在主梁懸臂處邊跨合龍口（即EA5）和EJ5處，鋼箱梁呈現(xiàn)下彎趨勢。溫差越大，標高變化起伏也越大，并且溫差引起的標高變化近似于線性關系。

針對鋼箱梁溫差分析，采用了這兩種溫差。從圖6（a）可以看出，只要溫差一致，無論處于何種溫度，其對應的標高變化曲線基本一致，如：頂板10 ℃、底板0 ℃和頂板0 ℃、底板-10 ℃這兩種情況。主梁邊跨合龍口和EJ5兩個懸臂端變化幅度相差較大，其主要原因是在里程1 038 m至1 060 m處受臨時支座的影響，故邊跨處的標高變化比主跨處的小。

從圖6（a）和（b）還可以看出，在邊跨合龍過程中，與鋼箱梁整體溫度相比，鋼箱梁頂、底板溫差對合龍口標高的影響更大，所以選定合龍時間需要考慮鋼箱梁頂、底板的溫度差，保證溫差盡可能小一些。從圖5可以看出，22點至第二天8點，橋梁頂、底板溫度均在24 ℃左右，溫差較小，與理論模型分析中的25 ℃較接近，該時間是合龍較適合的時間段。

2） 合龍長度的確定。

在測量合龍段24 h的溫度和合龍段長度時，由于合龍段寬度較小，采用鋼卷尺進行長度測量。但該橋為雙向8車道，橫向寬度較大，故測量過程中橫向測點布置較密?，F(xiàn)場在合龍段兩側同時測量合龍口兩邊梁頂?shù)装宓腡2～T4，共12個測點，選取合龍口長度，監(jiān)測L1～L6，測點布置如圖7所示，每隔2 h測量一次長度。

合龍段無應力制造長度的計算式為：

式中：Lx為無應力制造長度；Lc為測量長度；Lt為溫度影響量（若實際合龍溫度大于基準溫度，則取正值；反之，則取負值）；Lh為焊縫寬度，預留給施工方的寬度為20 mm；Lz為合龍口兩側的鋼箱梁高差產生的轉角誤差值；Lg為高差修正量［19］。

經(jīng)過對比分析，選取上午6點的數(shù)據(jù)，通過計算，頂?shù)装迳?、下游合龍長度L1～L6分別為9 933、9 915、9 915、9 989、9 976和9 962 mm。

2.3.2 中跨合龍

1） 溫度分析。

該橋中跨合龍采取的工藝為溫度配切合龍法，與邊跨合龍一致。在合龍前24 h，每隔2 h測量一次溫度，測量結果如圖8所示。由于合龍時間為12月，溫度變化相對不大，但合龍時，中跨在最大懸臂狀態(tài)下對溫度的敏感性應比其在邊跨合龍時的更高，故應做好理論計算，確?，F(xiàn)場精準合龍。

與邊跨合龍相似，計算整體和頂、底板溫差，結果如圖9所示。從圖9（b）和圖6（b）可以看出，在整體溫差分析中，隨著懸臂端的增長，中跨合龍時主梁的線形變化受整體溫度變化的影響更明顯。當整體溫度變化幅度為±10 ℃時，合龍口位移最大達到了21.1 mm、整體溫度變化幅度為±5 ℃時，合龍口位移最大達到了10.7 mm。從圖9（a）可以看出，當主梁上、下板溫差達到10 ℃時，線形影響較大，最大豎向位移達到47.8 mm，故在中跨合龍中，同樣要盡量選擇頂?shù)装鍦夭钶^小的時間段。對比圖8可知，15∶00至19∶00為相對較好的合龍時間段。

圖9 主跨合龍溫度變化影響Fig.9 Influence of temperature change of middle span closure

2） 合龍長度確定。

中跨合龍段設計長度為7 m，跨徑較小，所以采用鋼卷尺來進行合龍前的合龍口寬度測量。由于此橋為寬幅橋，且與邊跨合龍相比，中跨合龍對溫度、荷載、索力等因素的敏感性更高，為保證橋梁順利合龍，寬度測量點的線路增加了4條（頂、底板各2條路徑），測量點及布置如圖10所示。采用式（1）計算合龍長度。

圖10 中跨JH合龍段測量點布置Fig.10 Layout of measuring points in JH closure section of middle span

以計算L1為例：Lc測量長度為7 070 mm，經(jīng)過計算，Lt受溫度影響量為15 mm（實際合龍溫度低于基準溫度），Lh焊縫寬度和邊跨時的相同，均為20 mm，轉角誤差值Lz和高差修正量Lg分別為6 、3 mm。由式（1）可得，L1為7 026 mm

3 結論

本研究以一座寬幅獨塔鋼箱梁斜拉橋邊跨和中跨合龍施工過程為背景，分析施工合龍工序，并研究溫度、臨時荷載和索力對合龍口的影響，得到以下結論：

1） 在合龍時，溫度對主梁線形影響較大，屬于主要敏感參數(shù)。其中，頂?shù)装鍦夭畹挠绊懸黠@大于整體溫度變化的影響，故在鋼箱梁橋合龍施工控制中，要著重注意頂?shù)装宓臏夭睢?/p>

2） 在合龍時，臨時荷載和對主梁線形的影響也為主要敏感參數(shù)。在理想條件下，主梁增加的應力和荷載呈線性關系。

3） 索力與溫度和荷載相比，對主梁線形的影響相對較小，屬于較敏感參數(shù)。在索力調整變化時，上、下緣應力變化基本一致。