跨河橋梁主梁合龍施工控制探討

摘要 為探索大跨徑鋼桁梁斜拉橋主梁合龍施工的可行思路及控制要點(diǎn)，文章以某跨河雙塔雙索面斜拉橋?yàn)槔?，結(jié)合工程實(shí)際提出頂推配切合龍方案，應(yīng)用Midas Civil軟件構(gòu)建該跨河橋梁實(shí)橋有限元分析模型，對各施工階段結(jié)構(gòu)張拉索力、墩頂偏位、合龍對頂力等展開模擬；進(jìn)而從合龍口姿態(tài)調(diào)整、合龍溫度確定、現(xiàn)場試頂及合龍施工等方面對施工控制要點(diǎn)進(jìn)行分析探索。結(jié)果表明，采取合龍口姿態(tài)調(diào)整、外側(cè)斜拉索張拉索力優(yōu)化、合龍口溫度及坐標(biāo)持續(xù)觀測、合龍段桿件配切長度確定、主梁頂推等控制措施后，此大跨徑鋼桁梁斜拉橋主梁合龍施工質(zhì)量得到較好控制，合龍施工精度符合要求。

關(guān)鍵詞 跨河橋梁；主梁；合龍；施工控制；溫度效應(yīng)

中圖分類號 U441文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0067-04

0 引言

鋼桁梁斜拉橋因受力形式簡單，剛度有保證，運(yùn)行期間基本不會出現(xiàn)大規(guī)模徐變，維護(hù)工程量也明顯低于其余橋型，在公路橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用程度較為廣泛。但是，因跨越河流、山谷、溝壑等原因，此類橋型跨徑持續(xù)加大。如遇環(huán)境溫度驟變、混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變、主梁合龍預(yù)應(yīng)力鋼束荷載作用等因素的綜合作用，其結(jié)構(gòu)受力、偏位等方面的累積效果便快速顯現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)研究成果，主梁合龍期間通過向合龍口側(cè)部梁施以對頂力并提前增設(shè)墩頂偏位，能較好抵消以上不利影響。但此類結(jié)論很少得到主跨跨徑超300 m鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的證實(shí)。基于此，該文依托大跨徑橋梁實(shí)際，對合龍口側(cè)部梁施加對頂力，提前增設(shè)墩頂偏位等措施對此類橋梁主梁合龍施工中的應(yīng)用過程及效果展開分析研究，以資借鑒。

1 工程概況

某跨河橋梁采用雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，鋼桁梁主要采用的是增設(shè)副桁形式的板桁梁設(shè)計(jì)，其所對應(yīng)的橫截面呈倒梯形狀，立面為三角形。橋塔結(jié)構(gòu)則主要按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個橋梁總共布設(shè)的鋼絲斜拉索有160根，長度位于110.89～347.97 m之間，總重量達(dá)到8.2～43.62 t。

根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，鋼桁梁斜拉橋受力穩(wěn)定，桿件運(yùn)輸和拼裝均簡便，施工快捷，在我國公路交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。與整體吊裝鋼桁梁結(jié)構(gòu)相比，散件的拼裝對運(yùn)輸、地形地貌要求較低。該跨河橋梁所處河道受季節(jié)性水文因素變化的影響，水深及河道寬度變幅大，無法通過水路展開鋼桁梁整節(jié)段吊裝施工。為此，按照設(shè)計(jì)要求，將鋼桁梁劃分為93個節(jié)段，借助橋面吊機(jī)拼接桿件，此后通過懸臂形式對稱吊裝；斜拉索的張拉施工則滯后1個節(jié)間展開。其中，僅在主墩前3個節(jié)間處布設(shè)支架，過渡墩結(jié)構(gòu)以及輔助墩結(jié)構(gòu)處的支架全部省去。待以懸臂施工形式拼裝至以上兩類墩體部位后，則借助千斤頂設(shè)備使得主桁架持續(xù)頂升，直到達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高為止；隨后完成支座安裝。合龍口僅布設(shè)在中跨跨中，并按照9.7 m的標(biāo)準(zhǔn)長度控制。

2 主梁合龍方案

2.1 合龍方案設(shè)計(jì)

結(jié)合《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3365-01—2020），在斜拉橋主梁所面臨的合龍施工實(shí)際溫度較大、偏離設(shè)計(jì)溫度時，常規(guī)的合龍配切便無法保證主梁合龍施工質(zhì)量。而通過頂推工藝能夠克服這種實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)溫度相差較大的情形，保證合龍效果。結(jié)合施工組織設(shè)計(jì)要求，該跨河橋梁主梁合龍安排在2022年5月，根據(jù)氣象資料，此期間工程所在地環(huán)境溫度高出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度，兩種溫度差異造成的主梁無應(yīng)力長度誤差，借助頂推修正；而懸臂梁長對應(yīng)的誤差累計(jì)值則通過合龍配切修正。值得注意的是，散件拼裝合龍施工所耗費(fèi)的時間長于整體吊裝合龍施工時間。為此，該跨河橋梁最終選用頂推配切工藝^[1]展開主梁中跨合龍，所涉及的關(guān)鍵施工流程包括：進(jìn)行合龍段姿態(tài)調(diào)整并展開為期2 d的連續(xù)觀測，準(zhǔn)確確定出不同桿件的配切尺寸；結(jié)合施工圖明確配切桿件栓孔位置。將千斤頂設(shè)置在7#塔梁臨時固結(jié)段，所對應(yīng)的臨時約束在頂推前徹底釋放。

頂推時先展開7#塔側(cè)鋼桁梁施工，待完成合龍桿件吊裝并匹配好8#塔側(cè)主梁后，再緩慢回移7#塔側(cè)鋼桁梁。主副桁合龍任務(wù)則在栓孔重合并施打沖釘、安裝螺栓后結(jié)束。此后將塔梁臨時固結(jié)全部解除，待合龍施工結(jié)束后展開其余結(jié)構(gòu)安裝。

2.2 主梁合龍控制要點(diǎn)

該跨河橋梁合龍施工需要應(yīng)對以下要點(diǎn)：合龍期間斜拉橋主梁所對應(yīng)的懸臂長增大，必須在綜合考慮環(huán)境溫度、載荷水平、索力影響等因素的基礎(chǔ)上展開合龍口位置的選??；鋼桁梁以及混凝土梁合起來的總重量比較大，這無形中增大了主梁縱向調(diào)整難度。此外，該斜拉橋主梁合龍施工期間必然涉及各種形式桿件，相鄰桿件間連接主要借助高強(qiáng)螺栓實(shí)現(xiàn)，可能會增大連接誤差調(diào)整難度，十分不利于合龍精度控制。最后，該橋梁所在地區(qū)氣候變幻無常，增大了合龍溫度的預(yù)測及控制難度。

3 有限元分析

3.1 模型構(gòu)建

通過Midas Civil軟件構(gòu)建該跨河橋梁實(shí)橋有限元分析模型^[2]，其中，主梁、橋墩和拱肋等結(jié)構(gòu)全部借助梁單元展開模擬，吊索則通過受拉單元模擬。結(jié)合節(jié)段在具體施工過程中的可能布置，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元劃分。此外，還應(yīng)當(dāng)按照固結(jié)形式連接橋墩樁基底部。按照以上思路，將分析模型共劃分成5 792個單元和3 210個節(jié)點(diǎn)。

3.2 模擬分析結(jié)果

3.2.1 張拉索力

為確定出最優(yōu)的斜拉索張拉施工方案，必須在主梁位于最大懸臂狀態(tài)時保證合龍口兩側(cè)主梁結(jié)構(gòu)平順，塔梁臨時固結(jié)必須處于受壓狀態(tài)。結(jié)合模擬結(jié)果，為達(dá)到以上目的，1#和2#斜拉索張拉索力應(yīng)控制在成橋索力理論值的80%；3～20#斜拉索實(shí)際張拉索力按成橋索力理論值的100%控制^[3]。按照以上思路控制后，合龍前主梁豎向位移模擬結(jié)果見表1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，按照100%的成橋索力理論值展開3～20#索一次張拉就位后，主梁合龍口豎向位移達(dá)到0.96 m，形成大角度夾角，對主梁正常合龍?jiān)斐刹焕绊憽?8～20#索按優(yōu)化索力張拉就位后，主梁懸臂端豎向位移呈對稱形式，無大角度夾角形成，合龍施工條件完全具備。

3.2.2 墩頂偏位

在設(shè)計(jì)溫度下展開主梁合龍，必須充分考慮合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束可能造成的偏位以及成橋后混凝土收縮徐變^[4]。借助模型展開合龍段墩頂偏位程度的預(yù)測分析，結(jié)果見表2。表中“+”表示墩頂向主墩側(cè)的偏位，“?”表示墩頂向主墩側(cè)相反方向的偏位。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，因受到混凝土收縮徐變的作用，7#和9#墩偏位值分別為43.9 mm和51.2 mm；在張拉鋼束施工的影響下，7#和9#墩偏位依次為22 mm和24.6 mm?？梢哉f兩種作用下7#和9#墩偏位表現(xiàn)出相同的方向，且均偏向主墩側(cè)。在設(shè)計(jì)溫度下展開合龍施工時，采取相應(yīng)措施將以上兩種原因造成的7#和9#墩墩頂偏位分別控制在?64.7 mm和?76.1 mm。

如果實(shí)際合龍施工溫度高出設(shè)計(jì)溫度，合龍后因溫度降低必將引發(fā)邊主墩偏移，偏移的方向必定與以上兩種作用引起的墩頂偏位向保持一致。并且，合龍施工期間實(shí)際溫度越高，這種偏位會越明顯。為此，該跨河橋梁主梁合龍施工期間的實(shí)際溫度應(yīng)不超出設(shè)計(jì)溫度。

3.2.3 合龍對頂力

結(jié)合以上對合龍墩頂偏位的模擬分析結(jié)果，通過向合龍口兩端同時施加反向集中力，便可根據(jù)墩頂實(shí)際表現(xiàn)出的偏位值展開對頂力的反試算。結(jié)合氣象資料，該跨河橋梁主橋合龍過程中橋址處溫度變化幅度位于9～31 ℃之間，即使在夜間，溫度也在10～16 ℃之間變動。經(jīng)過比較，最終決定在夜間1：00—6：00之間環(huán)境溫度基本穩(wěn)定在15 ℃時展開合龍。溫度變化所引起的合龍對頂力取值情況的變動見表3。

結(jié)合表中結(jié)果，若該跨河橋梁在10～11 ℃的較低溫度下合龍，相應(yīng)的對頂力取21 000 kN；在合龍溫度升至12～14 ℃時，對頂力增大至25 900 kN；當(dāng)合龍溫度繼續(xù)升至15～16 ℃并接近設(shè)計(jì)所要求的施工溫度時，相應(yīng)節(jié)段處的對頂力取值相應(yīng)增大至28 600 kN。也就是說，該斜拉橋不同橋墩處的偏位值必然隨著合龍施工過程中實(shí)際溫度值的升高而表現(xiàn)出增大趨勢，相對應(yīng)的合龍段對頂力取值必定增加。

待徹底完成該斜拉橋合龍段對頂結(jié)構(gòu)的鎖定操作后，其實(shí)際結(jié)構(gòu)所面臨的真實(shí)受力體系也主要從原T構(gòu)相應(yīng)更新成多跨徑組成的連續(xù)性結(jié)構(gòu)。由此所帶來溫度的大幅變化十分不利于邊墩結(jié)構(gòu)以及主墩結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定。因該斜拉橋所在地區(qū)環(huán)境溫度變幅大，故以主梁合龍鎖定后結(jié)構(gòu)溫度整體升高至35 ℃為主墩最不利受力工況。該工況下墩身應(yīng)力模擬結(jié)果見表4。

根據(jù)表中模擬結(jié)果，7#墩和9#墩墩身應(yīng)力均隨著合龍施工溫度的升高而減小。表明合龍鎖定狀態(tài)達(dá)到后結(jié)構(gòu)溫度的改變必定影響到墩身應(yīng)力取值。在各溫度水平下，墩身最大應(yīng)力值均未超出施工階段控制應(yīng)力值，故墩身結(jié)構(gòu)受力偏安全。

4 主梁合龍施工控制

4.1 合龍段配切長度

環(huán)境溫度、桿件預(yù)制誤差等均對鋼桁梁斜拉橋懸臂拼裝施工過程存在影響，進(jìn)而引起主梁合龍段長度誤差。其合龍段配切長度必須在合龍口調(diào)平，持續(xù)觀測合龍口側(cè)邊縱梁標(biāo)高、施工溫度、弦桿標(biāo)高、合龍口寬度并準(zhǔn)確掌握主梁合龍口寬度變動趨勢的基礎(chǔ)上綜合確定，據(jù)此展開主梁懸臂施工誤差累計(jì)值修正^[5]，以確保主梁無應(yīng)力長度值的可靠穩(wěn)定。

4.2 合龍口姿態(tài)調(diào)整

為了達(dá)到較好提升該大跨度斜拉橋主梁懸臂端轉(zhuǎn)角和高程匹配程度的目的，為主梁合龍后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、線形平順提供保證，必須通過斜拉索張拉索力優(yōu)化的方式調(diào)整合龍口姿態(tài)。這種方式與常規(guī)的調(diào)索、配重相比，省去了配重工作量，幾乎不存在施工誤差對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響；姿態(tài)調(diào)整的準(zhǔn)備工作于合龍前展開，時間充裕。

該跨河橋梁第1～21#斜拉索張拉就位一次完成，中跨和邊跨最末端的22～24#斜拉索依次按照成橋索力的70%、60%、50%張拉，此后再進(jìn)行補(bǔ)張拉。通過對最末端斜拉索張拉優(yōu)化結(jié)果的比較看出，其一次張拉后主梁懸臂端轉(zhuǎn)角明顯增大，顯然達(dá)不到主梁合龍后線形要求；而按照設(shè)計(jì)成橋索力的相應(yīng)幅度張拉后，懸臂端轉(zhuǎn)角平順，主梁合龍精度有保證。充分表明該鋼桁梁斜拉橋懸臂施工期間，借助斜拉索張拉索力的優(yōu)化展開合龍口姿態(tài)調(diào)整的思路切實(shí)可行。

4.3 合龍溫度確定

4.3.1 合龍前溫度的連續(xù)觀測

為進(jìn)行合龍段施工溫度、配切長度等參數(shù)的確定，必須在合龍前展開溫度持續(xù)觀測。在施測前，借助纜索吊機(jī)將等質(zhì)量和數(shù)量的混凝土塊吊運(yùn)至主跨跨中暫行堆放，以便在連續(xù)觀測時構(gòu)建起與合龍施工期間相同的荷載條件，保證觀測結(jié)果的合理可靠。在以上準(zhǔn)備工作全部完成后，對合龍口上弦桿和下弦桿相應(yīng)位置螺栓孔間距、軸線、標(biāo)高以及結(jié)構(gòu)溫度、環(huán)境溫度等展開為期2 d的持續(xù)觀測，施測過程每間隔2 h便進(jìn)行1次。具體而言，通過鋼尺和拉力計(jì)的配合測量合龍口弦桿螺栓孔距，各測點(diǎn)均需取得至少3組測值，取其均值。該研究僅列示持續(xù)觀測1 d的結(jié)果見圖1，其中，合龍口標(biāo)高、軸線觀測時間為上午8：00至次日上午8：00；合龍口間距觀測時間為上午10：00至次日上午10：00。施測期間，環(huán)境溫度以及上、下弦桿溫度依次在15～24 ℃、12～32 ℃、10～26 ℃之間變化。

根據(jù)圖中實(shí)測結(jié)果，持續(xù)施測的1 d內(nèi)合龍口標(biāo)高、軸線及間距最大變幅依次為9 cm、17.6 cm、24.1 cm，環(huán)境溫度是造成這種差異的主因。合龍口標(biāo)高和間距峰值均出現(xiàn)在施測當(dāng)日環(huán)境溫度變化較大的6：00～8：00間。

4.3.2 合龍溫度的確定思路

合龍溫度的準(zhǔn)確確定是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，其中，將合龍段放進(jìn)合龍口的溫度通常比合龍溫度高，且兩者溫度差越大越好，從而為使用高強(qiáng)螺栓連接側(cè)部結(jié)構(gòu)預(yù)留時間^[6]。但隨著這種溫度差的增大，合龍口間距必定減小，合龍段向合龍口內(nèi)下放的施工難度也隨之增加。可見，必須在綜合考慮合龍段下放間距及側(cè)部螺栓施工的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合龍段溫度的確定。

為準(zhǔn)確確定該跨河橋梁主梁合龍施工期間的溫度，對過去10年間5月15日—5月21日期間的氣溫展開統(tǒng)計(jì)和比較，所得出的該時間段內(nèi)橋址處平均溫度變化趨勢線見圖2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料和趨勢線可知，橋址處環(huán)境溫度最為穩(wěn)定的時間段是0：00—7：00之間，溫度變動幅度僅為2 ℃左右，所對應(yīng)的主梁合龍溫度取17 ℃，與該橋梁合龍溫度設(shè)計(jì)值最為接近?？紤]該橋梁南岸與北岸合龍段和合龍口間提前設(shè)置出3 cm和2 cm的間隙，溫度差所引起的主梁合龍口尺寸偏移量不得超出5 cm，才能保證將合龍段準(zhǔn)確嵌進(jìn)合龍口結(jié)構(gòu)中。

4.4 現(xiàn)場試頂

為準(zhǔn)確確定墩頂可能發(fā)生的偏位，對頂前展開現(xiàn)場測試，并按照設(shè)計(jì)對頂力的80%確定現(xiàn)場最大試頂力。試頂期間展開墩頂偏位和對頂力等參數(shù)值的實(shí)測，并將實(shí)測結(jié)果和模擬結(jié)果展開比較，結(jié)果見表5。根據(jù)比較結(jié)果，7#墩頂和9#墩頂偏位實(shí)測值均比理論值小，但墩頂偏位隨對頂力增大的變動趨勢基本一致。進(jìn)一步計(jì)算得出，7#墩頂和9#墩頂偏位實(shí)測值和對頂力線性回歸系數(shù)位于70%～73%之間，說明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度明顯高出理論值，必須采取有效措施相應(yīng)調(diào)整墩頂偏位。

4.5 合龍施工

將7#塔位置的塔梁臨時固結(jié)解除后展開主梁頂推。考慮邊跨索力水平分力遠(yuǎn)超出中跨索力水平分力，所以，主梁受到不平衡索力的作用后存在向中跨偏移的趨勢。為避免發(fā)生結(jié)構(gòu)縱向位移，必須使用縱向頂推系統(tǒng)并按照先中跨、后邊跨的次序進(jìn)行其塔梁臨時固結(jié)約束體系的置換^[7]。

合龍施工應(yīng)當(dāng)選擇在20～35 ℃的環(huán)境溫度下展開，其中，7#塔位主梁向邊跨的頂推于26 ℃時展開；在頂推長度達(dá)到6 cm后即可吊裝合龍段桿件；將此類桿件吊裝至合龍口后直接連接8#塔側(cè)主桁架。該跨河橋梁上弦桿、下弦桿、腹桿、斜桿等均屬于散件拼接結(jié)構(gòu)，吊裝過程復(fù)雜耗時，必須依照施工組織設(shè)計(jì)，充分借助相應(yīng)吊機(jī)，在16：00至次日1：00間完成吊裝。

待連接合龍桿件和8#塔側(cè)主梁后，還應(yīng)使用鋼絲繩和手動葫蘆進(jìn)行合龍段主桁軸線偏位調(diào)整。主梁結(jié)構(gòu)主要借助塔側(cè)所提前布置好的頂推千斤頂，持續(xù)回頂至中跨部位，待主梁合龍側(cè)弦桿以及邊縱梁完全對齊拼接板栓孔后，將事先準(zhǔn)備好的沖釘打入，緊固連接。

待打設(shè)好該大跨度斜拉橋主梁合龍段弦桿、邊縱梁處沖釘和普通螺栓等加固性夠件后，意味著主桁和副桁合龍施工任務(wù)即將完成。此后5 h內(nèi)將塔梁結(jié)構(gòu)事先布置的臨時固結(jié)系統(tǒng)全部卸除，確保主梁結(jié)構(gòu)能夠隨各類影響因素的改變而自由伸縮。合龍后的次日展開腹桿和橋面板的連接安裝。

采取以上控制措施后，該跨河橋梁主梁合龍后軸線及標(biāo)高偏差分別達(dá)到12 mm和18 mm，完全符合精度控制及施工質(zhì)量要求。

5 結(jié)論

綜上所述，該跨河大橋?yàn)榇罂鐝戒撹炝盒崩瓨蛐问?，因運(yùn)輸環(huán)境所限，必須展開散件懸臂拼裝施工。與整體吊裝合龍過程相比，這種散件懸臂拼裝合龍過程所涉及桿件多，拼裝煩瑣，面臨較大的施工難度。在主梁合龍施工中應(yīng)用頂推配切工藝，通過合龍時間的選擇與控制、合龍口姿態(tài)的調(diào)整優(yōu)化，借助沖釘和高強(qiáng)螺栓一次合龍，確保了主梁合龍目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。除應(yīng)用以上控制技術(shù)外，還通過有限元軟件展開各施工階段精度仿真，成功保證了此大跨徑鋼桁梁斜拉橋主梁高精度合龍；其主梁合龍后軸線、標(biāo)高偏差遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，為合龍質(zhì)量和橋面鋪裝施工提供了可靠保證。

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收稿日期：2023-09-26

作者簡介：秦平（1980—），男，本科，工程師，從事公路橋梁施工管理工作。