大跨度組合梁斜拉橋中跨合龍技術(shù)

孔藝達(dá), 鄭萬山

(1.重慶市設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400015; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

大跨度組合梁斜拉橋中跨合龍方案的選擇直接影響結(jié)構(gòu)成橋線形和結(jié)構(gòu)受力,需根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)場實(shí)際條件選擇合適的合龍方案。目前,國內(nèi)外中跨合龍方案主要有頂推合龍和溫度配切合龍2種,主要區(qū)別是:頂推合龍不改變合龍段的設(shè)計(jì)制造長度,但需提前解除塔梁臨時固結(jié),易造成結(jié)構(gòu)變形釋放[1];溫度配切合龍需根據(jù)實(shí)測合龍口寬對合龍段進(jìn)行配切,改變了合龍段的理論長度。在實(shí)際的斜拉橋合龍時,需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇合適的合龍方案,如主梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場溫度變化情況、施工條件等[2-3],其中溫度和施工工藝是影響鋼主梁斜拉橋中跨合龍的關(guān)鍵因素。

雙河大橋?yàn)榘腼h浮體系斜拉橋,主梁采用雙“工”字型邊主梁與混凝土橋面板共同受力的組合梁,橋址地處云南山區(qū),晝夜溫差大,合龍方案直接影響大橋能否順利合龍。本文根據(jù)國內(nèi)近10年來大跨度斜拉橋梁合龍技術(shù),結(jié)合本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場條件等確定中跨合龍方案,并分析了合龍溫度的影響,優(yōu)化了原合龍方案,減少了施工措施,介紹該大橋的合龍施工技術(shù),供同類工程參考。

1 工程概況

雙河特大橋?yàn)?56+152+356+140)m高低塔組合梁斜拉橋,如圖1(a)所示。橋面全寬28.7 m,主梁采用雙“工”字型邊主梁與混凝土橋面板共同受力的組合梁,如圖1(b)所示。斜拉索采用無粘結(jié)鋼絞線拉索,標(biāo)準(zhǔn)索距為12 m,巧家側(cè)邊跨尾索索距為8 m。兩岸索塔高度不同,其中P2塔高度為229 m,P3塔高度為170 m,輔助墩采用雙柱式空心薄壁墩。大橋主梁在每個索塔、輔助墩以及橋臺處橫向約束,縱向活動。每個塔梁連接處順橋向安裝粘滯阻尼器,主梁兩端各設(shè)置1道1 200 mm伸縮縫。根據(jù)橋位的地形條件,塔區(qū)梁段采用托架施工,巧家側(cè)邊跨梁段采用支架施工,其余梁段均采用懸臂拼裝施工。

2 中跨合龍方案

2.1 合龍方案的確定

1) 國內(nèi)同類合龍方案調(diào)研

調(diào)查了國內(nèi)部分典型斜拉橋中跨合龍方案,如表1所示。從表1可知,對于大跨徑鋼箱梁斜拉橋,當(dāng)施工溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度相差較大時主要采用頂推施工[4-8],溫度較為穩(wěn)定時一般采用溫度配切法[9-10],現(xiàn)場環(huán)境較差時需采用輔助合龍措施[11-12]。橋梁施工條件較好時,可采用整體吊裝施工,但均需臨時配重和調(diào)索,增加了施工難度和工作量。

(a) 立面

(b) 主梁斷面

2) 雙河特大橋合龍方案

雙河特大橋設(shè)計(jì)合龍溫度為20 ℃,根據(jù)施工計(jì)劃,大橋預(yù)計(jì)合龍時間為2019年11月24日—2019年11月30日,根據(jù)前期晝夜氣溫觀測、氣象預(yù)報(bào)和歷史溫度記錄,橋位區(qū)11月下旬夜間溫度預(yù)計(jì)在15 ℃左右,風(fēng)力1級,無降雨,計(jì)劃合龍時間內(nèi)橋位處夜間溫度穩(wěn)定,略低于設(shè)計(jì)合龍溫度。大橋中跨合龍段為長4 m的工字梁,單側(cè)合龍段重量7.5 t,重量小,現(xiàn)場配有2套配切裝置,合龍段鋼梁可現(xiàn)場配切,預(yù)估配切時間約4 h。綜上可見,雙河特大橋合龍預(yù)期環(huán)境良好,氣溫較為穩(wěn)定,配切施工準(zhǔn)備充分,確定采用溫度配切合龍方案。

表1 國內(nèi)典型斜拉橋合龍條件和合龍方案

2.2 合龍溫差分析

采用溫度配切合龍時,合龍溫度與理論合龍溫度不一致,對成橋受力狀態(tài)、線形和塔偏有一定影響,因此須對成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)分析,確定合理的合龍溫度范圍。合龍溫差主要表現(xiàn)為整體升降溫的影響,不同溫差的計(jì)算結(jié)果均是線性關(guān)系,因此取整體升溫5 ℃進(jìn)行分析,計(jì)算模型如圖2所示。塔頂縱向偏位計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可見,整體升溫5 ℃時,東川側(cè)塔頂偏位-27.0 mm(偏邊跨側(cè)),巧家側(cè)塔頂偏位-4.1 mm(偏中跨),同成橋狀態(tài)相對影響較小。主梁豎向撓度結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,東川側(cè)邊跨撓度變化最大值為11 mm,中跨東川側(cè)下?lián)霞s3 mm,中跨巧家側(cè)上撓最大值為6.5 mm,巧家側(cè)邊跨最大下?lián)蠟?.5 mm。索力最大變化值為28 kN,鋼主梁最大應(yīng)力變化值為3.5 MPa,混凝土板最大拉應(yīng)力為0.1 MPa。綜上分析可見,整體升溫5 ℃對結(jié)構(gòu)線形、塔偏和受力的影響相對較小,不會影響結(jié)構(gòu)安全。

圖2 有限元計(jì)算模型

表2 不同狀態(tài)下塔頂縱向位移 mm

圖3 整體升溫5 ℃對主梁線形的影響

2.3 合龍方案的優(yōu)化

雙河大橋位于山區(qū),運(yùn)輸條件差,現(xiàn)場場地狹小,很難采用整體吊裝施工,需將構(gòu)件離散化,需使用回轉(zhuǎn)吊機(jī),吊機(jī)重量150 t,這遠(yuǎn)大于常規(guī)的固定式吊機(jī)。因此,在合龍過程中,吊機(jī)的拆除對結(jié)構(gòu)受力有較大影響。在原設(shè)計(jì)合龍方案中,完成工字梁合龍和體系轉(zhuǎn)換后,安裝中跨橋面板并澆筑濕接縫混凝土,最后拆除中跨合龍臨時壓重和橋面吊機(jī)。該方案合龍前需臨時壓重,增加了施工工作量和難度,同時大橋主梁采用疊合梁,合龍完成后取消壓重和吊機(jī)會致使跨中混凝土板承受拉應(yīng)力。為此,需對原合龍方案進(jìn)行優(yōu)化,分2種工況進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 合龍施工結(jié)束后應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

由表3可見,按工況1計(jì)算,合龍施工結(jié)束后,橋面板存在2.2 MPa拉應(yīng)力,鋼梁底部壓應(yīng)力為58.9 MPa;按工況2計(jì)算,合龍施工結(jié)束后,橋面板拉應(yīng)力為0 MPa,鋼梁底部壓應(yīng)力為38.9 MPa。由此可見,工況2的結(jié)構(gòu)受力更為合理,確定采用工況2的工藝措施進(jìn)行合龍施工。

3 合龍施工技術(shù)

3.1 合龍施工步驟

跨中溫度配切合龍施工步驟為:1) 連續(xù)觀測合龍口梁端標(biāo)高和寬度,分析梁端標(biāo)高、合龍口寬度與溫度的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)歷年同時期的天氣狀況確定合龍時間;2) 根據(jù)目標(biāo)合龍段長度和預(yù)估溫度,對合龍段進(jìn)行切割;3) 吊裝合龍段和鎖定,拆除塔梁臨時固結(jié)措施;4) 吊裝橫梁和橋面板,拆除吊機(jī),澆筑濕接縫。

3.2 測點(diǎn)布置和結(jié)果分析

連續(xù)觀測合龍口梁端標(biāo)高、寬度和大氣溫度,測量時間為23:00—07:00,測量頻率為1次/h。1) 采用全站儀分別對合龍口兩側(cè)4個測點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測;2) 采用鋼卷尺對合龍口頂板、腹板(梁高的中心)、底板處寬度進(jìn)行連續(xù)測量;3) 測量時同時記錄當(dāng)時大氣溫度和鋼梁溫度。在觀測期間以及合龍前不得進(jìn)行其他施工以及臨時荷載的調(diào)整。2019年11月26日夜間合龍口標(biāo)高和寬度測量結(jié)果如圖4和表4所示。根據(jù)圖4和表4的觀測結(jié)果可知,氣溫在15.5 ℃～16.7 ℃時,合龍口兩側(cè)標(biāo)高與目標(biāo)標(biāo)高比較接近,但考慮到吊裝過程中回轉(zhuǎn)式吊機(jī)起吊合龍段會在梁端產(chǎn)生附加彎矩,以及為防止現(xiàn)場可能出現(xiàn)的臨時荷載引起合龍口標(biāo)高偏低,實(shí)際配切采用02:00(15.0 ℃)的合龍口數(shù)據(jù)。

3.3 合龍段配切長度

合龍段巧家側(cè)螺栓孔按設(shè)計(jì)在工廠預(yù)制,東川側(cè)采用磁力鉆現(xiàn)場開孔。合龍段巧家側(cè)與相鄰梁端部預(yù)留間隙為1.5 cm,考慮到合龍段要在傍晚預(yù)先吊裝到位,對巧家側(cè)連接板進(jìn)行預(yù)緊,以及防止間隙過小不能喂入合龍段,根據(jù)合龍口寬度變化情況和存在的測試誤差,上、下游側(cè)合龍段東川側(cè)間隙分別取2.0 cm和2.5 cm,最后計(jì)算得到的合龍段配切長度如表5所示。

(a) 東川側(cè)DZ16梁端

(b) 巧家側(cè)QZ11梁端

表4 氣溫變化對合龍口寬度的影響

表5 合龍段配切長度 cm

3.4 合龍段吊裝和鎖定

1) 吊裝

鋼箱梁斜拉橋合龍段吊裝主要有2種吊裝方式[6]:單側(cè)架梁機(jī)單獨(dú)起吊和兩側(cè)架梁機(jī)同步起吊。雙河特大橋合龍段為2段(上、下游),長度4 m,單個合龍段重量僅為7.5 t,吊機(jī)為回轉(zhuǎn)式吊機(jī)。因此,采用兩側(cè)吊機(jī)分別起吊1片合龍段,保證兩側(cè)受力一致。在合龍段入口后,合龍段主梁與巧家側(cè)QZL11號梁段用拼接板栓接。待溫度趨于穩(wěn)定時,對氣溫和梁端標(biāo)高進(jìn)行連續(xù)觀測。

2) 鎖定

待溫度穩(wěn)定在預(yù)計(jì)合龍溫度左右時,復(fù)核合龍標(biāo)高,在標(biāo)高滿足要求時,合龍段主梁與DZL16梁端部采用臨時碼板臨時鎖定,同時測量支座變形,碼板焊接在邊主梁頂?shù)装逡戆暹吷稀ＥR時鎖定時上、下游應(yīng)同時進(jìn)行,且同時安裝合龍段與東川側(cè)DZL16號梁段永久拼接板,在合龍段拼接板四角打孔,用沖釘或高強(qiáng)螺栓固定,用永久拼接板作為模板對邊主梁進(jìn)行打孔。合龍口高強(qiáng)螺栓終擰完成前開始解除塔梁臨時固結(jié)體系,進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換施工。23:00(16 ℃)合龍口標(biāo)高如表6所示。由表6可見,4個測點(diǎn)標(biāo)高與目標(biāo)標(biāo)高誤差不超過1 mm,符合合龍要求。

表6 中跨合龍口鎖定時標(biāo)高測量結(jié)果(溫度：16 ℃)

4 結(jié)束語

通過對不同鋼主梁斜拉橋中跨合龍技術(shù)的總結(jié)分析,結(jié)合雙河特大橋的合龍施工過程,得到以下結(jié)論:

1) 合龍溫差在5 ℃以內(nèi)時,對結(jié)構(gòu)線形和受力的影響相對較小,不會影響結(jié)構(gòu)安全。

2) 通過對中跨合龍施工順序進(jìn)行了局部優(yōu)化,減小了混凝土板的拉應(yīng)力,使得組合梁機(jī)構(gòu)受力更為合理。

3) 實(shí)施結(jié)果表明,溫度配切方案在環(huán)境氣溫穩(wěn)定、合龍口姿態(tài)測試數(shù)據(jù)詳實(shí)的條件下能保證大橋中跨的順利合龍。