混和梁斜拉桥中跨加载合龙施工技术

卢勇，杨培诚

（1.中交第二航务工程局第五工程分公司，湖北 武汉 430012；2.浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江 温州 325038）

1 斜拉桥合龙方法综述

合龙是斜拉桥施工的重要环节之一，其施工质量直接影响成桥线形和应力。目前国内外已建成的中跨为钢箱梁（全钢箱梁或混合主梁）的斜拉桥合龙方式主要有以下两种：

1）温度配切合龙：即配切合龙段长度以适应实际温度情况下的合龙口宽度。此法国内应用较多，优点是合龙速度快，对合龙梁段加工精度要求不高；缺点是合龙温度与设计基准温度不符时，会在主梁内残留应力，影响成桥线形，且合龙受环境温度影响大，主动性差。典型工程有武汉军山长江大桥、南京长江二桥、南京长江三桥等。

2）加载合龙：又称“顶推合龙”，即合龙段按设计长度制造，通过施加顶推力调节合龙口宽度以适应合龙段长度。此法国外应用较多。国内的苏通长江大桥首次采用，其是利用塔梁临时约束的纵向固结索将合龙口两侧梁体向岸侧拉移，合龙段嵌入合龙口后同步放松纵向索，使梁体回移到位从而实现合龙。该法优点是合龙不受环境温度影响，理论上可全天候进行合龙，成桥线形和应力与设计目标符合较好；缺点是对合龙段制造精度要求较高，顶推量过大时，存在施工风险。

2 工程概况

鄂东长江公路大桥位于长江湖北黄石水道，主桥为跨径（3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5）m 的九跨连续双塔双索面半漂浮体系混合梁斜拉桥，主梁中跨采用PK断面钢箱梁，边跨采用与中跨同断面外形的混凝土箱梁，钢混结合面设在中跨侧距索塔中心线12.5m处。主桥结构详见图1。

图1 鄂东大桥主桥总体布置图

从边跨混凝土梁端部至跨中，钢梁部分依次划分为：钢混结合段M0、特殊梁段F1、标准梁段E2～A30、中跨合龙段G。斜拉索索面按不对称扇形布置，每一扇面均由江侧的J1～J30以及岸侧的A1～A30共30对拉索组成。

3 鄂东大桥中跨合龙方案研究

3.1 与中跨合龙有关的特殊条件

1）如图2所示，由于边跨为混凝土箱梁，为保证边跨挂索前主梁线形和结构安全，边跨现浇支架拆除后，仍有12排，每排6根，共72根φ1200×14钢立柱直接支撑在箱梁底部。

图2 边跨保留支架布置图

2）斜拉索扇面为不对称布置，主梁受到中、边跨索力差产生的向跨中的水平力。该水平力在合龙前由塔梁临时约束承受，临时约束由设置在索塔下横梁顶、边跨混凝土箱梁底的挡块以及挡块之间的HW400×400型钢撑杆构成，详见图3。通过计算分析可知，主梁水平力在刚解除临时约束时为4765 kN，随着向跨中位移量的增大（拉索角度变化）而减小。

图3 塔梁临时约束结构

3）中跨合龙时间在2010年4月初，根据对黄石地区最近9年的气象资料的分析，合龙时具备低于设计基准温度20℃的窗口条件。

4）由于中跨合龙段较短，仅4.6m，如果采取抬吊的方式，合龙口南、北两侧的桥面吊机存在冲突，因此合龙段只能采取由北侧桥面吊机单边起吊方式。

3.2 中跨合龙总体思路

图4是分别采取温度配切和加载两种合龙方式对成桥线形及索塔塔偏的影响。从图中可以看出，采取加载合龙时的主梁线形及塔偏均优于温度配切合龙，这是因为加载合龙通过合龙口宽度的调整，部分抵消了合龙温度的影响，合龙后的结构状态与设计基准温度时接近。

图4 两种合龙方式对成桥的影响

大跨径斜拉桥合龙方案的选择与其施工监控理论密不可分。鄂东大桥是一座主跨千米级的混合主梁斜拉桥，具有刚度小、非线性效应明显、结构受温度与风振影响显著等特点，采用传统的“索力、标高控制法”已远不能满足精度要求，上部结构采用几何法进行施工控制。通过计算分析和综合比较，中跨采取加载（顶推）合龙与监控理论一致，能较好地保证成桥线形和应力。

但即使采取加载合龙方案，对于鄂东大桥而言，也受到合龙温度限制，原因在于如果合龙温度超过设计基准温度20℃，需要将主梁向边跨侧顶推时，必须同时克服中、边跨不平衡索力差以及边跨支座摩阻力，这样顶推力将达10000 kN以上，在混凝土箱梁上设计大吨位顶推力施加的临时结构较困难，结构安全和施工安全不易保证。

综上所述，确定鄂东大桥中跨合龙总体思路：合龙段按设计尺寸制造；利用低于20℃的温度窗口将合龙段起吊嵌入合龙口，先完成北侧环缝的匹配；然后同步解除塔梁临时约束，施加向跨中的顶推力，使主梁在顶推力以及中、边跨不平衡索力差产生的水平力的作用下向合龙口移动，使南侧环缝闭合并满足匹配条件；最后利用夜间温度较稳时段进行两条环缝的焊接，完成合龙。考虑到边跨保留钢立柱对顶推合龙会产生不利影响，合龙前需拆除。

3.3 顶推力计算

3.3.1 合龙温度

通过统计和分析黄石地区2007—2009年4月初每日温度资料，确定合龙温度为13.5℃。

3.3.2 顶推位移量

表1为不考虑主梁施工误差及截面温差造成的缝宽差异时，各种温度条件下主梁单侧需向跨中顶推的位移量，合龙温度为13.5℃时，位移量为36mm。

表1 顶推位移量计算

3.3.3 顶推力计算

根据前面所述的合龙思路，中边跨不平衡索力差产生的水平力对顶推合龙是有利的，边跨混凝土箱梁的支座摩阻力是阻止主梁向跨中移动的，故有：

顶推力＝边跨支座摩阻力－中边跨不平衡索力差产生的水平力

其中：不平衡索力差产生的水平力是一个变化值，在解除塔梁临时约束时为4765 kN，随着向跨中位移量的增大而减小，当单侧位移量达到36mm时，水平力减小至3072 kN。

边跨球形钢支座的摩擦系数通过试验获得，如表2。根据摩擦系数和各墩支反力计算得边跨支座最大静摩阻力为6347 kN。

由此计算得：顶推力=（6347-4765）～（6347-3072）=1582～3275 kN。即启动顶推力为1582 kN，顶推到位时的最大顶推力为3275 kN。

值得注意的是，边跨支座摩阻力是按“初始静摩擦系数”计算而得的最大静摩阻力，而摩擦系数有一定的离散性（如表2），如果取数值较小的“动摩擦系数”，则边跨支座摩阻力＜中边跨不平衡索力，即解除塔梁临时约束后，不施加顶推力，主梁就会向跨中移动，因此在跨中侧挡块处必须采取适当限位措施，防止主梁突然前冲。

表2 边跨支座摩擦系数试验

4 中跨合龙施工及关键技术

4.1 中跨合龙施工过程

步骤一：调整J27～J29拉索至合龙索长（调整合龙口线形所需的索长），J30拉索在二张时直接张拉至合龙索长；卸除边跨混凝土箱梁保留钢管支撑；在南北两侧A30梁端施加等代压重。

步骤二：南侧桥面吊机在吊装A30钢箱梁的位置保持不动；北侧桥面吊机更换合龙段吊装吊具，前行至吊装合龙段位置。

步骤三：对合龙口进行48 h连续观测；微调合龙口，完成合龙口横桥向和竖向的锁定（顺桥向放松）。

步骤四：合龙梁段根据观测结果换算成设计基准温度下的合龙口宽度进行精加工，运输至桥位；卸除北侧A30梁端等代压重；起吊合龙段进入合龙口，与北侧A30梁段匹配。

步骤五：解除塔梁临时约束，合龙口两侧主梁向跨中移位；合龙段与南侧A30梁段匹配；锁定合龙口纵桥向。

步骤六：合龙段两条环缝同时施焊，桥面吊机松吊，焊接设备和检查小车回退至塔梁根部；移除南侧A30梁端等代压重，恢复J27～J30拉索至设计二张索长。

中跨合龙段于2010年4月6日14∶20开始起吊，16∶05起吊到位，17∶15解除塔梁临时约束，19∶10完成合龙段匹配并开始纵向锁定，整个过程历时5 h，十分顺利，并于7日8∶00完成合龙段环缝的焊接。施工过程见图5。

图5 中跨合龙施工过程

4.2 中跨合龙关键技术

4.2.1 合龙口形态调整及监测

合龙口形态（高差及顶底口宽度差）采用调整中跨最后4对拉索索力及局部施加配重实现，这是基于鄂东大桥施工监控采用无应力控制法，施工期的索力增量及临时荷载的变化，理论上对大桥成桥后无影响。在合龙完成后卸除局部配重并恢复拉索至设计二张索长。

合龙口监测目的：确定累积梁长及合龙口形态与温度变化的关系。

监测内容：合龙口宽度以及主梁悬臂前端7个梁段的相对高程，同时测量大气温度、钢箱梁内表温度和索温、塔温。

监测频率：每2 h测量1次，在日出前后2 h和日落前后2h每60min测量1次，连续观测48h。

根据监测数据，推算在设计基准温度20℃时的合龙口宽度，以此宽度确定合龙段的下料长度。

4.2.2 合龙口锁定

合龙口的锁定装置为设在两侧A30梁段上的劲性骨架，由4根2[40与HW150组成型钢桁架结构，具有良好的竖向及横向抗弯刚度，能够保证在顶推完毕后主梁的轴线偏位、合龙口形状基本保持初步调整后的状态。劲性骨架分为两段加工，其中固定段焊接在北侧A30箱梁锚腹板上，伸缩段附着在南侧A30箱梁锚腹板上，随A30梁段一起运至现场、整体吊装。合龙口形态调整完后，锁定劲性骨架的横桥向、竖向自由度；顶推到位并完成合龙段匹配后，锁定劲性骨架的顺桥向自由度，以保证合龙段环缝焊接不受温差的影响，见图6。

图6 合龙口劲性骨架及锁定

4.2.3 塔梁临时约束解除

塔梁临时约束解除是实现加载合龙的关键环节，南、北岸塔梁约束应同步解除，见图7。

图7 塔梁临时约束解除

第一步：中、边跨的不平衡索力使得边跨侧的型钢撑杆已与挡块脱开，可先行拆除；

第二步：在跨中限位挡块之间安装4台200 t千斤顶，每道挡块布置2台，同时在千斤顶两侧设置限位器，以防止千斤顶失效、主梁突然前冲，限位器一端与挡块之间放置4～5块20mm钢板；

第三步：同步顶撑千斤顶，拆除跨中侧的型钢撑杆，将不平衡索力转换由千斤顶承受；

第四步：同步缓慢回缩千斤顶，同时抽取限位器钢板，使限位器与挡块之间始终有5mm左右空隙。在合龙口监测主梁位移量，直至合龙缝闭合并满足匹配要求，最后锁定千斤顶。

事实证明，解除塔梁临时约束后，千斤顶缩缸，主梁就开始向跨中移动，整个合龙过程没有再额外施加顶推力，这说明在顶推力计算时“边跨支座摩阻力”取值偏于保守，在跨中侧挡块之间设置限位措施防止主梁突然前冲是很有必要的。

5 结语

混合梁斜拉桥以其独特的构造和技术特点，满足了大跨度、建设条件及经济性的要求，在千米级乃至更大跨度斜拉桥方案中具有独特的竞争优势。因此，开展混合梁斜拉桥建造技术研究具有重要的现实意义。

斜拉桥合龙应综合考虑桥梁结构特点、力学特性、预计合龙时间以及工艺实施的风险等诸多因素，在理论分析的基础上制定切实可行的方案。鄂东大桥边跨混凝土梁存在支座摩阻力，且中、边跨索力不平衡在主梁上产生指向跨中的水平力，从而使合龙口两侧主梁向边跨侧顶推较难实施。鉴于此，制定了在低于设计基准温度时将合龙段嵌入合龙口、利用不平衡索力使合龙口闭合的合龙方案，避免了施加较大顶推力的施工风险，实现了几何合龙，满足无应力施工控制方法的要求，对同类型桥梁具有借鉴指导意义。

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