大跨径塔梁墩固结体系斜拉桥合龙施工技术研究

■许 晟

(福建省高速公路建设总指挥部，福州 350001)

1 工程概况

长门特大桥在闽江下游跨越闽江，桥址区临近闽江入海口。主桥全长848m，双向六车道，桥宽38.5m，桥跨布置及结构形式为 (35+44+66)m＋550m＋(66+44+35)m的双塔双索面对称混合梁斜拉桥，结构体系为“塔梁墩”固结体系。其中，主跨钢箱梁长度为495m，单侧边跨现浇混凝土箱梁长度为164m，单侧钢混结合段长度为8.5m(混凝土箱梁段3m、钢混凝土结合段2m、钢箱梁加强段3.05m、钢箱梁段0.45m)，桥型布置如图1所示。斜拉索采用1770MPa、直径7mm的平行钢丝，全桥共136根。主塔采用花瓶型。

主跨钢箱梁采用封闭扁平流线形钢箱梁，划分为五种类型，共33个节段。主要轮廓尺寸为：钢箱梁含风嘴顶板全宽为38.5m，不含风嘴顶板宽为34m，含风嘴底板宽为7.85+22.8+7.85=38.5m，中心处梁高3.22m。合龙段钢箱梁为E类型梁段，梁段编号为JH梁段，梁长15m，设置4道横隔板和2道纵隔板。合龙段采用4台桥面吊机吊装施工，合龙段梁段重量约为280t。钢箱梁标准横断面如图2所示。

2 合龙方案研究

对主跨采用钢梁的斜拉桥(全钢梁或混合梁)，一般采用两种合龙方案：

图1 长门特大桥桥型布置图

图2 钢箱梁标准横断面

(1)配切合龙[1]方案。即在施工现场对合龙口进行连续观测来确定合龙段安装长度，即时在现场进行配切，以适应合龙口宽度。该方案特点：可在不解除塔梁临时约束条件下实现中跨合龙。该方案受温度影响较大，存在合龙段无法嵌入合龙口或焊缝宽度过大难以主动调整等难题。

(2)加载合龙[2]方案。即合龙段按设计理论长度制造，合龙时根据实际温度，通过在合龙口梁端或桥塔横梁处施加外力顶推或牵拉来人为调整合龙口间距，以喂入合龙段。该方案特点：不需要改变合龙段尺寸，受温度影响小，能精确调节合龙口宽度；主梁顶推施工时需释放塔梁临时约束，存在一定安全风险，结构顶推变位后不易恢复；随着跨径增大，顶推力及限位力相应增大。

2.1 结构体系及受力特点

(1)长门特大桥为国内首例主跨500m以上的双塔塔梁墩固结混合梁斜拉桥，主梁、塔柱、桥墩互为固结，施工时主梁、塔柱、下横梁一体浇注，形成整体，不需要设置临时约束，无论是施工过程还是成桥后的力学行为与漂浮、半漂浮体系的斜拉桥存在一定区别，在合龙过程中不存在塔梁连接的体系转换问题，无体系转换的风险。主梁在跨内有多点弹性支承的刚构，优点是结构刚度大，主梁和塔柱的挠度均较小，不需要大吨位支座。 因采用双塔形式，温度应力较大[3]。

(2)长门特大桥受地形及通航条件限制，边中跨比较小(边中跨比为0.26)。边跨采用混凝土箱梁，适当增加截面，采用结构性压重，双向预应力结构，以克服辅助墩、过渡墩、桥台负反力，提高结构抗风性能和整体刚度。浇筑时采用支架现浇，在第一根吊索安装张拉前就完成边跨合龙。

(3)本桥钢箱梁采用桥面吊机悬臂拼装，全桥施工控制采用标高索力双控法。经分析计算，合龙段吊装为合龙过程中较不利的受力状态，图3和表1所示为合龙段抬吊时结构的索塔、主梁和斜拉索应力状态。其中钢箱梁上缘最大应力84.5MPa、下缘最大应力 45.4MPa；混凝土主梁上缘最大应力 8.7MPa、下缘最大应力 8.8MPa，上下缘均未出现拉应力；索塔混凝土最大应力约 10.1MPa，未出现拉应力。

15#～17#斜拉索的塔端最大应力为 488MPa，相应的应力安全系数为3.81。可见，悬臂端索应力安全系数较高，可调余量较大。

图3 合龙段抬吊时结构应力状态(单位：MPa)

表1 合龙段抬吊时斜拉索塔端应力及其安全系数

2.2 影响因素分析

(1)温度

设计基准状态时合龙段的设计标准长度为 15m，当温度变化时，合龙口宽度会发生相应改变。经计算，温度升高+10℃时，合龙口宽度减小约64 mm。

根据现场施工进展情况，在6月份左右实施合龙。根据近3年和近7年的日最高温、最低温平均温度统计，6月上旬近3年的平均最高温为28.7℃，平均最低温为23℃，日平均气温25.9℃，根据历史温度数据分析，预计合龙温度约 25℃，合龙过程最大温差约+5℃。

(2)合龙段构造

合龙段钢箱梁为E类型梁段，梁段编号为JH梁段，梁长15m，设置4道横隔板、间距 3.188m，2道纵隔板、间距15.2m。合龙段梁段重量约为280t，若采用压重水箱(含水)，每侧水箱(含水)重量需达 139t。

(3)环境条件

长门特大桥在闽江的下游跨越闽江，桥址区濒临闽江的入海口，东临东海。桥位区属剥蚀丘陵台地间夹沟谷地貌，呈“U”形，大桥与斜坡坡向近于直交。沿线路轴线与地面相对高差最大为73.96m，地形起伏大。 桥位河槽靠近南岸，最大水深45m，北岸侧有120m宽浅滩区域。除台风影响外，6月份桥址处最大风力5级，东北风居多。

(4)施工条件

桥面吊机采用纵向小变幅桥面吊机，使用分离式双机抬吊的施工方法，额定最大起吊重量约为180t/台。合龙段吊装采用船舶运输到桥位，由桥面吊机将钢箱梁提升至桥面进行对位和拼接。 起吊过程所需时间约为3.5h，预计合龙段入口时间为3～4h、环焊缝的焊接时间为7h。起吊安装过程不可逆转，需考虑航道安全和运输船舶安全。

2.3 合龙方案选定

鉴于长门特大桥结构体系及受力特点和上述影响因素分析，主梁不具备顶推条件，因此中跨合龙采用温度合龙方案。若采用常规的预先锁定劲性骨架方案，劲性骨架必须有较大刚度，导致劲性骨架体量庞大，且劲性骨架不能承受弯矩，必须预设水箱压重模拟合龙段重量，两端起吊的同时，快速释放压重水，使劲性骨架承受尽量小的弯矩，导致水箱体量庞大，且放水量大。因此，参考九江长江大桥、沌口长江大桥等特大型斜拉桥的合龙方式，采用无劲性骨架合龙方式，即在合龙段吊入前，合龙口两端无劲性骨架连接，处于自由状态，按合龙段起吊重量预调合龙口姿态后，起吊时理论上合龙口自动返回理想合龙姿态，从而可省去庞大的水箱及劲性骨架。合龙段起吊后必须在当夜完成合龙固定工作，尽可能选择阴雨天气进行合龙。合龙段钢梁采用北岸匹配，南岸配切。

3 合龙施工流程

长门特大桥合龙施工流程为：安装16号梁段、17号斜拉索一张→拆除吊具配重、吊机移至合龙位置→17号斜拉索二张→拆除边跨支架→通过调整15～17号索长调整合龙口形状→对合龙口进行48h观测确定合龙段安装长度及喂入合龙段时机→合龙段单端配切→起吊合龙段、在温度合适时喂入合龙口→梁段精度匹配→北岸码定并焊接、南岸安装固定消能装置→南岸固定合龙口→合龙段两端环焊缝焊接→吊机松吊→恢复15～17号索长至二张状态。

图4 合龙段吊装示意图

4 合龙施工关键技术

4.1 合龙口48h连续观测

合龙口状态对气温变化非常敏感，存在合龙段无法嵌入合龙口或者焊缝过宽的风险。为确保合龙的可控性，需要对合龙口状态进行严密监控。通过大量的观测，采用回归分析的方法，找到预计合龙时温度对应的合龙段长度。观测主要内容包括合龙口顶底板宽度、悬臂前端梁段的相对高程。合龙口宽度观测时应配合索温、塔温、梁温、气温观测；测一次合龙口宽度，就要测一次索温、梁温、塔温，这样便于进行温度修正和预测，在温度稳定时间段还应该配合索力测量。观测频率为每2h测量一次，在日出前后2h和日落前后2h测量频率增加至每1h测量一次，连续观测48h，可根据观测情况适当增加测量频率。

4.2 合龙口姿态调整

当17#索第二次张拉及合龙段起吊后，由于温度等随机因素的影响，合龙口姿态有可能偏离理论值，需进行调整，确保合龙段与两侧悬臂端梁段的平顺连接。合龙口姿态调整主要包括高程偏差调整和主梁轴线偏差调整，具体措施主要包括调整斜拉索索力、主梁前端施加配重等。

(1)高程偏差调整

合龙口高程调节措施主要是调整中跨15#～17#斜拉索索长(边跨拉索进行同步调整)，将两侧钢梁前端左右幅高程调至同一标高，即起吊后设计标高，但仍会存在微小偏差，可以根据情况进行微调：①当合龙口两侧均偏高、或一侧偏高另一侧适当时，在高的一侧以25t汽车吊作为配重进行调整；②当合龙口两侧偏低时，若偏低量小于20mm，计算表明此时对焊缝宽度的影响仅为 2.7mm，不对合龙口端部进行调整。若偏低量大于20mm，通过张拉17#索调整；③当合龙口两侧一侧偏高、一侧偏低时，若两侧高差小于20mm，计算表明此时对焊缝宽度的影响仅为 2.3mm，不对合龙口进行调整。若大于20mm，则对偏高一侧采用汽车吊配重，使两侧高差减小至20mm以下。

(2)主梁轴线相对偏差的调整

合龙口轴线调节通过安装在两侧16#梁段顶板上的辅助设施完成，将两侧钢梁轴线调整至同一轴线上。 但由于合龙段长度达15m，在合龙段起吊前，即使将两岸轴线调节完成也无法锁定轴线，因此轴线的调节在合龙段吊入合龙口后、临时锁梁装置与主梁焊接前进行。合龙前，南北岸两侧的主梁轴线误差通过匹配调整控制过程，预先将轴线误差控制在允许范围内，合龙时的调整只是针对合龙口两侧主梁轴线的相对偏差。待合龙段吊入合龙口后，测量 N16、S16梁段前端控制点的轴线相对偏差，当相对偏差超出允许值，对合龙口两侧的轴线相对偏差进行调整，经计算，每施加 10kN对拉力，轴线位移量约为3.0mm，结合预测的轴线偏差，只需约40kN的对拉力即可完成轴线调节。

4.3 合龙温度及配切长度确定

通过连续观测，确定合龙温度和合龙段配切长度。合龙段在钢梁制作厂加工时预先按照设计梁长增加40cm的长度进行制作。合龙段配切采用单端配切，北岸侧作为匹配端，南岸作为配切端。合龙段提前到场，得出配切长度后在现场的运输船上进行配切。合龙段配切放样时的温度需接近合龙温度，避免温度影响。配切与合龙时温差为 5℃时，配切长度影响值为：15m×5℃×1.2×10-5/℃=9×10-4m=0.9mm。

4.4 合龙段吊装 、匹配及焊接

选择在温度恒定的阴雨天气、桥面高程处阵风风速不超20m/s的有利天气进行合龙段吊装作业。合龙段在白天起吊至合龙口底部，在当天夜间将梁吊入合龙口。合龙段空中停吊后拉设临时抗风稳定措施。起吊过程四台吊机同步协调，每提升5min进行一次梁段调平。首先将合龙段与一侧钢箱梁匹配连接，然后调整合龙段与另一侧梁段的相对高差，利用轴线调整装置调整相对轴线偏差，进行另一侧梁段的匹配连接。合龙段与南北岸两侧梁段匹配后即可进行合龙缝的打码作业。打码完成后须立刻进行合龙段的焊接，焊接顺序首先进行腹板焊接、再进行环缝焊接，环缝焊接从桥轴线向上下游两侧对称施焊。

4.5 合龙段焊缝宽的调整

合龙时合龙段与两侧16#梁段间隙允许范围小，单侧间隙一般在6～10mm时方可将合龙段吊进，而大于25mm则无法保证良好的焊接质量 (现场焊接工艺试验，常规焊缝宽度为6～28mm，最大缝宽30mm)。由于合龙段在下午 5：00起吊，起吊时间为 3h左右，因此在起吊和合龙过程中需防范的是合龙段焊缝跨度偏大的问题。由于长门大桥为墩、塔、梁固结体系，采用温度合龙，合龙口宽度和合龙段焊缝宽度均由温度决定，难以采取人为措施调整。当合龙段焊缝宽大于焊接要求时，先将北侧合龙段焊缝宽调整至适宜宽度，北侧临时锁梁装置与主梁焊接，锁定北侧，其后每隔30min测量一次南侧合龙段焊缝宽，当焊缝宽度适宜时，快速将南侧临时锁梁装置与南侧钢梁焊接，锁定南侧，其后，同时焊接南北侧合龙段焊缝。

5 结语

斜拉桥因跨径大、结构特殊、施工风险大，在选择合龙方式的时候应充分考虑斜拉桥的结构特点、受力性能、环境和施工条件等多方面因素的影响，选择合适的合龙方式。经过分析研究，长门特大桥中跨合龙采用了无劲性骨架的温度配切合龙方案，该方案施工风险小，省去了庞大的水箱及劲性骨架，改善了施工条件，也较好地克服了温度的影响，对成桥后的线性和受力影响很小，适用于大跨径墩塔梁固结结构的斜拉桥。

长门特大桥于6月份完成中跨合龙施工，施工过程顺利，各项指标均满足规范要求。