大跨度钢箱梁斜拉桥中跨合龙关键技术

2020-02-24陶路曾德礼

铁道建筑 2020年1期

陶路曾德礼

（1.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉 430034；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉 430034）

大跨度钢箱梁斜拉桥由于桥下通航能力强，上部结构架设周期短等特点，越来越多地运用于跨江大桥和跨海大桥的建设中。据不完全统计，近10年来国内建成的主跨超过400 m 的钢箱梁斜拉桥就超过了15座，还有多座同类型桥梁正在建设中，如武汉青山长江大桥、临港长江大桥等。

国外大跨度钢箱梁斜拉桥中跨合龙通常采用顶推配切合龙，如法国的诺曼底大桥；国内的合龙方法通常有顶推配切合龙和温度配切合龙2 种方式［1-2］，如苏通长江大桥采用顶推配切合龙，舟山金塘大桥采用温度配切合龙。斜拉桥中跨合龙是整座桥梁施工过程中最为关键的环节之一，因此有必要对大桥合龙经验进行总结，了解合龙各流程的控制要点。

1 工程概况

以福州琅岐闽江大桥、中朝鸭绿江界河大桥、万州长江三桥及港珠澳大桥青州航道桥4 座主跨超过400 m 的钢箱梁斜拉桥中跨合龙为背景，对大跨度斜拉桥中跨合龙过程中的关键技术进行研究。表1 中4座大桥均为双塔双索面钢箱梁斜拉桥。其中前2 座桥采用顶推配切合龙［3］，后2 座桥采用温度配切合龙。

表1 4座大跨度钢箱梁斜拉桥基本概况

2 中跨合龙关键技术

2.1 确定合龙方案

顶推配切合龙的流程主要为：①调整合龙口姿态，在合龙口压重和临时锁定；②对合龙口宽度进行连续观测；③根据连续观测结果对合龙段进行配切；④解除顶推侧塔梁临时锚固，顶推主梁，使合龙口宽度满足施工要求；⑤起吊合龙段，适时吊入合龙口；⑥焊栓合龙段，实现合龙。温度配切合龙的流程和顶推配切合龙基本一致，只是没有了步骤④。

根据2 种合龙方法的施工流程可以看出：温度配切法的优点在于没有释放塔梁临时锚固的风险，但受环境温度影响很大，如果合龙时实际温度高于预期合龙温度，合龙段可能无法吊入合龙口；实际温度低于预期合龙温度过多，则可能造成焊缝宽度过大而引起焊缝质量问题。顶推合龙的优点在于可以通过合龙前对钢箱梁进行整体顶推来对合龙口宽度进行调节，施工时间充裕，合龙施工的可靠性和可控性高。其缺点在于需要释放顶推侧的塔梁临时约束，结构变形释放后可能无法恢复。且大跨度斜拉桥的顶推力和顶推距离较大，施工存在一定的难度和风险。

福州琅岐闽江大桥合龙时间为6 月19 日，根据合龙前连续观测的结果，钢箱梁白天最高温度接近50 ℃，夜间降温较快，气温在25～30 ℃之间，该桥的设计合龙温度为20 ℃，预计合龙期间实际环境温度高于设计合龙温度超过5 ℃，因此选用顶推配切合龙［4］。万州长江三桥的设计合龙温度为20±5 ℃，根据桥址区2016 年和2017 年同期温度统计数据及最近天气数据分析，桥址处白天的温度在24～31 ℃之间，夜间温度在 16～22 ℃之间，且夜间 22：00—6：00 温度变化较小，气温在设计允许温度范围内，最终采用了温度配切合龙［5］。

根据以上分析，2 种合龙方案的最大差异源于结构对实际合龙温度的适应性，如果预期合龙期间桥址处气温稳定且接近设计合龙温度，则可以采用温度配切合龙，反之则建议采用顶推配切合龙。

2.2 调整合龙口姿态

1）合龙口压重

在对合龙口连续观测前，传统的做法是采用压重来调整合龙口姿态，以达到理想的合龙状态。混凝土结构的桥梁在合龙时压重主要是为了在浇筑合龙段混凝土期间进行荷载的等效置换，保证合龙段的受力安全。钢箱梁斜拉桥压重的目的在于通过模拟起吊合龙段工况，在起吊侧采用水箱或其他等效物进行压重，再通过调整斜拉索索力或压重等方式调整合龙口的高程，在合龙口高程满足要求后再进行连续观测，观测完成后即可卸除该压重。对于悬臂施工的钢箱梁斜拉桥，合龙前后合龙口姿态的变化可以通过理论计算精确模拟，考虑到现场合龙口压重也存在一定的误差，因此合龙口压重并非必不可少。根据文献［3］，福州琅岐闽江大桥在合龙口观测前进行了压重，但由于一侧压重布置效果不理想，在连续观测前即卸载了该压重。中朝鸭绿江界河大桥合龙口未进行压重，采用直接吊合龙段的方式进行连续观测，该方式可以最为准确地调整合龙口姿态，但在观测期间对航道通航有一定影响，并不适用于所有的桥梁。万州长江三桥采用汽车加装的方式对合龙口进行压重。港珠澳大桥青州航道桥在连续观测前未加压重。

2）临时劲性骨架锁定

中跨合龙口姿态调整完成后，苏通长江大桥和鄂东长江公路大桥均对合龙口采用临时劲性骨架锁定（顺桥向自由），其目的是为了保证钢箱梁的轴线偏位和合龙口形状基本保持初步调整后的状态。而导致钢箱梁轴线偏位的主要原因在于风荷载的影响，而桥梁中跨通常选择在风速较小时段合龙，因此临时劲性骨架的设置也并非必不可少。福州琅岐闽江大桥、万州长江三桥及港珠澳大桥青州航道桥3座大桥中跨合龙时均未设置临时劲性骨架锁定。

综合以上分析，吊装合龙段前后合龙段的高程变化规律可根据理论计算精确模拟，在风速较小的环境下合龙口的轴线偏位也比较稳定，建议调整合龙口的姿态达到理想的合龙状态后可不进行合龙口压重，也可不采用临时劲性骨架锁定。

2.3 连续观测合龙口

调整好合龙口姿态后，需进行48 h 合龙口主梁高程、轴线偏位、合龙口宽度及温度场的连续监测。测量间隔时间在 06：00—18：00 期间为 2 h/次；18：00—次日06：00 期间为1 h/次，间隔时长可根据计划合龙时间适当调整。监测部位应包括钢箱梁顶板、底板、斜腹板、竖腹板等重要部位，如福州琅岐闽江大桥在合龙口两侧各布置了12 个监测点，见图1。鉴于监测点较多，测试频率较高，为提高连续观测的效率及安全性，建议采用无线采集设备对结构温度场和大气温度进行采集［6］，用激光测距仪监测合龙口宽度。根据观测结果，拟合出合龙口宽度和结构温度及大气温度的关系曲线，确定合龙口的宽度。

图1 合龙口宽度监测点布置示意

2.4 计算合龙段配切长度

1）配切长度的计算

合龙段配切长度需考虑合龙段的设计无应力制造长度、施工阶段梁长累计误差、预计合龙温度与设计合龙温度的偏差等因素。合龙段配切长度计算公式为

式中：Lx为合龙段的配切长度；Ls为合龙段的设计无应力长度，该参数需考虑合龙段顶底板的设计无应力长度不一致；L1为施工阶段的梁长累计误差（实际梁长大于设计值时L1为正，反之为负）；L2为合龙段安装至成桥后合龙段的压缩变形量；Lh为合龙口两侧的焊缝宽度；Lt1为预计合龙温度与设计合龙温度不同造成合龙段的偏差（预计合龙温度高于设计合龙温度时Lt1为正，反之为负）；Lt2为配切时合龙段温度与设计合龙温度不同造成的合龙段长度偏差（配切时合龙段温度高于设计合龙温度时Lt1为正，反之为负）。

2）注意事项

施工阶段梁长累计误差可能较大，造成合龙段的配切长度与设计无应力制造长度偏差较大，需在施工控制过程中关注梁长的累计误差，并通过调整后续梁段的无应力制造长度来消除该偏差。如福州琅岐闽江大桥和万州长江三桥在中跨梁段架设一半数量的梁段后，均发现中跨钢箱梁的总长度比理论计算值偏短的现象，特别是琅岐闽江大桥在中跨架设12个节段后，发现中跨单悬臂总梁长偏短了近50 mm，梁长偏差过大可能影响斜拉索的安装定位，为解决这一问题，在后续梁段制造过程中，增大了部分梁段的无应力制造长度。

2.5 顶推钢箱梁

采用顶推配切合龙时，通常只顶推合龙口单侧钢箱梁，在顶推前解除顶推端的塔梁临时锚固。

1）解除塔梁临时锚固

解除塔梁临时锚固，即释放其纵向约束和转角约束。文献［3］表明：琅岐闽江大桥主桥在塔梁临时锚固解除后，斜拉索索力总体变化较小，只是桥塔附近的斜拉索索力影响较大，其他位置的索力基本不变。解除塔梁临时锚固后，主梁变位较小，中跨靠近主塔的斜拉索梁上锚点竖向位移最大，为向上12 mm；为防止解除塔梁临时锚固后梁体瞬间上台，在解除临时锚固前在该处梁段进行了堆载。

2）确定顶推力

顶推力主要受边中跨斜拉索不平衡水平合力和支座摩擦力的影响，其中支座摩擦力包括过渡墩、辅助墩及桥塔处支座的摩擦力总和。顶推力计算公式为

式中：P为顶推力；Fx为斜拉索不平衡水平合力，当向边跨顶推时Fx为正，反之为负；Ff为支座摩擦力总和；μ为支座摩擦因数；N为过渡墩、辅助墩或桥塔处支座的支座反力之和。

3）注意事项

在解除塔梁临时锚固和顶推钢箱梁过程中，应注意以下几点：①钢箱梁顶推事关桥梁结构的安全，特别是主塔的安全，顶推量应通过精确计算确定，如琅岐闽江大桥合龙时要求中跨顶推量不宜超过150 mm；②摩擦因数μ具有较大的离散性，计算选用的摩擦因数不一定准确，因此在选用千斤顶时在保证结构安全的前提下考虑一部分富余量，同时在顶推前对各支座四氟板进行清理，涂上润滑油；③边中跨斜拉索不平衡水平合力可能大于支座摩擦力总和，在解除塔梁临时锚固后，不平衡索力就能使主梁纵向移动，因此在解除临时锚固前应做好限位措施防止主梁突然向前冲。

2.6 吊装合龙段

1）吊装方式

吊装合龙段有单侧架梁机单独起吊（简称为“单侧起吊”）和两侧架梁机同步起吊（简称为“抬吊”）2种吊装方式。目前国内主要倾向于抬吊的吊装方式，如苏通长江大桥、琅岐闽江大桥及港珠澳大桥青州航道桥中跨合龙均采用该种起吊方式。其优点在于合龙段的重量由两侧架梁机共同承担，合龙口两侧的斜拉索索力比较均衡，一般不需要超张拉斜拉索或仅需要对个别斜拉索进行超张拉。部分桥梁出于以下原因选用单侧起吊合龙段的方式：①斜拉桥两岸归属2 家不同的施工单位；②合龙段尺寸较小。如中朝鸭绿江界河大桥由于第①种原因采用单侧起吊，万州长江三桥和鄂东长江大桥则因为第②种原因采用单侧起吊。采用单侧架梁机单独起吊合龙段的方式需要对合龙口附近的多对斜拉索进行超张拉，如中朝鸭绿江界河大桥和万州长江三桥在起吊合龙段前均对合龙口附近3 对斜拉索进行了超张拉，而鄂东长江大桥则对合龙口附近4 对斜拉索进行了超张拉［7］。施工过程中对斜拉索进行超张拉主要有2 个弊端：①对斜拉索进行超张拉时，张拉段锚杯可能需要抄垫，锚杯抄垫量过大导致不易对中甚至滑移，不利于结构安全；②合龙前超张拉的斜拉索数量较多，会增大后期斜拉索的调整工作量，影响施工总工期［8］。建议在条件许可的前提下，尽量采用抬吊的吊装方式。

2）注意事项

在“起吊合龙段，适时吊入合龙口”这道工序中，应注意以下几点：①采用“抬吊”方式时，两岸吊机型号、转速可能不同步而导致吊梁时重量分配不均，影响合龙口状态，应统一指挥，严格控制提梁的同步性［9］；②合龙段吊入合龙口的时机尽量选择气温相对较低的时段，以减小钢箱梁顶推量，降低顶推风险。

2.7 焊接合龙段

在合龙段吊入合龙口后，微调合龙口姿态，使两悬臂端高程和轴线位置均满足合龙精度要求，再按照计划栓焊合龙段。采用顶推配切方式进行合龙的桥梁，在合龙段入口后，应立即与非顶推侧的梁段进行匹配，开始栓焊工作，待温度趋于稳定时将另一端悬臂端顶进回退，待温度稳定在预计合龙温度左右时，锁定另一端的顶、底板，锁定后立即焊接。采用温度配切方式进行合龙的梁段，待温度稳定在预计合龙温度左右后，在腹板下端和顶板安装连接件，锁定合龙口长度，再进行栓焊。本道工序对温度要求高，整个焊接（栓焊）均须在夜间气温稳定时段完成［10］。特别是顶推配切方式进行合龙时，2 道焊缝不是同步施工，应加强施工组织，确保2 道合龙缝的栓焊及塔梁临时锚固的解除均在气温升高前全部完成，防止焊缝因温度影响而暴开，同时结构升温时能够伸缩自由。