大跨双塔单侧混合梁斜拉桥中跨合龙施工控制方法研究

王利刚 沈 伟 龚 凯

(湖北交投智能检测股份有限公司 武汉 430050)

随着材料性能及施工技术的发展，混合梁斜拉桥因其具有跨度大、经济性好等优势从而脱颖而出，得到了工程师的青睐[1]。作为混合梁斜拉桥施工控制的关键，合龙施工控制决定了主桥的实际成桥线形及内力状态能否达到设计要求[2-3]。混合梁斜拉桥的合龙施工方法有温度配切法和几何控制法两种，两者最大的区别在于温度配切法是改变合龙段长度，而几何控制法是通过顶推主梁调节合龙口宽度来完成合龙[4]。具体该采用哪种方法，应结合实际斜拉桥的施工工序，通过对施工控制分析来确定[5]。

本文以石首长江公路大桥主桥施工为背景，分析大跨双塔单侧混合梁斜拉桥中跨合龙的施工流程与关键技术难点，研究大跨双塔单侧混合梁斜拉桥中跨合龙施工控制方法。

1 工程背景

湖北省石首长江公路大桥主桥桥型为大跨双塔单侧混合梁斜拉桥，跨径布置为(75 m+75 m+75 m) +820 m+(300 m+100 m)，纵桥向采用半漂浮结构体系。石首长江大桥桥型布置见图1。

图1 石首长江公路大桥桥型布置图(单位：m)

混凝土箱梁与钢箱梁均采用分离式双边箱PK梁断面，钢-混结合面位于离北塔中心线26.5 m的中跨侧，北边跨为预应力混凝土箱梁，长251.5 m，中跨和南边跨为钢箱梁，长1 193.5 m，钢箱梁高3.8 m，钢-混结合段及混凝土梁高3.822 m，箱梁全宽38.5 m，到索塔区缩小到35.98 m。中跨合龙段长为12.4 m，吊装质量为249.1 t。主桥索塔采用收腿的倒Y形造型，北塔总高232 m，南塔总高234 m。主桥斜拉索采用强度1 770 MPa低松弛高强平行钢丝束，索面呈扇形分布，每个索面由26对高强度平行钢丝斜拉索组成，顺桥向标准间距为15 m，北边跨混凝土箱梁段标准索距为7.5 m，南边跨钢箱梁尾索区标准索距为12 m，全桥共4×26对斜拉索，最大索长为440.138 m(SJ26号斜拉索)，最大规格为PES-367，单根索最大质量为48.388 t(NJ26号斜拉索)。

2 合龙施工流程及技术难点

石首长江公路大桥主跨合龙采用几何控制法，其基本思路为：在南塔、梁之间设置顶推装置，通过顶推南边主梁来调节由于温度影响而引起的合龙段长度与合龙口宽度的差值，同时考虑预留一定的合龙操作空间，从而保证在不同的温度下均可实现合龙成桥目标状态，以解决在较大的温度范围内合龙段均能够顺利嵌入合龙口的问题。

采用几何控制法进行中跨合龙的具体施工步骤为：①北岸的桥面吊机在26号斜拉索张拉完后不动并拆除吊具，南岸的钢箱梁按照预定顶推行程向岸侧顶推并锁定；②南岸的桥面吊机提升合龙段至NZ26号梁段下方，将合龙段嵌入合龙口，利用桥面吊机调节合龙段纵坡，对合龙段与NZ26号梁段进行初匹配，测量标高与缝宽；③调节合龙段与SZ26号梁段相对轴线，对合龙段与NZ26号梁段进行精匹配，锁定临时连接件及拉压杆，桥面吊机缓慢卸力，使合龙段与SZ26号梁段标高齐平，将南岸钢箱梁回顶至合龙段与SZ26号梁段间的焊缝宽度满足要求；④将NZ26钢箱梁、SZ26钢箱梁与合龙段间同时打码焊接，解除南塔纵向顶推装置及北塔梁间纵向、横向限位装置[6]。

石首长江公路大桥主跨合龙的技术难点为：①本桥为超大跨单侧混合梁斜拉桥，属于塔、梁不对称结构体系，在合龙前要对最大悬臂状态结构线形及内力进行严格控制，并准确计算出合龙段的无应力制造长度；②分析混合梁斜拉桥各构件对温度的敏感性，研究索、梁、塔结构的温度效应变化规律，结合实测数据提出合龙时索、梁、塔的绝对温度限值和温差限值；③确定顶推力与顶推行程之间的关系，根据合龙温度确定顶推行程[7]。

3 合龙施工控制研究

3.1 合龙段无应力制造尺寸

主跨合龙段虽然有设计制造尺寸，但其是在设计基准温度15 ℃下且不考虑制作误差的长度。而在实际施工中，合龙温度与设计温度存在偏差，同时施工中存在误差，使得合龙口宽度跟合龙段设计长度不符，此外，对全焊接钢箱梁而言，由于主梁节段间的转角调整受焊缝宽度等因素影响，其调整量非常有限[8]。因此，为了保证主跨合龙段能够精确合龙，需准确计算合龙段的制造长度，即合龙段的无应力制造尺寸。

合龙段无应力制造尺寸可由以下步骤来确定[9-10]：①根据合龙段的施工工期安排，预测实际合龙温度；②在24号梁段精匹配完成后，对悬臂端两侧测点进行24 h温度影响监测，得到主梁加权温度与测点坐标之间的关系，然后通过最小二乘法计算出拟合直线的待定参数，求出测点在任何加权温度下的坐标值；③计算测点坐标在设计基准温度下实测与理论的差值，得到相应的误差值；④计算在预测合龙温度下悬臂长度的修正值，将在基准温度下的测点坐标误差值转换成预测合龙温度下的测点坐标误差值；⑤在工厂里下料切割与制造。

根据测量数据及相应计算，得到主跨合龙段在设计基准温度下的制造尺寸。合龙段无应力制造尺寸参数见表1和图2。

表1 合龙段无应力制造尺寸 mm

图2 石首长江公路大桥主跨合龙段

3.2 混合梁斜拉桥温度场变化规律

混合梁斜拉桥的钢箱梁、混凝土箱梁、主塔及斜拉索等构件受日照的影响，对温度的敏感性也存在差异。在26号斜拉索已张拉，南边跨已合龙的情况下，测量石首长江公路大桥主要组成构件温度变化情况。石首长江公路大桥实测温度场变化见图3。从图3的实测数据可知，从08：30-23:20，各个时间段的大气温度要低于钢箱梁、斜拉索、混凝土梁及主塔的温度，但全桥各结构的温度变化均滞后于大气温度变化。钢箱梁及斜拉索的温度始终高于混凝土梁、大气及主塔，斜拉索最高温度大于钢箱梁，两者温度幅度的变化都比较大，斜拉索最大温差达到25.1 ℃，比钢箱梁最大温差23.6 ℃略大。北边跨箱梁与主塔均采用混凝土材料，变化规律基本一致，受温度影响较小，其温度变化滞后于斜拉索及钢箱梁。

图3 石首长江公路大桥温度场变化图

3.3 索、梁、塔之间温差效应分析

石首长江公路大桥南北索塔采用C50混凝土，北边跨混凝土箱梁采用C55混凝土，钢箱梁主体结构采用结构钢Q345qE，斜拉索所用钢丝采用锌-5%铝混合稀土合金镀层，所使用的材料不同，热膨胀系数也不一致，因而温度引起的变形也不相同。当石首长江公路大桥主桥处于最大悬臂状态时，通过控制索、梁比塔高10 ℃，梁比索、塔高10 ℃这2种情形进行结构敏感性分析。温度变化引起的主梁标高变化曲线见图4，温度变化引起的斜拉索索力变化曲线见图5。

图4 主梁标高变化图

图5 斜拉索索力变化图

由图4、图5可知，梁与索、塔之间的温差对主梁标高的影响最大，而索、梁与塔的温差对斜拉索索力影响最大。混凝土主梁标高基本不受温度变化影响，钢箱梁标高变化最大值发生在中跨悬臂端，分别为-86.1 mm(索、梁温度比塔高10 ℃)和175.6 mm(梁温度比索、塔高10 ℃)，主要原因是此位置受温度变化产生的弯矩作用最大。斜拉索索力变化主要发生在南北塔附近，由于这个地方的斜拉索索长比较短，主梁的纵向变形小于斜拉索的伸长量，而北塔索力变化量大于南塔，其主要原因是北边跨混凝土主梁的重量大于南边跨的钢箱梁。在索、梁温度比塔高10 ℃时，索力最大变化量发生在NJ01号索，为-311 kN；在梁温度比索、塔高10 ℃时，索力最大变化量发生在NA02号索，为-23 kN。

由图3可知，在23：20时，钢箱梁跟斜拉索的温度基本一致，比主塔温度大约高3 ℃。在实际施工中，一般在钢箱梁跟斜拉索、主塔相差1 ℃左右时开始合龙，此时最大标高影响量大约是梁、索比塔高10 ℃情形的1/10，约为8.6 mm，对合龙影响不大。

3.4 顶推行程确定

对于合龙口宽度的调节通过在南塔设置顶推装置来完成。钢箱梁的顶推行程由两部分组成，即合龙段起吊需要的操作间隙及合龙温度偏离设计温度时产生的梁段伸缩量，其中，合龙段起吊需要的操作间隙为10 cm。不同合龙温度与需要的顶推行程见表2。

表2 不同合龙温度与南塔纵向顶推行程对应表

总的顶推力由三部分组成：南塔斜拉索产生的不平衡水平反力、支座摩擦力及顶推行程会引起新的中、边跨水平不平衡索力。通过有限元分析，南塔斜拉索产生的不平衡水平反力为1 760 kN，为中跨方向，支座摩擦力约为956 kN。经计算，顶推行程与顶推力的关系为11.45 kN/mm。如当合龙温度为20 ℃时，表2显示顶推行程为148.2 mm，则需要的顶推力增量为1 697 kN，也就是由148.2 mm的顶推行程会引起新的中、边跨水平不平衡索力增量1 697 kN。从而总的顶推力为：1 760+956+1 697=4 413 kN。

3.5 合龙段精匹配

由于南北岸桥面吊机起吊速率不同步，北岸为1.2 m/min，南岸为0.83 m/min，如果采用南北岸桥面吊机抬吊合龙段，会存在一定的安全隐患，因此，为了主桥安全地顺利合龙，大桥主跨合龙段采用单边桥面吊机进行起吊。中跨合龙吊装示意图见图6。

图6 中跨合龙吊装示意图(单位：mm)

按照预定的顶推行程，利用南塔侧顶推装置将南塔钢箱梁梁段整体向南岸边跨侧纵移，利用南岸侧桥面吊机吊装合龙段，温度合适时，将合龙段ZH27梁段嵌入合龙口，将合龙段ZH27梁段朝NZ26梁段纵向移动，减小ZH27梁段与NZ26梁段的缝宽，安装顶板匹配件螺栓，完成初匹配，根据监控指令调整北岸钢箱梁高程及轴线，完成精匹配，安装拉压杆进行临时锁定。通过桥面吊机缓慢卸力调整合龙口两侧主梁T1、T3点的相对高差使合龙段与SZ26梁段标高齐平，将纵向张拉千斤顶卸力，逐步减小ZH27梁段与SZ26梁段的缝宽，直至南岸钢箱梁与合龙段间距为5 cm，停止移梁。

评估合龙段两侧的焊缝宽度，及时调整两侧焊缝差，调整完成后，锁定北侧临时连接件及拉压杆，对合龙段北侧焊缝进行打码焊接施工。再回顶南岸钢箱梁，至缝宽为2 cm停止顶推并锁定，调整合龙口轴线及高差，完成合龙段南侧精匹配，锁定临时连接件及拉压杆，对合龙段南侧焊缝进行打码焊接作业。

4 成桥线形及内力

石首长江公路大桥中跨于2019年4月8日合龙，后续完成了斜拉索调索、桥面铺装等重要工序。2019年9月9日对主桥成桥状态下的标高、索力等参数进行了通测。成桥状态下实测线形与理论线形的误差见图7，实测索力与理论索力的偏差见图8。由图7、图8可见，在成桥状态下，北塔中跨侧钢箱梁实测标高与理论标高最大偏差值为47 mm，北边跨混凝土箱梁实测标高与理论标高最大偏差值为-16 mm；南塔中跨侧钢箱梁实测标高与理论标高最大偏差值为44 mm，南塔边跨侧钢箱梁实测标高与理论标高最大偏差值为-57 mm，均满足规范要求的±L/10 000=±82 mm的要求。斜拉索实测索力值与理论索力值偏差均控制在±5%之内，满足规范相关要求。此外，索塔塔偏及控制截面应力也满足监控控制要求，限于篇幅，计算结果未列出。

图7 成桥状态下实测线形与理论线形的误差图

图8 成桥状态下实测索力与理论索力的偏差图

5 结语

文中以石首长江公路大桥主桥施工为背景，分析了大跨双塔单侧混合梁斜拉桥中跨合龙的施工流程与关键技术难点，研究了大跨双塔单侧混合梁斜拉桥中跨合龙施工控制方法。通过分析可以得出以下结论。

1) 采用几何控制法对大跨双塔单侧混合梁斜拉桥中跨合龙的施工控制是非常有效的,主桥完成后结构线形平顺、连续性好，且成桥状态下实测索力与理论索力基本一致。

2) 通过对索、梁、塔间温差效应的有限元分析，可以确定中跨合龙的最佳温度。

3) 通过在南塔设置顶推装置来调节合龙口宽度，并计算顶推行程跟顶推力间的关系，可使合龙段顺利嵌入，最终实现桥梁中跨高精度合龙。