沼泽区斜拉桥钢-混凝土叠合梁施工技术*

2022-03-21杨勇，刘涛

施工技术(中英文) 2022年2期

杨勇，刘涛

(1.保利长大工程有限公司，广东广州 510620；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201)

0 引言

钢-混凝土组合结构在大跨径桥梁中的应用越来越广泛，既可充分发挥钢、混凝土2种材料的优异性能，又有利于实现构件加工制造的工厂化和现场安装的装配化，进而提高工程质量。采用开口断面的钢-混凝土叠合梁，将钢结构部分设计为独立构件，采用高强螺栓连接，避免出现现场焊接质量控制难题，进而提升结构工厂化和装配化程度，同时也可避免传统的整节段大吨位起重，降低施工风险。钢-混凝土叠合梁斜拉桥上部结构施工已形成了较成熟的工艺，但对于特殊施工条件，现有施工工艺有时难以满足实际需求。本文以珠海市洪鹤大桥洪湾水道主航道桥为研究对象，针对桥下沼泽区运输条件不便、现有施工工艺无法采用等难题，提出了一种新的施工工艺来完成其上部结构施工。

1 工程概况

1.1 项目概况

珠海市洪鹤大桥全长9.654km，采用2座双塔双索面叠合梁斜拉桥，跨越洪湾水道和磨刀门水道主航道，跨径布置均为(73+162+500+162+73)m。主航道桥主梁采用开口断面钢-混凝土叠合梁，梁高3.5m。钢梁部分包括主纵梁、横梁、小纵梁、锚拉板、压重箱及风嘴等，采用Q370qD钢材，主纵梁、横梁及小纵梁采用工字形断面，主纵梁中心距为34.0m，横梁长33.1m，横梁标准间距为4.0m，钢梁构件之间全部采用高强螺栓连接。混凝土桥面板采用C60预应力混凝土，桥面板厚26cm，分为预制和现浇，预制部分按混凝土平面尺寸规格可分为3.4m×16.45m，2.4m×16.45m，1.4m×16.45m。为减少混凝土收缩徐变对结构产生的不利影响，要求预制板存放时间≥6个月；现浇部分为预制板间湿接缝，主要位于主纵梁、横梁及小纵梁顶面，采用C60微膨胀混凝土，通过剪力钉与钢梁结合形成叠合梁结构。斜拉索采用镀锌平行钢绞线斜拉索，每个主塔20组斜拉索，通过锚拉板锚固在主纵梁顶面[1]。

全桥叠合梁分为85个节段(包括2个主塔顶0号梁段，80个标准梁段，2个边跨合龙段，1个中跨合龙段)，其中0号梁段主纵梁长17m，设置5条横梁；标准梁段主纵梁长均为12m，单个梁段设置3条横梁，标准梁段三维模型如图1所示。钢梁单个构件最大起重量为62t，为0号梁段主纵梁，其余标准段主纵梁最重45t(含风嘴与锚拉板)；钢横梁最重44t，为辅助墩顶压重横梁，其余标准横梁重26.5t；单块桥面最重45t。

图1 主梁标准梁段三维模型

1.2 地形地貌

3号主墩位于洪湾水道中珠联围防洪大堤背水侧，地处珠江三角洲南部，地貌单元属海陆交互相，地形平坦开阔，原地面标高约为0.000，根据地质报告，原地表为素填土，层厚1.3～2.0m，往下为淤泥质黏土层，层厚13.30～20.80m。由于该区域为洪鹤大桥与洪湾渔港吹填施工交叉区，桥梁施工前，洪湾渔港已在该区域堆载了约3.0m深的淤泥质泥水，使得整个场地变成沼泽地，彻底改变了原有地形地貌条件。根据现场实际施工需要，3号主墩采用筑岛工艺形成施工场地，筑岛标高为4.000m。

2 传统施工工艺

1)回转桥面起重机拼装法先利用大型浮式起重机(水上)或大型履带式起重机(陆地)架设主塔顶梁段，架设时可整节段整体架设，也可进行散件拼装；塔顶梁段架设完成后，在塔顶梁段的桥面上安装回转桥面起重机，回转桥面起重机可在架设位置的桥梁正下方水面(或地面)起吊待架设梁段构件，也可回转180°至已架设梁段的桥面起吊，待架设梁段起吊后可直接就位安装[2]。该方法操作工序简单，特别是对于梁段构件可运输至架设位置正下方的工况，具有显著优势，但对于桥下运输不便，或桥梁构件尺寸过大限制桥面回转起吊时，该方法将无法实施。

2)整节段架设法预先将钢结构与混凝土结构组合成整体，运输至起吊位置，再利用桥面起重机或缆索吊装整节段，也可预先进行部分构件组合，如先组装钢结构，待钢结构架设后，再进行混凝土构件架设安装[3]。该方法减少了现场拼装的工作量，并一定程度上可加快施工进度，但增加了构件运输难度和吊重，也就限制了其适用范围。

3 施工方案研究

洪鹤大桥3号主塔位于防洪大堤背水侧，边跨侧从S6号梁段开始全部位于沼泽区，中跨侧C1～C9号梁段则位于防洪大堤正上方或浅滩区，均无法实现梁段运至桥下。此外，钢横梁长33.1m，采用桥面回转起吊难度较大，钢横梁在回转过程中极易与先架设梁段的斜拉索碰撞而损坏斜拉索，且桥梁横向总宽度约40m，无法采用整体架设法。因此，该桥上部结构钢-混凝土叠合梁施工需探索一种新的施工工艺。

3.1 总体施工方案

根据设计要求，混凝土桥面板在专用预制厂内提前预制，并按要求存放≥6个月，钢梁构件在专业钢结构工厂分段制造，验收合格后进行短线整体匹配。由于3号主墩位于防洪大堤背水侧的沼泽区，钢梁构件及桥面板无法采用水路运输，只能利用汽车通过施工栈桥运至施工现场。

塔周梁段利用履带式起重机直接吊装至支架上进行架设；塔周梁段架设完成后，在塔周梁段上安装桥面起重机及提梁站；标准梁段构件通过提梁站提升至桥面，再利用运梁车运送至桥面起重机起吊位置，采用悬臂拼装工艺架设，梁段构件起吊需通过平移方式，避免与已架设梁段的斜拉索碰撞；中跨采用等温条件合龙方式，即在标准梁段架设完成后，通过连续观测合龙口的姿态确定合龙梁段参数，在相同工况条件下进行合龙梁段施工。

3.2 施工设备确定

塔周梁段距离地面高度约36m，最大起重量为0号梁段主纵梁，重约62t，其余构件质量均在45t以下。由于3号主塔位于陆地，塔周梁段无法采用浮式起重机等水上起重设备进行安装，通过对梁段吊装重量、吊装工况及施工场地的地质情况分析，选用350t履带式起重机，在主臂长66m、幅度18m时，可吊重75.8t；幅度20m时，可吊重65.7t，满足塔周梁段构件吊装要求。

标准梁段构件质量均在45t以下，桥面起重机额定起重量按50t考虑。梁段构件自桥面运至桥面起重机尾部起吊，平移至前端进行拼装，桥面起重机前端悬臂以满足梁段构件平移和旋转，此外，钢梁间采用高强螺栓连接，桥面起重机需提供高强螺栓施拧的作业平台，以确保施工安全。在充分考虑施工需求的前提下，结合实际工况不断优化，最终确定了一种框架式桥面起重机，起升高度9m，包括主桁架、底托架、起重系统(包括桥车、天车及吊具)及行走系统等，设备整机重162t，如图2所示。

图2 桥面起重机总体结构

主桁架作为起重机的起重支撑构件，两侧面主桁架片中心距为28.8m，通过横向联系形成空间桁架结构，桁架片顶面设有行走轨道，供起重桥车纵向行走。起重系统包括纵向移动的桥车、横向移动的天车、起重卷扬机及吊具，实现梁段构件的起吊、纵横向平移。桥面起重机前移系统包括滑移轨道、顶推装置等，行走轨道设置在主桁架片下方，置于已架梁段桥面上并与钢横梁牢靠锚固，顶推系统采用液压操作系统，使桥面起重机在轨道上沿纵桥向前进或后退。底托架采用钢框架结构形式，作为钢梁构件临时放置和精确就位的工作平台，可覆盖整个吊装梁段的作业区域，为高强螺栓施拧提供了可靠的作业平台，有利于保证施工安全。底托架上横桥向两侧各设置1个滑动架，设有三向千斤顶，用于完成主纵梁移动和精确就位。

为将梁段构件提升至桥面，需在主塔区设置1座提梁站。提梁站位于主塔和边跨侧S1号斜拉索之间，根据构件提升及旋转需要，提升站设计为两跨不等的门式结构，跨径为34m+21m(桥面+地面)，地面起升高度为43m，桥面起升高度为9m，额定起重量为50t，主梁上设置天车轨道，轨道中心间距为7m，如图3所示。

图3 提梁站结构布置

4 叠合梁施工工艺流程

4.1 塔周梁段架设

塔周梁段作为后续梁段悬臂架设的起始段，需满足中、边跨两侧桥面起重机安装和提梁站建设的空间要求，由于3号主塔距离防洪大堤较近，中跨侧C2，C3号梁段处于防洪大堤的正上方，根据大堤防护要求，防洪大堤的保护范围内严禁搭设支架、插打钢管及开挖作业，且5t以上车辆、设备不得进入，以确保大堤结构安全，这就限制了中跨侧主梁安装的支架搭设和作业空间。需对塔周梁段的安装方案予以优化，通过进一步模拟，发现中跨侧C2，C3号梁段未安装的情况下，可先在边跨侧安装中跨桥面起重机，安装完成后再前移至中跨C1号梁段上，再利用桥面起重机单侧悬臂架设中跨C2，C3号梁段。待中跨C2，C3号梁段架设完成后，再安装边跨侧桥面起重机，这样中跨C2，C3号梁段即可避免防洪大堤对施工的限制。

塔周梁段支架由中跨C1号梁段至边跨侧S3号梁段非对称布置，梁段构件采用350t履带式起重机在临时支架上进行原位安装。先安装0号梁段钢梁，纵梁长17m、重约62t，受中塔柱斜度影响，无法一次性吊装就位，需在下横梁上横向滑移就位。所有钢梁构件安装完并形成整体后，复测梁段平面位置及标高，由于0号梁段安装精度对后续梁段安装精度影响较大，需严格控制并精确调整。0号梁段钢梁精度满足要求后，将其与主塔下横梁通过精轧螺纹钢、纵横向支撑进行临时固结，以抵抗后续梁段安装过程中的不平衡力。塔梁临时固结后安装0号梁段桥面板，然后依次安装中跨C1号、边跨S1～S3号梁段，安装完成后，5个节段一次性完成桥面板湿接缝施工，对称挂设、张拉1号斜拉索[4-6]。

4.2 中跨侧C2，C3号梁段架设

塔周梁段架设完成后，在塔周梁段上安装桥面起重机及提梁站，并完成相应试吊、检验工作。通过提梁站将C2号梁段构件按架设顺序依次提至桥面，利用运梁小车运送至中跨桥面起重机起吊位置，先架设C2号梁段钢梁，完成后对称挂设2号斜拉索并一次张拉，然后桥面起重机前移；以同样步骤架设C3号梁段，对称挂设3号斜拉索并一次张拉，C2，C3号梁段湿接缝浇筑，等强后2，3号斜拉索二次张拉。

4.3 标准梁段架设(边跨侧S13，S14号及边跨合龙段除外)

标准梁段采用桥面起重机对称悬臂拼装架设。梁段构件通过提梁站依次提升至桥面运梁小车上，运梁小车将梁段构件运送至桥面起重机起吊位置，再利用桥面起重机依次进行安装。为减少湿接缝等强时间以缩短工期，标准梁段湿接缝每2个梁段浇筑1次，即每2个梁段为1个施工周期[7-9]。

4.4 边跨侧S13，S14号和边跨合龙段架设

边跨侧S13，S14号位于辅助墩顶，边跨合龙梁段位于边墩墩顶，因桥面起重机底托架与辅助墩、边墩墩身冲突，需提前将边跨侧桥面起重机底托架拆除，该3个梁段架设时需在墩旁搭设支架辅助就位[10]。以S13，S14号梁段施工为例，施工步骤如下。

1)第1步利用桥面起重机完成中、边跨S12号梁段架设及12号斜拉索挂设、一次张拉，与此同时，完成辅助墩墩旁支架的搭设和辅助墩永久支座的安装，在支架顶设置横向、纵向滑道。

2)第2步利用卷扬机将边跨侧桥面起重机的底托架下放至地面施工平台上。

3)第3步桥面起重机继续前移至S12号梁段前端。

4)第4步按照标准梁段安装步骤，依次架设S13号梁段钢梁及挂设13号斜拉索并一次张拉，辅助墩顶压重混凝土施工，最后安装S13号梁段的桥面板，施工S12，S13号梁段湿接缝，并进行12，13号斜拉索二次张拉。值得注意的是，S13号梁段主纵梁在辅助墩墩旁支架上完成滑移就位。

5)第5步桥面起重机继续前移至S13号梁段前端，架设S14号梁段构件，挂设14号斜拉索并一次张拉。与此同时，将边跨侧桥面起重机底托架从地面转运至S15号梁段正下方。

6)第6步桥面起重机前移至S14号梁段前端，利用卷扬机将边跨侧桥面起重机底托架提升至梁底进行安装，桥面起重机恢复正常使用状态，再按标准梁段的吊装顺序进行后续梁段架设。

4.5 中跨合龙段架设

中跨合龙段采用等温条件合龙方式，合龙时日气温为25～35℃，选择合龙基准温度为28℃。对称双悬臂完成S20号梁段架设及20号斜拉索挂设、一次张拉，施工边跨合龙段的边墩墩顶压重混凝土。除主塔处的塔梁临时固结体系外，拆除其余所有支架上的临时支座，使边跨侧梁体可在支座上纵向移动。按监控要求，清理桥面临时荷载，桥面起重机走行至吊装合龙段位置，观测中跨合龙口两端的梁段姿态，通过调整索力、设置偏载等措施调整合龙口标高、上下游主梁高差、轴线偏位等参数，使合龙口姿态达到监控允许范围，并连续观测调整后的合龙口姿态，掌握钢梁随温度、日照变化的规律，根据钢梁变化规律，并结合实际情况予以修正，给出合龙段钢梁匹配制造的参数[11]。

按实测数据制造合龙段钢梁，做好钢梁合龙准备，待温度恒定后进行钢梁合龙。合龙施工的最大难度在于主纵梁螺栓孔群的精确匹配，为便于合龙段主纵梁精准、顺利匹配，提前准备好小型千斤顶、对拉螺栓等辅助工具。合龙时，将合龙段与3号塔侧梁段的主纵梁按标准接头方式先行连接，再根据实际情况调整合龙段与4号塔侧梁段，直至接头线形、缝距等指标满足设计要求后，立即采用临时拼接板将合龙段与4号塔侧的梁段锁定，使全桥主纵梁连成整体。临时锁定后，立即拆除3号主塔处的塔梁临时固结体系，使主梁可沿纵桥向单向位移。

主纵梁锁定后，根据合龙段与4号塔侧的梁段接头螺栓孔位情况配钻永久连接板，永久连接板单端的螺栓孔预先钻好，现场配钻另一端即可。先配钻主纵梁顶、底板永久连接板并按要求完成高强螺栓施拧，再拆除腹板临时拼接板，配钻永久连接板并安装到位。最后安装合龙段钢横梁、小纵梁及桥面板等构件，浇筑湿接缝混凝土，实现全桥贯通[12]。