洪鹤大桥磨刀门水道主航道桥叠合梁施工线形控制

2022-09-13晏铭，胡雨

广东公路交通 2022年4期

晏铭，胡雨

(1.珠海交通集团路桥开发建设有限公司，广东珠海 519070；2.珠海洪鹤大桥有限公司，广东珠海 519070)

0 引言

斜拉桥是一种应用广泛且设计和施工技术较为成熟的桥型，国内有不少学者和工程技术人员对其施工控制理论和方法进行了研究[1-3]。悬拼斜拉桥的预制构件在工厂进行无应力制造后运送至现场装配施工，会涉及三种线形：制造线形、安装线形和成桥线形[4]。唯有选择合适的制造线形和安装线形，才能使桥梁结构最终尽可能地接近设计的成桥状态，因此必须明确三种线形之间的关系及其计算方法。

桥梁线形在制造阶段已经基本确定，现场调整的范围有限，如现场控制不好会造成整体线形偏离设计线形，甚至导致无法顺利合龙。对悬拼大跨度斜拉桥而言，进行施工全过程控制是确保最终成桥状态的重要措施[5-6]。本文以珠海市洪鹤大桥主桥磨刀门水道主航道桥为例，介绍该大跨度叠合梁斜拉桥悬臂散拼施工的全过程控制，验证了在塔墩处采用无支架施工的可行性，为其他同类型桥梁的施工控制提供参考。

1 工程概况

珠海市洪鹤大桥路线长9.654km，全线为桥梁工程，其主桥(跨越洪湾水道和磨刀门水道主航道)为两座桥跨布置为73m+162m+500m+162m+73m的双塔双索面叠合梁斜拉桥，全长970m，采用半漂浮体系，如图1所示。磨刀门水道主航道桥桥塔设计为166.484m和162.600m高的钻石形钢筋混凝土结构，采用C50混凝土；叠合梁总长970m，其混凝土桥面板全宽为34.9m，采用C60混凝土，支撑在由钢主梁的边主梁、小纵梁及横梁组成的梁格系上，钢梁采用Q370qD钢。叠合梁标准断面横向设置有2%的横坡，高3.5m，如图2所示。

图1 磨刀门水道主航道桥总体布置

图2 磨刀门水道主航道桥叠合梁标准断面

2 计算模型

磨刀门水道主航道桥为主跨500m的大跨度叠合梁斜拉桥，为保证斜拉桥成桥后达到设计成桥状态，需对斜拉桥的各个部件预制及施工环节进行严格监控。使用Midas Civil 2015有限元计算软件建立了整个施工过程的有限元模型，根据现场实际情况和实测数据对模型参数进行修正，以保证计算模型与现场结构吻合。

全桥有限元模型共分为947个节点、746个单元，其中主梁335个节点、334个单元，按照设计截面变化以及施工关键节点进行结构离散，辅助墩和边墩以边界模拟。

图3 磨刀门水道主航道桥有限元模型

3 制造阶段线形控制

成桥线形是设计成桥阶段主梁的线形，此时全桥各主梁节段均处于受力状态；制造线形是工厂预制标准节段梁时放样、制造的线形，为无应力线形；而安装线形为按照制造线形和制造夹角，在现场悬臂施工时，悬臂端新增节段自由节点的坐标连线。与设计线形和制造线形不同，安装线形的这些自由节点坐标并不发生在同一施工阶段，仅当采用满堂支架施工时，安装线形与制造线形一致[4]。

目前求解制造线形的方法主要有单元解体法、单元CR位移法、结构解体法和初始位移法[7-8]。单元解体法和单元CR位移法从局部出发得到各单元的无应力构形，比较适用于短线法预制；而结构解体法和初始位移法从整体出发获得结构的无应力构形，较多应用于长线法预制。

3.1 安装线形计算

磨刀门水道主航道桥的安装线形采用零初始位移法计算，计算公式为：

Ha=Hc-D

式中：Ha为安装线形；Hc为成桥线形；D为安装开始至成桥阶段对应节点产生的位移量。

若在安装过程中现场存在临时荷载，则应对安装标高进行修正。修正后的安装标高理论值：

Ha=Hc-D+Dl

式中:Dl为因临时荷载而产生的对应节点位移值。

3.2 制造线形计算

制造线形为无应力线形。在施工过程中，已架设梁段处于受力状态，新拼梁段则近似处于无应力状态，制造线形与安装线形的关系可参见文献[9-12]。若用安装线形代替制造线形，新装梁段端头标高和与已装梁段之间的转角两者无法同时满足[4]，产生的误差若完全通过索力进行调整，则必然产生较大的索力和内力误差，甚至对结构安全产生不利影响。

磨刀门水道主航道桥主梁为钢-混凝土叠合梁，钢梁间采用高强螺栓连接，在拼装过程中拼接处角度和悬臂端标高的调整量十分有限[13]。因此，必须根据现场实际施工流程计算出制造线形，通过拼接板宽度调整拼接角度和悬臂端头高程。

采用切线初始位移法求解洪鹤大桥的制造线形：

Hz=Hc-Dc+Dy

式中：Hz为制造线形；Hc为设计成桥线形；Dc为成桥阶段的切线位移；Dy为考虑运营阶段活载影响的预拱值。

3.3 横梁变形计算

由于桥面宽度达到34.9m，桥面的横向变形同样需要注意。根据有限元计算的结果，钢横梁的最大变形量达到16mm，因此必须设置横向预拱度。磨刀门水道主航道桥设置的横向预拱值见表1。

表1 横梁预拱度

3.4 压缩补偿量计算

主梁在斜拉索水平分力等荷载作用下，各节段均会产生轴向压缩，制造时需对各节段长度进行相应的长度补偿。由于各节段制造补偿量量值较小，为保证支座安装时能满足设计要求，可采用多节段一次性补偿的方法。针对磨刀门水道主航道桥，要求制造保证的部分钢纵梁累计压缩补偿量见表2。

表2 边跨侧钢梁制造补偿量

4 安装阶段线形控制

4.1 安装工艺

洪鹤大桥主桥磨刀门水道主航道桥两个主塔在墩顶节段采用不同的施工工艺，其中8#主塔采用筑岛施工，外部滩地面积大，无法采用浮吊架设，采用320t履带吊架设塔处节间(ZL21～ZL23)，利用100t全旋转桥面吊机进行对称悬臂拼装直至边墩处，辅墩和边墩处均采用悬臂散拼。

9#主塔根据桥位环境，塔处节间(ZL63～ZL65)主梁采用浮吊整体吊装钢结构，再进行桥面板安装叠合、整体吊装，利用80t全旋转桥面吊机进行对称悬臂拼装直至边墩处，过辅墩采用悬臂散拼，边跨合龙采取顶推端横梁调位合龙。

塔墩外其他节间采用对称悬臂施工，以两节段为一标准施工循环，施工流程如图4所示。

图4 磨刀门水道主航道桥标准施工循环流程

4.2 钢梁安装控制

根据有限元分析及现场实测数据表明，索塔区域进行无支架安装或有支架安装，结构均处于安全状态且安装误差控制在合理范围，8#主塔和9#主塔塔区施工实测最大误差见表3。

表3 主塔区钢梁安装误差最大值

本桥在标准节段施工时，采用对称悬臂吊装主梁散件并在空中完成拼接的方式进行施工。在吊装、拼接钢梁时，新施工钢梁悬臂端的标高控制尤其重要。当悬臂吊装单侧钢主纵梁时，吊机旋转且荷载不对称，吊机各支点反力不同，此时悬臂端主梁左右侧产生高差，若采用绝对高程指导安装控制，施工完成后左右侧会产生较大的误差。因此，该桥采用高差法控制，控制高差为：

Δh=Hx-Hq

式中：Δh为吊装钢纵梁时，吊机松勾前新拼钢梁端头与前一节段端头的高差值；Hx为悬臂新拼钢梁端头高程；Hq为上一施工节段的端头高程；Hx与Hq均为吊装钢纵梁、未松勾阶段的测量值，即两者为同一施工工况下的测量值。

主纵梁、横梁以及小纵梁、稳流板等全部安装完成后，需要对主梁姿态进行数据采集，以此作为模型参数修正、拉索和下一节段拼梁的误差调整的依据。

4.3 拉索阶段线形控制

叠合梁斜拉桥主梁刚度小，长悬臂状态安装钢梁后直接安装桥面板，悬臂端竖向位移大，前面已施工的主梁桥面板产生较大的拉应力增量，可能造成混凝土开裂，因此在安装钢梁后进行斜拉索挂设及第一次张拉。

根据有限元计算分析，此阶段张拉索力不应过大，否则在后续施工时索力被动增大，在钢梁与桥面板还未叠合时，索力的水平分量产生的轴向应力全部由钢梁承担，湿接缝浇筑后此部分轴向应力无法释放，最终导致钢梁应力较大，材料安全储备降低，甚至超过设计容许值。

对于钢梁安装完成后累积的误差，可以通过调整一张索力的大小消除一部分，原理是此时新拼钢梁尚未叠合，主梁刚度较叠合后小，索力对悬臂端位移较叠合后大。但挂索索力应控制在合理的范围，索力太小会导致挂索时单根钢绞线索力过小，斜拉索垂度大，钢绞线与套管贴合而影响穿索，同时可能导致夹片不紧，存在安全隐患；索力太大则如前所述，会导致钢梁应力偏大。因此，利用挂索索力进行标高误差调整的幅度有限。

标准施工循环中，第二个节段完成斜拉索挂索、吊装预制桥面板、湿接缝等强后进行二次张拉。二张斜拉索是标准循环误差控制的最后一道工序，其误差控制结果直接影响下一循环拼装和拉索误差，此阶段宜采用索力和标高双控的方式进行控制。此前产生的施工误差可以在此阶段通过增大或者减小索力进行调整，在保证结构安全的前提下减小或者消除累计误差，为后续阶段有效控制施工误差和顺利合龙奠定基础。

4.4 支座预偏

受温度影响，主梁会随温度升高而伸长，此变化属于可逆变化；同时由于计算制造线形和制造压缩补偿量时，考虑的是在设计基准温度下成桥阶段的累计变化值。在施工过程中，部分斜拉索尚未张拉或已张拉斜拉索索力未达到成桥索力值，索力的水平分力引起的主梁轴向压缩并未全部发生，而实际制造时已经补偿，此外由于安装时温度并未处于基准温度，因而为保证支座的安装精度，对支座进行了预偏操作，确保施工完成后，在设计基准温度时各支座上下摆能重新对中。