跨河桥梁主梁合龙施工控制探讨

摘要 为探索大跨径钢桁梁斜拉桥主梁合龙施工的可行思路及控制要点，文章以某跨河双塔双索面斜拉桥为例，结合工程实际提出顶推配切合龙方案，应用Midas Civil软件构建该跨河桥梁实桥有限元分析模型，对各施工阶段结构张拉索力、墩顶偏位、合龙对顶力等展开模拟；进而从合龙口姿态调整、合龙温度确定、现场试顶及合龙施工等方面对施工控制要点进行分析探索。结果表明，采取合龙口姿态调整、外侧斜拉索张拉索力优化、合龙口温度及坐标持续观测、合龙段杆件配切长度确定、主梁顶推等控制措施后，此大跨径钢桁梁斜拉桥主梁合龙施工质量得到较好控制，合龙施工精度符合要求。

关键词 跨河桥梁；主梁；合龙；施工控制；温度效应

中图分类号 U441文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0067-04

0 引言

钢桁梁斜拉桥因受力形式简单，刚度有保证，运行期间基本不会出现大规模徐变，维护工程量也明显低于其余桥型，在公路桥梁结构中应用程度较为广泛。但是，因跨越河流、山谷、沟壑等原因，此类桥型跨径持续加大。如遇环境温度骤变、混凝土结构收缩徐变、主梁合龙预应力钢束荷载作用等因素的综合作用，其结构受力、偏位等方面的累积效果便快速显现。根据相关研究成果，主梁合龙期间通过向合龙口侧部梁施以对顶力并提前增设墩顶偏位，能较好抵消以上不利影响。但此类结论很少得到主跨跨径超300 m钢桁梁斜拉桥结构的证实。基于此，该文依托大跨径桥梁实际，对合龙口侧部梁施加对顶力，提前增设墩顶偏位等措施对此类桥梁主梁合龙施工中的应用过程及效果展开分析研究，以资借鉴。

1 工程概况

某跨河桥梁采用双塔双索面钢桁梁斜拉桥结构，钢桁梁主要采用的是增设副桁形式的板桁梁设计，其所对应的横截面呈倒梯形状，立面为三角形。桥塔结构则主要按混凝土结构设计。整个桥梁总共布设的钢丝斜拉索有160根，长度位于110.89～347.97 m之间，总重量达到8.2～43.62 t。

根据类似工程施工经验，钢桁梁斜拉桥受力稳定，杆件运输和拼装均简便，施工快捷，在我国公路交通领域广泛应用。与整体吊装钢桁梁结构相比，散件的拼装对运输、地形地貌要求较低。该跨河桥梁所处河道受季节性水文因素变化的影响，水深及河道宽度变幅大，无法通过水路展开钢桁梁整节段吊装施工。为此，按照设计要求，将钢桁梁划分为93个节段，借助桥面吊机拼接杆件，此后通过悬臂形式对称吊装；斜拉索的张拉施工则滞后1个节间展开。其中，仅在主墩前3个节间处布设支架，过渡墩结构以及辅助墩结构处的支架全部省去。待以悬臂施工形式拼装至以上两类墩体部位后，则借助千斤顶设备使得主桁架持续顶升，直到达到设计标高为止；随后完成支座安装。合龙口仅布设在中跨跨中，并按照9.7 m的标准长度控制。

2 主梁合龙方案

2.1 合龙方案设计

结合《公路斜拉桥设计规范》（JTG/T 3365-01—2020），在斜拉桥主梁所面临的合龙施工实际温度较大、偏离设计温度时，常规的合龙配切便无法保证主梁合龙施工质量。而通过顶推工艺能够克服这种实际温度与设计温度相差较大的情形，保证合龙效果。结合施工组织设计要求，该跨河桥梁主梁合龙安排在2022年5月，根据气象资料，此期间工程所在地环境温度高出设计基准温度，两种温度差异造成的主梁无应力长度误差，借助顶推修正；而悬臂梁长对应的误差累计值则通过合龙配切修正。值得注意的是，散件拼装合龙施工所耗费的时间长于整体吊装合龙施工时间。为此，该跨河桥梁最终选用顶推配切工艺^[1]展开主梁中跨合龙，所涉及的关键施工流程包括：进行合龙段姿态调整并展开为期2 d的连续观测，准确确定出不同杆件的配切尺寸；结合施工图明确配切杆件栓孔位置。将千斤顶设置在7#塔梁临时固结段，所对应的临时约束在顶推前彻底释放。

顶推时先展开7#塔侧钢桁梁施工，待完成合龙杆件吊装并匹配好8#塔侧主梁后，再缓慢回移7#塔侧钢桁梁。主副桁合龙任务则在栓孔重合并施打冲钉、安装螺栓后结束。此后将塔梁临时固结全部解除，待合龙施工结束后展开其余结构安装。

2.2 主梁合龙控制要点

该跨河桥梁合龙施工需要应对以下要点：合龙期间斜拉桥主梁所对应的悬臂长增大，必须在综合考虑环境温度、载荷水平、索力影响等因素的基础上展开合龙口位置的选取；钢桁梁以及混凝土梁合起来的总重量比较大，这无形中增大了主梁纵向调整难度。此外，该斜拉桥主梁合龙施工期间必然涉及各种形式杆件，相邻杆件间连接主要借助高强螺栓实现，可能会增大连接误差调整难度，十分不利于合龙精度控制。最后，该桥梁所在地区气候变幻无常，增大了合龙温度的预测及控制难度。

3 有限元分析

3.1 模型构建

通过Midas Civil软件构建该跨河桥梁实桥有限元分析模型^[2]，其中，主梁、桥墩和拱肋等结构全部借助梁单元展开模拟，吊索则通過受拉单元模拟。结合节段在具体施工过程中的可能布置，进行相应的结构单元划分。此外，还应当按照固结形式连接桥墩桩基底部。按照以上思路，将分析模型共划分成5 792个单元和3 210个节点。

3.2 模拟分析结果

3.2.1 张拉索力

为确定出最优的斜拉索张拉施工方案，必须在主梁位于最大悬臂状态时保证合龙口两侧主梁结构平顺，塔梁临时固结必须处于受压状态。结合模拟结果，为达到以上目的，1#和2#斜拉索张拉索力应控制在成桥索力理论值的80%；3～20#斜拉索实际张拉索力按成桥索力理论值的100%控制^[3]。按照以上思路控制后，合龙前主梁竖向位移模拟结果见表1。根据表中数据，按照100%的成桥索力理论值展开3～20#索一次张拉就位后，主梁合龙口竖向位移达到0.96 m，形成大角度夹角，对主梁正常合龙造成不利影响。18～20#索按优化索力张拉就位后，主梁悬臂端竖向位移呈对称形式，无大角度夹角形成，合龙施工条件完全具备。

3.2.2 墩顶偏位

在设计温度下展开主梁合龙，必须充分考虑合龙段预应力钢束可能造成的偏位以及成桥后混凝土收缩徐变^[4]。借助模型展开合龙段墩顶偏位程度的预测分析，结果见表2。表中“+”表示墩顶向主墩侧的偏位，“?”表示墩顶向主墩侧相反方向的偏位。

根据表中数据可知，因受到混凝土收缩徐变的作用，7#和9#墩偏位值分别为43.9 mm和51.2 mm；在张拉钢束施工的影响下，7#和9#墩偏位依次为22 mm和24.6 mm。可以说两种作用下7#和9#墩偏位表现出相同的方向，且均偏向主墩侧。在设计温度下展开合龙施工时，采取相应措施将以上两种原因造成的7#和9#墩墩顶偏位分别控制在?64.7 mm和?76.1 mm。

如果实际合龙施工温度高出设计温度，合龙后因温度降低必将引发边主墩偏移，偏移的方向必定与以上两种作用引起的墩顶偏位向保持一致。并且，合龙施工期间实际温度越高，这种偏位会越明显。为此，该跨河桥梁主梁合龙施工期间的实际温度应不超出设计温度。

3.2.3 合龙对顶力

结合以上对合龙墩顶偏位的模拟分析结果，通过向合龙口两端同时施加反向集中力，便可根据墩顶实际表现出的偏位值展开对顶力的反试算。结合气象资料，该跨河桥梁主桥合龙过程中桥址处温度变化幅度位于9～31 ℃之间，即使在夜间，温度也在10～16 ℃之间变动。经过比较，最终决定在夜间1：00—6：00之间环境温度基本稳定在15 ℃时展开合龙。温度变化所引起的合龙对顶力取值情况的变动见表3。

结合表中结果，若该跨河桥梁在10～11 ℃的较低温度下合龙，相应的对顶力取21 000 kN；在合龙温度升至12～14 ℃时，对顶力增大至25 900 kN；当合龙温度继续升至15～16 ℃并接近设计所要求的施工温度时，相应节段处的对顶力取值相应增大至28 600 kN。也就是说，该斜拉桥不同桥墩处的偏位值必然随着合龙施工过程中实际温度值的升高而表现出增大趋势，相对应的合龙段对顶力取值必定增加。

待彻底完成该斜拉桥合龙段对顶结构的锁定操作后，其实际结构所面临的真实受力体系也主要从原T构相应更新成多跨径组成的连续性结构。由此所带来温度的大幅变化十分不利于边墩结构以及主墩结构的受力稳定。因该斜拉桥所在地区环境温度变幅大，故以主梁合龙锁定后结构温度整体升高至35 ℃为主墩最不利受力工况。该工况下墩身应力模拟结果见表4。

根据表中模拟结果，7#墩和9#墩墩身应力均随着合龙施工温度的升高而减小。表明合龙锁定状态达到后结构温度的改变必定影响到墩身应力取值。在各温度水平下，墩身最大应力值均未超出施工阶段控制应力值，故墩身结构受力偏安全。

4 主梁合龙施工控制

4.1 合龙段配切长度

环境温度、杆件预制误差等均对钢桁梁斜拉桥悬臂拼装施工过程存在影响，进而引起主梁合龙段长度误差。其合龙段配切长度必须在合龙口调平，持续观测合龙口侧边纵梁标高、施工温度、弦杆标高、合龙口宽度并准确掌握主梁合龙口宽度变动趋势的基础上综合确定，据此展开主梁悬臂施工误差累计值修正^[5]，以确保主梁无应力长度值的可靠稳定。

4.2 合龙口姿态调整

为了达到较好提升该大跨度斜拉桥主梁悬臂端转角和高程匹配程度的目的，为主梁合龙后结构稳定、线形平顺提供保证，必须通过斜拉索张拉索力优化的方式调整合龙口姿态。这种方式与常规的调索、配重相比，省去了配重工作量，几乎不存在施工误差对结构内力的影响；姿态调整的准备工作于合龙前展开，时间充裕。

该跨河桥梁第1～21#斜拉索张拉就位一次完成，中跨和边跨最末端的22～24#斜拉索依次按照成桥索力的70%、60%、50%张拉，此后再进行补张拉。通过对最末端斜拉索张拉优化结果的比较看出，其一次张拉后主梁悬臂端轉角明显增大，显然达不到主梁合龙后线形要求；而按照设计成桥索力的相应幅度张拉后，悬臂端转角平顺，主梁合龙精度有保证。充分表明该钢桁梁斜拉桥悬臂施工期间，借助斜拉索张拉索力的优化展开合龙口姿态调整的思路切实可行。

4.3 合龙温度确定

4.3.1 合龙前温度的连续观测

为进行合龙段施工温度、配切长度等参数的确定，必须在合龙前展开温度持续观测。在施测前，借助缆索吊机将等质量和数量的混凝土块吊运至主跨跨中暂行堆放，以便在连续观测时构建起与合龙施工期间相同的荷载条件，保证观测结果的合理可靠。在以上准备工作全部完成后，对合龙口上弦杆和下弦杆相应位置螺栓孔间距、轴线、标高以及结构温度、环境温度等展开为期2 d的持续观测，施测过程每间隔2 h便进行1次。具体而言，通过钢尺和拉力计的配合测量合龙口弦杆螺栓孔距，各测点均需取得至少3组测值，取其均值。该研究仅列示持续观测1 d的结果见图1，其中，合龙口标高、轴线观测时间为上午8：00至次日上午8：00；合龙口间距观测时间为上午10：00至次日上午10：00。施测期间，环境温度以及上、下弦杆温度依次在15～24 ℃、12～32 ℃、10～26 ℃之间变化。

根据图中实测结果，持续施测的1 d内合龙口标高、轴线及间距最大变幅依次为9 cm、17.6 cm、24.1 cm，环境温度是造成这种差异的主因。合龙口标高和间距峰值均出现在施测当日环境温度变化较大的6：00～8：00间。

4.3.2 合龙温度的确定思路

合龙温度的准确确定是后续工作的基础，其中，将合龙段放进合龙口的温度通常比合龙温度高，且两者温度差越大越好，从而为使用高强螺栓连接侧部结构预留时间^[6]。但随着这种温度差的增大，合龙口间距必定减小，合龙段向合龙口内下放的施工难度也随之增加。可见，必须在综合考虑合龙段下放间距及侧部螺栓施工的基础上，进行合龙段温度的确定。

为准确确定该跨河桥梁主梁合龙施工期间的温度，对过去10年间5月15日—5月21日期間的气温展开统计和比较，所得出的该时间段内桥址处平均温度变化趋势线见图2。根据统计资料和趋势线可知，桥址处环境温度最为稳定的时间段是0：00—7：00之间，温度变动幅度仅为2 ℃左右，所对应的主梁合龙温度取17 ℃，与该桥梁合龙温度设计值最为接近。考虑该桥梁南岸与北岸合龙段和合龙口间提前设置出3 cm和2 cm的间隙，温度差所引起的主梁合龙口尺寸偏移量不得超出5 cm，才能保证将合龙段准确嵌进合龙口结构中。

4.4 现场试顶

为准确确定墩顶可能发生的偏位，对顶前展开现场测试，并按照设计对顶力的80%确定现场最大试顶力。试顶期间展开墩顶偏位和对顶力等参数值的实测，并将实测结果和模拟结果展开比较，结果见表5。根据比较结果，7#墩顶和9#墩顶偏位实测值均比理论值小，但墩顶偏位随对顶力增大的变动趋势基本一致。进一步计算得出，7#墩顶和9#墩顶偏位实测值和对顶力线性回归系数位于70%～73%之间，说明结构实际刚度明显高出理论值，必须采取有效措施相应调整墩顶偏位。

4.5 合龙施工

将7#塔位置的塔梁临时固结解除后展开主梁顶推。考虑边跨索力水平分力远超出中跨索力水平分力，所以，主梁受到不平衡索力的作用后存在向中跨偏移的趋势。为避免发生结构纵向位移，必须使用纵向顶推系统并按照先中跨、后边跨的次序进行其塔梁临时固结约束体系的置换^[7]。

合龙施工应当选择在20～35 ℃的环境温度下展开，其中，7#塔位主梁向边跨的顶推于26 ℃时展开；在顶推长度达到6 cm后即可吊装合龙段杆件；将此类杆件吊装至合龙口后直接连接8#塔侧主桁架。该跨河桥梁上弦杆、下弦杆、腹杆、斜杆等均属于散件拼接结构，吊装过程复杂耗时，必须依照施工组织设计，充分借助相应吊机，在16：00至次日1：00间完成吊装。

待连接合龙杆件和8#塔侧主梁后，还应使用钢丝绳和手动葫芦进行合龙段主桁轴线偏位调整。主梁结构主要借助塔侧所提前布置好的顶推千斤顶，持续回顶至中跨部位，待主梁合龙侧弦杆以及边纵梁完全对齐拼接板栓孔后，将事先准备好的冲钉打入，紧固连接。

待打设好该大跨度斜拉桥主梁合龙段弦杆、边纵梁处冲钉和普通螺栓等加固性够件后，意味着主桁和副桁合龙施工任务即将完成。此后5 h内将塔梁结构事先布置的临时固结系统全部卸除，确保主梁结构能够随各类影响因素的改变而自由伸缩。合龙后的次日展开腹杆和桥面板的连接安装。

采取以上控制措施后，该跨河桥梁主梁合龙后轴线及标高偏差分别达到12 mm和18 mm，完全符合精度控制及施工质量要求。

5 结论

综上所述，该跨河大桥为大跨径钢桁梁斜拉桥形式，因运输环境所限，必须展开散件悬臂拼装施工。与整体吊装合龙过程相比，这种散件悬臂拼装合龙过程所涉及杆件多，拼装烦琐，面临较大的施工难度。在主梁合龙施工中应用顶推配切工艺，通过合龙时间的选择与控制、合龙口姿态的调整优化，借助冲钉和高强螺栓一次合龙，确保了主梁合龙目标的顺利实现。除应用以上控制技术外，还通过有限元软件展开各施工阶段精度仿真，成功保证了此大跨径钢桁梁斜拉桥主梁高精度合龙；其主梁合龙后轴线、标高偏差远小于设计值，为合龙质量和桥面铺装施工提供了可靠保证。

参考文献

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收稿日期：2023-09-26

作者简介：秦平（1980—），男，本科，工程师，从事公路桥梁施工管理工作。