王世界

（大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，大連 116023）

對(duì)于大跨度且跨河跨線的斜拉橋，主梁施工通常采取懸拼方式.而較常見(jiàn)的雙塔斜拉橋在主跨梁體懸拼完畢后，需要進(jìn)行梁體合龍，使得全橋連成一體，完成受力體系轉(zhuǎn)換，隨后施工二期橋面附屬設(shè)施，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)成橋狀態(tài)[1].

斜拉橋合龍施工工序復(fù)雜、技術(shù)難度大，計(jì)算、監(jiān)測(cè)工作量大.國(guó)內(nèi)合龍段施工通常選取適宜的合龍溫度，無(wú)論是鋼橋或混凝土橋，大多采用臨時(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)梁體合龍，且針對(duì)各實(shí)際工程發(fā)展出較多的合龍方案、施工機(jī)具優(yōu)化方法及不同的合龍工藝[2?3].

在整個(gè)實(shí)際合龍過(guò)程中，結(jié)構(gòu)體系的參數(shù)取用與實(shí)際結(jié)構(gòu)間存在不可避免的誤差[4]，而設(shè)計(jì)參數(shù)誤差、現(xiàn)場(chǎng)溫度以及加工安裝精度等因素均會(huì)對(duì)橋梁施工控制造成影響[5]。針對(duì)遇到的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問(wèn)題，需要工程師以理論計(jì)算為依據(jù)，綜合分析，采取合理方式方法解決.

本文針對(duì)幾內(nèi)亞Boffa 省一斜拉橋懸拼合龍過(guò)程中所遇到合龍段長(zhǎng)度不足的實(shí)際問(wèn)題，以無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法[6]為理論計(jì)算基礎(chǔ)，分析實(shí)際合龍方案對(duì)合龍狀態(tài)產(chǎn)生的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)合龍施工，保證大橋順利合龍.

1 依托工程概況

在建橋梁工程位于幾內(nèi)亞共和國(guó)博法?。˙offa），橫跨Fatala 河，承載運(yùn)礦皮帶機(jī).施工橋梁為斜拉橋，跨度布置為（44+64+270+64+44）=486 m，橋?qū)?1 m，設(shè)雙向帶式運(yùn)輸機(jī)，橋面布置為0.15 m欄桿+3.7 m 皮帶式運(yùn)輸機(jī)+1.3 m 間距+3.7 m 皮帶式運(yùn)輸機(jī)+0.15 m 欄桿=9 m.

主梁采用邊主梁形式的鋼板梁結(jié)構(gòu).主塔為H 形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)設(shè)檢修爬梯.斜拉索采用平行鋼絞線斜拉索，橋面處斜拉索設(shè)外置式阻尼器.主塔基礎(chǔ)采用鉆孔樁群樁基礎(chǔ)；輔助墩采用鋼筋混凝土樁柱式結(jié)構(gòu)，橋臺(tái)采用重力式橋臺(tái)及群樁、擴(kuò)大基礎(chǔ).

主橋支承體系為半漂浮體系，主塔、輔助墩兩側(cè)均采用雙向活動(dòng)支座，橋臺(tái)一側(cè)設(shè)置單向活動(dòng)支座，另一側(cè)設(shè)置雙向活動(dòng)支座.主塔處橫向設(shè)置抗風(fēng)支座.

全橋總體布置及主梁典型斷面布置如圖1、圖2所示.

圖1 Boffa 斜拉橋立面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of facade layout of the Boffa cable-stayed bridge

圖2 主梁典型斷面布置示意Fig.2 Typical cross-section layout of main beam

本工程斜拉橋主要施工步驟為：

1）施工橋臺(tái)、輔助墩、索塔；

2）支架施工邊跨主梁并澆筑配重混凝土；

3）對(duì)索塔處主梁設(shè)置臨時(shí)固定裝置；

4）由索塔依次對(duì)稱向兩側(cè)吊裝中跨主梁及張拉斜拉索，直至中跨合龍，如圖3 所示；

5）調(diào)索，施工二期橋面混凝土鋪裝及其他附屬結(jié)構(gòu).

圖3 中跨懸拼施工示意Fig.3 Mid-span suspension construction sketch

2 現(xiàn)場(chǎng)偏差因素分析與處置

2.1 全橋施工階段模擬

以無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法為全橋施工監(jiān)控計(jì)算模擬的基礎(chǔ)理論方法，采用有限元軟件Midas 對(duì)全橋進(jìn)行空間建模模擬[7]，如圖4 所示.斜拉索采用索單元模擬，主梁結(jié)構(gòu)離散為主梁及橫梁的梁格單元.斜拉索與主梁、索塔鉸接，臨時(shí)墩及橋臺(tái)支座以豎向一般支承模擬.

圖4 Midas 有限元模型示意Fig.4 Finite element model made by Midas

基于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法對(duì)斜拉橋施工狀態(tài)全過(guò)程進(jìn)行模擬，迭代計(jì)算得出合理成橋狀態(tài)的索力及梁體線形，然后通過(guò)正裝或倒拆等斜拉橋常規(guī)有限元計(jì)算方法得出理論合龍狀態(tài)的相應(yīng)索力及線形.相關(guān)主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法計(jì)算理論參數(shù)匯總Table 1 Summary of theoretical parameters calculated by unstressed state method

2.2 合龍現(xiàn)場(chǎng)偏差

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，本工程可能影響合龍控制精度的因素主要有梁體荷載、合龍控制溫度、加工、施工偏差等.其中，梁體荷載偏差造成的影響較大，但可通過(guò)調(diào)整目標(biāo)索力值，以主梁線形控制為主的方式消除.

在南北兩岸中跨梁體懸拼只剩最后一節(jié)合龍段ZL23 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得兩岸ZL22 節(jié)段邊緣間距在清晨或傍晚相對(duì)低溫（23 ℃左右）時(shí)達(dá)到2.20 m以上，而合龍段ZL23 考慮預(yù)留長(zhǎng)度后實(shí)測(cè)也僅為2.15 m.判斷或因惡劣的運(yùn)輸環(huán)境導(dǎo)致梁體變形，加之中跨懸臂散拼過(guò)程中梁體放樣的累積偏差，導(dǎo)致合龍口長(zhǎng)度偏大.

2.3 處置方案及偏差分析

國(guó)內(nèi)施工的斜拉橋，通常選取相對(duì)恒溫的夜間或清晨進(jìn)行合龍，并在加工時(shí)將合龍段預(yù)留一定長(zhǎng)度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)合龍口距離及合龍溫度要求進(jìn)行配切.即使出現(xiàn)合龍段預(yù)留長(zhǎng)度不足的問(wèn)題，也可重新加工合龍段構(gòu)件.

而對(duì)于在非洲等施工條件相對(duì)落后的地區(qū)開(kāi)展施工的情況，意圖選取相對(duì)恒溫、低溫的時(shí)段或重新加工構(gòu)件已無(wú)法實(shí)現(xiàn).為使橋梁在保障結(jié)構(gòu)安全的情況下，盡早實(shí)現(xiàn)合龍通礦目標(biāo)，考慮在相對(duì)高溫狀態(tài)下，在合龍口間距與ZL23 長(zhǎng)度相匹配的短時(shí)間內(nèi)完成合龍.

若想實(shí)現(xiàn)此方案需解決兩方面主要問(wèn)題：一是合龍時(shí)機(jī)的選擇；二是合龍后對(duì)合龍及成橋狀態(tài)產(chǎn)生的影響程度，合龍臨時(shí)構(gòu)件的強(qiáng)度.

針對(duì)問(wèn)題一，合龍前，對(duì)日氣溫及合龍段間距變化規(guī)律進(jìn)行測(cè)量[8]，主要結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 合龍口間距監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)Table 2 Distance monitoring data of closure section

依據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果并考慮預(yù)留一定焊縫寬度，擬定選擇合龍當(dāng)日合龍口間距約2.170 m時(shí)進(jìn)行合龍，由表2 可見(jiàn)一天當(dāng)中有2 次合龍口間距適合合龍的窗口期.

考慮現(xiàn)場(chǎng)人員、機(jī)械有限，為使梁體在有限的窗口期內(nèi)合龍連成整體，擬定選取溫度上升過(guò)程的窗口期到來(lái)之前（合龍口間距較大）吊裝兩側(cè)合龍段ZL23 邊主梁，并提前將ZL23 栓接一端施擰完畢，且將ZL23 一側(cè)邊主梁頂?shù)装濉⒏拱逵眉訌?qiáng)碼板焊接完畢，待后續(xù)臨近11：00 時(shí)氣溫上升至27 ℃左右，焊接合龍口縫隙逐漸減小至適宜焊接寬度（約1.5～2 cm），即刻對(duì)此端ZL22 與加強(qiáng)碼板快速施焊，如圖5 所示.隨后解除索塔處臨時(shí)固定裝置，大橋?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)合龍，全橋梁體自由伸縮，此時(shí)焊接合龍口依靠碼板及其角焊縫承受梁體軸向力.

為減少焊接應(yīng)力，仍擬定在合龍當(dāng)日夜間溫度恒定時(shí)段進(jìn)行焊接合龍口的通縫焊接，焊接完成后敲除加強(qiáng)碼板.至此，大橋主跨梁體完成合龍.

圖5 合龍段焊接工序示意Fig.5 Welding process of closure section

針對(duì)問(wèn)題二，為保證該方案安全可行，需復(fù)核合龍前后橋梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)變化.

由表2 可見(jiàn)，選取11：00 時(shí)合龍，梁體溫度達(dá)到32.5 ℃，等效于主梁無(wú)應(yīng)力狀態(tài)長(zhǎng)度減少（32.5?28）× 270 000 × 1.2 × 10?5=15 mm.

經(jīng)有限元計(jì)算，由此造成的對(duì)合龍狀態(tài)影響為主跨跨中標(biāo)高升高6.6 mm，索塔塔頂偏位4.5 mm，梁體應(yīng)力增幅2.4 MPa，可判斷合龍對(duì)全橋目標(biāo)設(shè)計(jì)狀態(tài)（結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形）影響較小.

加強(qiáng)碼板焊接后，需承受一晝夜溫度變化所產(chǎn)生的梁體軸向力，經(jīng)計(jì)算得出一側(cè)邊主梁需承受500 kN 軸向力，需要碼板總焊縫長(zhǎng)度（合龍口一側(cè)）750 mm，較易滿足，現(xiàn)場(chǎng)焊接速度也可達(dá)到窗口期要求.

2.4 實(shí)際合龍方案成果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)各參建方協(xié)調(diào)，大橋按既定合龍方案于11：30 順利完成邊主梁合龍，當(dāng)日夜間完成合龍口焊縫焊接，次日橋面板全部吊裝完成，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6 所示.大橋合龍后，經(jīng)全橋通測(cè)，匯總主跨索力、主梁線形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其與表1 中原合龍狀態(tài)目標(biāo)值間偏差見(jiàn)表3.

圖6 大橋中跨完成合龍現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Linking site of Middle span of large bridge

由表3 可知，實(shí)際合龍方案的合龍后狀態(tài)與理論合龍目標(biāo)索力值的理論偏差在7% 以內(nèi)，主梁標(biāo)高線形偏差在26 mm 以內(nèi).可見(jiàn)以目前現(xiàn)有合龍段直接合龍后，大橋主要控制指標(biāo)的目標(biāo)偏差均在可接受范圍內(nèi)，且合龍后可采用影響矩陣法[9]對(duì)全橋索力及線形進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，使成橋狀態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求.因此，采用非恒定低溫時(shí)段進(jìn)行直接合龍較成功的實(shí)現(xiàn)了理論目標(biāo)合龍狀態(tài)，方案可行.

3 結(jié)語(yǔ)

大跨度斜拉橋由于幾何非線性，合龍控制較為復(fù)雜，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)往往出現(xiàn)原設(shè)計(jì)階段未預(yù)見(jiàn)的復(fù)雜情況.本文針對(duì)Boffa 斜拉橋工程中出現(xiàn)的合龍段長(zhǎng)度不足的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及理論計(jì)算支持，明確方案中關(guān)于合龍時(shí)機(jī)、合龍溫度、合龍方式、臨時(shí)焊縫長(zhǎng)度等控制參數(shù)，保證直接合龍方案的可行性；以無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法驗(yàn)算合龍后索力、線形、內(nèi)力等參數(shù)所產(chǎn)生的偏差值，判斷直接合龍方案對(duì)合龍、成橋目標(biāo)狀態(tài)的影響程度在可接受的范圍內(nèi)，論證直接合龍方案的合理性.

斜拉橋跨越能力通常在300～1 000 m，橋梁結(jié)構(gòu)形式、尺度較豐富.對(duì)于大跨度斜拉橋或懸索橋，因現(xiàn)場(chǎng)因素導(dǎo)致合龍段偏差且無(wú)法通過(guò)配切方式解決的情況，工程師可考慮參照本文敘述的現(xiàn)場(chǎng)偏差處置方式實(shí)現(xiàn)合龍，并獲得結(jié)構(gòu)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)梁長(zhǎng)偏差值，判斷其對(duì)成橋目標(biāo)狀態(tài)的影響程度.并在合龍前后充分采集相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證相應(yīng)理論分析結(jié)果.