任延龍
(中鐵建大橋工程局集團南方工程有限公司 廣東廣州 511462)
明珠灣大橋工程線路起始于萬頃沙島的萬環(huán)西路,止于南沙經(jīng)濟開發(fā)區(qū)虎門聯(lián)絡(luò)道,是南沙明珠灣區(qū)的重要交通通道,主橋墩號為25#~31#墩,孔跨布置為(96+164+436+164+96+60)m 六跨中承式連續(xù)鋼桁拱[1-2]結(jié)構(gòu)(見圖1)。主跨三片桁拱結(jié)構(gòu),邊跨及次邊跨為三片平桁結(jié)構(gòu)。各跨及主拱肋均為“N”型桁式。節(jié)間距為12 m、14 m兩種。共有81個節(jié)間。鋼桁架邊桁高10.369 m,中桁高10.685 m。中間支點處桁高52.52 m,中拱肋加勁弦高23.166 m。邊桁拱頂至中墩支點高度為109 m,矢高98 m,矢跨比為 1/4.45。
圖1 主橋立面示意(單位:m)
橋面雙層布置,上層為雙向八車道公路,兩側(cè)為人行道,下層兩側(cè)預留雙車道,中間為管線走廊。橋面總寬:主橋43.2 m(見圖2)。
圖2 中跨斷面示意(單位:mm)
大橋主橋中跨設(shè)一個合龍口,即在中間A39節(jié)點(見圖3)。合龍時將27#墩側(cè)鋼梁整體向大里程側(cè)縱移400 mm,同時安裝縱向限位裝置進行鎖定。鋼梁整體調(diào)整完成后,爬坡吊機在吊索塔架的輔助下向跨中逐節(jié)間大懸臂架設(shè)鋼梁至中跨合龍口A39節(jié)點,并在架設(shè)過程中按照設(shè)計要求分別掛設(shè)張拉三層扣索。然后通過扣索調(diào)整、縱移27#墩側(cè)鋼梁及邊跨頂落梁等方式進行中跨合龍口姿態(tài)調(diào)整,達到合龍條件后采用“多點同步合龍”微調(diào)的施工方法實現(xiàn)中跨鋼梁的精確合龍。
圖3 中跨合龍段立面示意
通過采用橋梁通用有限元軟件MIDAS CIVIL建立整橋有限元模型[3-4],對各項合龍調(diào)整措施進行了模擬,分別計算分析了合龍口對各項措施的敏感性,為合龍施工過程中合理選擇調(diào)整措施[5-6]提供理論依據(jù)。大橋整體有限元模型如圖4所示。
圖4 有限元模型
鋼桁拱橋合龍時可采取的調(diào)整措施主要有:
(1)邊墩/輔助墩頂落梁;
(2)調(diào)整吊索索力;
(3)在合龍口施加豎向力;
(4)在合龍口施加對頂力;
(5)整體升降溫度[7]。
通過調(diào)整索力、輔助墩(26#和29#)頂落梁、溫度調(diào)節(jié)、微調(diào)裝置牽引均能一定程度地起到調(diào)整合龍口相對位移差的作用。通過以上措施對合龍口位移進行敏感性分析[8-11],得出各種調(diào)整措施對跨中合龍口位移的影響量(見表1)。同時結(jié)合現(xiàn)場實際操作難度,調(diào)整索力難度較大,溫度變化不容易控制,得到最優(yōu)調(diào)整組合措施:即粗調(diào)采用通過輔助墩(26#和29#)頂落調(diào)整合龍口位移差,同時選擇溫度相對穩(wěn)定的時候(夜間或陰天)進行,微調(diào)采用微調(diào)裝置配合中墩縱向移動對合龍口間距進行調(diào)整[12]。
表1 合龍口敏感性分析
微調(diào)(頂拉)裝置主要由牛腿、40 mm鋼絞線、千斤頂及錨固裝置組成(見圖5)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況,微調(diào)(頂拉)裝置主要用于鋼梁合龍過程縱向位移微調(diào),調(diào)整幅度為10 mm以內(nèi),避免長時間等待溫度場變化。微調(diào)裝置采用Q370鋼材在工廠加工,并通過焊接方式與鋼梁腹板連接。
圖5 頂拉裝置
在主跨拱肋合龍口每根弦桿上下翼緣板均布設(shè)1套頂、拉裝置(見圖6)。每套頂、拉裝置配1臺套250 t千斤頂,張拉力按250 t設(shè)計,拉桿采用直徑40 mm鋼絞線,即拱肋合龍口共布設(shè)250 t千斤頂6臺套。
圖6 拱肋微調(diào)裝置示意
在主跨系梁合龍口每根弦桿上下翼緣板均布設(shè)1套頂、拉裝置(見圖7),其中每套上弦桿頂、拉裝置配1臺套250 t千斤頂,張拉力按250 t設(shè)計,拉桿采用直徑40 mm鋼絞線;即系梁合龍口共布設(shè)250 t千斤頂6臺套(倒用拱肋設(shè)備)。
圖7 系梁微調(diào)裝置示意
通過采用MIDAS FEA建立了微調(diào)裝置的精細化有限元模型(見圖8),用以模擬計算極限狀態(tài)下微調(diào)裝置受力主要區(qū)域的強度與剛度。精細化模型采用經(jīng)典的三角網(wǎng)格,共劃分6 824個單元,11 003個節(jié)點,結(jié)構(gòu)單元全部采用共節(jié)點形式,模擬結(jié)構(gòu)拼板焊接形成整體。為模擬微調(diào)裝置與鋼桁梁結(jié)構(gòu)連接部位,豎板采用固定連接。
圖8 頂推裝置有限元模型
計算工況采用中跨頂拉(微調(diào))裝置設(shè)計極限承載力作為控制參數(shù),在與40 mm鋼絞線接觸的鋼墊板平面按照均布荷載的形式施加250 t的作用力。
計算結(jié)果顯示,頂拉區(qū)域是直接接觸千斤頂位置的受壓區(qū)域,最大應力為167 MPa(見圖9a),最大變形為1.95 mm(見圖9b),強度與剛度均滿足規(guī)范要求。
圖9 微調(diào)裝置模擬結(jié)果
為消除加工制造誤差,微調(diào)裝置中除千斤頂與鋼絞線之外,其余構(gòu)件均選擇與合龍口桿件在工廠加工制造,采用坡口全熔透焊接在鋼梁合龍口桿件部位。
大橋中跨合龍時,首先通過在輔助墩頂落梁調(diào)整鋼梁合龍口高差,利用倒鏈調(diào)整橫向誤差后,通過在27#主墩頂推實現(xiàn)鋼梁合龍口里程粗調(diào)。待合龍口粗調(diào)完畢后,達到10~15 mm間隙后,在一側(cè)安裝油壓千斤頂,緩慢供油,將鋼絞線穿過支撐座預留孔道,每頂拉一次均需測量合龍口位移狀態(tài),待合龍口間隙符合合龍條件后,安裝節(jié)點板并均布打入50%沖釘,進行30%高栓進行施擰,完成中跨合龍。
明珠灣大橋主橋是目前世界最大跨度的三主桁雙層鋼桁拱橋,鋼梁合龍作為大橋建設(shè)過程中最重要的關(guān)鍵節(jié)點之一,施工過程中需面臨鋼梁姿態(tài)及位移不易調(diào)整以及合龍節(jié)點多、施工對位困難等一系列難題,合龍時通過采用新型的微調(diào)裝置共完成了12合龍節(jié)點的微調(diào)工作,提高了大橋合龍效率,對2 cm以內(nèi)的合龍間隙調(diào)整效果明顯,而且保質(zhì)保量地實現(xiàn)了鋼梁的自然“零誤差”合龍(見圖10)。
圖10 明珠灣大橋中跨合龍施工現(xiàn)場
三主桁鋼桁拱橋具有施工條件復雜、技術(shù)難度高等特點。合龍作為鋼梁建設(shè)過程中的關(guān)鍵節(jié)點,匯集了多種技術(shù)難題,為順利實現(xiàn)鋼桁梁的合龍,在中跨合龍過程中采用了新式微調(diào)裝置,并將不同措施進行有效組合,不僅順利實現(xiàn)了鋼桁梁合龍口的精確調(diào)整,而且使該橋在施工過程中獲得了巨大的成功,為該橋按期保質(zhì)完成打下了基礎(chǔ),具有較高的推廣價值。