王利剛 沈 偉 龔 凱

(湖北交投智能檢測股份有限公司 武漢 430050)

隨著材料性能及施工技術(shù)的發(fā)展，混合梁斜拉橋因其具有跨度大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢從而脫穎而出，得到了工程師的青睞[1]。作為混合梁斜拉橋施工控制的關(guān)鍵，合龍施工控制決定了主橋的實(shí)際成橋線形及內(nèi)力狀態(tài)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2-3]?；旌狭盒崩瓨虻暮淆埵┕し椒ㄓ袦囟扰淝蟹ê蛶缀慰刂品▋煞N，兩者最大的區(qū)別在于溫度配切法是改變合龍段長度，而幾何控制法是通過頂推主梁調(diào)節(jié)合龍口寬度來完成合龍[4]。具體該采用哪種方法，應(yīng)結(jié)合實(shí)際斜拉橋的施工工序，通過對施工控制分析來確定[5]。

本文以石首長江公路大橋主橋施工為背景，分析大跨雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋中跨合龍的施工流程與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，研究大跨雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋中跨合龍施工控制方法。

1 工程背景

湖北省石首長江公路大橋主橋橋型為大跨雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋，跨徑布置為(75 m+75 m+75 m) +820 m+(300 m+100 m)，縱橋向采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系。石首長江大橋橋型布置見圖1。

圖1 石首長江公路大橋橋型布置圖(單位：m)

混凝土箱梁與鋼箱梁均采用分離式雙邊箱PK梁斷面，鋼-混結(jié)合面位于離北塔中心線26.5 m的中跨側(cè)，北邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，長251.5 m，中跨和南邊跨為鋼箱梁，長1 193.5 m，鋼箱梁高3.8 m，鋼-混結(jié)合段及混凝土梁高3.822 m，箱梁全寬38.5 m，到索塔區(qū)縮小到35.98 m。中跨合龍段長為12.4 m，吊裝質(zhì)量為249.1 t。主橋索塔采用收腿的倒Y形造型，北塔總高232 m，南塔總高234 m。主橋斜拉索采用強(qiáng)度1 770 MPa低松弛高強(qiáng)平行鋼絲束，索面呈扇形分布，每個(gè)索面由26對高強(qiáng)度平行鋼絲斜拉索組成，順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為15 m，北邊跨混凝土箱梁段標(biāo)準(zhǔn)索距為7.5 m，南邊跨鋼箱梁尾索區(qū)標(biāo)準(zhǔn)索距為12 m，全橋共4×26對斜拉索，最大索長為440.138 m(SJ26號斜拉索)，最大規(guī)格為PES-367，單根索最大質(zhì)量為48.388 t(NJ26號斜拉索)。

2 合龍施工流程及技術(shù)難點(diǎn)

石首長江公路大橋主跨合龍采用幾何控制法，其基本思路為：在南塔、梁之間設(shè)置頂推裝置，通過頂推南邊主梁來調(diào)節(jié)由于溫度影響而引起的合龍段長度與合龍口寬度的差值，同時(shí)考慮預(yù)留一定的合龍操作空間，從而保證在不同的溫度下均可實(shí)現(xiàn)合龍成橋目標(biāo)狀態(tài)，以解決在較大的溫度范圍內(nèi)合龍段均能夠順利嵌入合龍口的問題。

采用幾何控制法進(jìn)行中跨合龍的具體施工步驟為：①北岸的橋面吊機(jī)在26號斜拉索張拉完后不動并拆除吊具，南岸的鋼箱梁按照預(yù)定頂推行程向岸側(cè)頂推并鎖定；②南岸的橋面吊機(jī)提升合龍段至NZ26號梁段下方，將合龍段嵌入合龍口，利用橋面吊機(jī)調(diào)節(jié)合龍段縱坡，對合龍段與NZ26號梁段進(jìn)行初匹配，測量標(biāo)高與縫寬；③調(diào)節(jié)合龍段與SZ26號梁段相對軸線，對合龍段與NZ26號梁段進(jìn)行精匹配，鎖定臨時(shí)連接件及拉壓桿，橋面吊機(jī)緩慢卸力，使合龍段與SZ26號梁段標(biāo)高齊平，將南岸鋼箱梁回頂至合龍段與SZ26號梁段間的焊縫寬度滿足要求；④將NZ26鋼箱梁、SZ26鋼箱梁與合龍段間同時(shí)打碼焊接，解除南塔縱向頂推裝置及北塔梁間縱向、橫向限位裝置[6]。

石首長江公路大橋主跨合龍的技術(shù)難點(diǎn)為：①本橋?yàn)槌罂鐔蝹?cè)混合梁斜拉橋，屬于塔、梁不對稱結(jié)構(gòu)體系，在合龍前要對最大懸臂狀態(tài)結(jié)構(gòu)線形及內(nèi)力進(jìn)行嚴(yán)格控制，并準(zhǔn)確計(jì)算出合龍段的無應(yīng)力制造長度；②分析混合梁斜拉橋各構(gòu)件對溫度的敏感性，研究索、梁、塔結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)變化規(guī)律，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)提出合龍時(shí)索、梁、塔的絕對溫度限值和溫差限值；③確定頂推力與頂推行程之間的關(guān)系，根據(jù)合龍溫度確定頂推行程[7]。

3 合龍施工控制研究

3.1 合龍段無應(yīng)力制造尺寸

主跨合龍段雖然有設(shè)計(jì)制造尺寸，但其是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度15 ℃下且不考慮制作誤差的長度。而在實(shí)際施工中，合龍溫度與設(shè)計(jì)溫度存在偏差，同時(shí)施工中存在誤差，使得合龍口寬度跟合龍段設(shè)計(jì)長度不符，此外，對全焊接鋼箱梁而言，由于主梁節(jié)段間的轉(zhuǎn)角調(diào)整受焊縫寬度等因素影響，其調(diào)整量非常有限[8]。因此，為了保證主跨合龍段能夠精確合龍，需準(zhǔn)確計(jì)算合龍段的制造長度，即合龍段的無應(yīng)力制造尺寸。

合龍段無應(yīng)力制造尺寸可由以下步驟來確定[9-10]：①根據(jù)合龍段的施工工期安排，預(yù)測實(shí)際合龍溫度；②在24號梁段精匹配完成后，對懸臂端兩側(cè)測點(diǎn)進(jìn)行24 h溫度影響監(jiān)測，得到主梁加權(quán)溫度與測點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，然后通過最小二乘法計(jì)算出擬合直線的待定參數(shù)，求出測點(diǎn)在任何加權(quán)溫度下的坐標(biāo)值；③計(jì)算測點(diǎn)坐標(biāo)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下實(shí)測與理論的差值，得到相應(yīng)的誤差值；④計(jì)算在預(yù)測合龍溫度下懸臂長度的修正值，將在基準(zhǔn)溫度下的測點(diǎn)坐標(biāo)誤差值轉(zhuǎn)換成預(yù)測合龍溫度下的測點(diǎn)坐標(biāo)誤差值；⑤在工廠里下料切割與制造。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)及相應(yīng)計(jì)算，得到主跨合龍段在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下的制造尺寸。合龍段無應(yīng)力制造尺寸參數(shù)見表1和圖2。

表1 合龍段無應(yīng)力制造尺寸 mm

圖2 石首長江公路大橋主跨合龍段

3.2 混合梁斜拉橋溫度場變化規(guī)律

混合梁斜拉橋的鋼箱梁、混凝土箱梁、主塔及斜拉索等構(gòu)件受日照的影響，對溫度的敏感性也存在差異。在26號斜拉索已張拉，南邊跨已合龍的情況下，測量石首長江公路大橋主要組成構(gòu)件溫度變化情況。石首長江公路大橋?qū)崪y溫度場變化見圖3。從圖3的實(shí)測數(shù)據(jù)可知，從08：30-23:20，各個(gè)時(shí)間段的大氣溫度要低于鋼箱梁、斜拉索、混凝土梁及主塔的溫度，但全橋各結(jié)構(gòu)的溫度變化均滯后于大氣溫度變化。鋼箱梁及斜拉索的溫度始終高于混凝土梁、大氣及主塔，斜拉索最高溫度大于鋼箱梁，兩者溫度幅度的變化都比較大，斜拉索最大溫差達(dá)到25.1 ℃，比鋼箱梁最大溫差23.6 ℃略大。北邊跨箱梁與主塔均采用混凝土材料，變化規(guī)律基本一致，受溫度影響較小，其溫度變化滯后于斜拉索及鋼箱梁。

圖3 石首長江公路大橋溫度場變化圖

3.3 索、梁、塔之間溫差效應(yīng)分析

石首長江公路大橋南北索塔采用C50混凝土，北邊跨混凝土箱梁采用C55混凝土，鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)鋼Q345qE，斜拉索所用鋼絲采用鋅-5%鋁混合稀土合金鍍層，所使用的材料不同，熱膨脹系數(shù)也不一致，因而溫度引起的變形也不相同。當(dāng)石首長江公路大橋主橋處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，通過控制索、梁比塔高10 ℃，梁比索、塔高10 ℃這2種情形進(jìn)行結(jié)構(gòu)敏感性分析。溫度變化引起的主梁標(biāo)高變化曲線見圖4，溫度變化引起的斜拉索索力變化曲線見圖5。

圖4 主梁標(biāo)高變化圖

圖5 斜拉索索力變化圖

由圖4、圖5可知，梁與索、塔之間的溫差對主梁標(biāo)高的影響最大，而索、梁與塔的溫差對斜拉索索力影響最大?；炷林髁簶?biāo)高基本不受溫度變化影響，鋼箱梁標(biāo)高變化最大值發(fā)生在中跨懸臂端，分別為-86.1 mm(索、梁溫度比塔高10 ℃)和175.6 mm(梁溫度比索、塔高10 ℃)，主要原因是此位置受溫度變化產(chǎn)生的彎矩作用最大。斜拉索索力變化主要發(fā)生在南北塔附近，由于這個(gè)地方的斜拉索索長比較短，主梁的縱向變形小于斜拉索的伸長量，而北塔索力變化量大于南塔，其主要原因是北邊跨混凝土主梁的重量大于南邊跨的鋼箱梁。在索、梁溫度比塔高10 ℃時(shí)，索力最大變化量發(fā)生在NJ01號索，為-311 kN；在梁溫度比索、塔高10 ℃時(shí)，索力最大變化量發(fā)生在NA02號索，為-23 kN。

由圖3可知，在23：20時(shí)，鋼箱梁跟斜拉索的溫度基本一致，比主塔溫度大約高3 ℃。在實(shí)際施工中，一般在鋼箱梁跟斜拉索、主塔相差1 ℃左右時(shí)開始合龍，此時(shí)最大標(biāo)高影響量大約是梁、索比塔高10 ℃情形的1/10，約為8.6 mm，對合龍影響不大。

3.4 頂推行程確定

對于合龍口寬度的調(diào)節(jié)通過在南塔設(shè)置頂推裝置來完成。鋼箱梁的頂推行程由兩部分組成，即合龍段起吊需要的操作間隙及合龍溫度偏離設(shè)計(jì)溫度時(shí)產(chǎn)生的梁段伸縮量，其中，合龍段起吊需要的操作間隙為10 cm。不同合龍溫度與需要的頂推行程見表2。

表2 不同合龍溫度與南塔縱向頂推行程對應(yīng)表

總的頂推力由三部分組成：南塔斜拉索產(chǎn)生的不平衡水平反力、支座摩擦力及頂推行程會引起新的中、邊跨水平不平衡索力。通過有限元分析，南塔斜拉索產(chǎn)生的不平衡水平反力為1 760 kN，為中跨方向，支座摩擦力約為956 kN。經(jīng)計(jì)算，頂推行程與頂推力的關(guān)系為11.45 kN/mm。如當(dāng)合龍溫度為20 ℃時(shí)，表2顯示頂推行程為148.2 mm，則需要的頂推力增量為1 697 kN，也就是由148.2 mm的頂推行程會引起新的中、邊跨水平不平衡索力增量1 697 kN。從而總的頂推力為：1 760+956+1 697=4 413 kN。

3.5 合龍段精匹配

由于南北岸橋面吊機(jī)起吊速率不同步，北岸為1.2 m/min，南岸為0.83 m/min，如果采用南北岸橋面吊機(jī)抬吊合龍段，會存在一定的安全隱患，因此，為了主橋安全地順利合龍，大橋主跨合龍段采用單邊橋面吊機(jī)進(jìn)行起吊。中跨合龍吊裝示意圖見圖6。

圖6 中跨合龍吊裝示意圖(單位：mm)

按照預(yù)定的頂推行程，利用南塔側(cè)頂推裝置將南塔鋼箱梁梁段整體向南岸邊跨側(cè)縱移，利用南岸側(cè)橋面吊機(jī)吊裝合龍段，溫度合適時(shí)，將合龍段ZH27梁段嵌入合龍口，將合龍段ZH27梁段朝NZ26梁段縱向移動，減小ZH27梁段與NZ26梁段的縫寬，安裝頂板匹配件螺栓，完成初匹配，根據(jù)監(jiān)控指令調(diào)整北岸鋼箱梁高程及軸線，完成精匹配，安裝拉壓桿進(jìn)行臨時(shí)鎖定。通過橋面吊機(jī)緩慢卸力調(diào)整合龍口兩側(cè)主梁T1、T3點(diǎn)的相對高差使合龍段與SZ26梁段標(biāo)高齊平，將縱向張拉千斤頂卸力，逐步減小ZH27梁段與SZ26梁段的縫寬，直至南岸鋼箱梁與合龍段間距為5 cm，停止移梁。

評估合龍段兩側(cè)的焊縫寬度，及時(shí)調(diào)整兩側(cè)焊縫差，調(diào)整完成后，鎖定北側(cè)臨時(shí)連接件及拉壓桿，對合龍段北側(cè)焊縫進(jìn)行打碼焊接施工。再回頂南岸鋼箱梁，至縫寬為2 cm停止頂推并鎖定，調(diào)整合龍口軸線及高差，完成合龍段南側(cè)精匹配，鎖定臨時(shí)連接件及拉壓桿，對合龍段南側(cè)焊縫進(jìn)行打碼焊接作業(yè)。

4 成橋線形及內(nèi)力

石首長江公路大橋中跨于2019年4月8日合龍，后續(xù)完成了斜拉索調(diào)索、橋面鋪裝等重要工序。2019年9月9日對主橋成橋狀態(tài)下的標(biāo)高、索力等參數(shù)進(jìn)行了通測。成橋狀態(tài)下實(shí)測線形與理論線形的誤差見圖7，實(shí)測索力與理論索力的偏差見圖8。由圖7、圖8可見，在成橋狀態(tài)下，北塔中跨側(cè)鋼箱梁實(shí)測標(biāo)高與理論標(biāo)高最大偏差值為47 mm，北邊跨混凝土箱梁實(shí)測標(biāo)高與理論標(biāo)高最大偏差值為-16 mm；南塔中跨側(cè)鋼箱梁實(shí)測標(biāo)高與理論標(biāo)高最大偏差值為44 mm，南塔邊跨側(cè)鋼箱梁實(shí)測標(biāo)高與理論標(biāo)高最大偏差值為-57 mm，均滿足規(guī)范要求的±L/10 000=±82 mm的要求。斜拉索實(shí)測索力值與理論索力值偏差均控制在±5%之內(nèi)，滿足規(guī)范相關(guān)要求。此外，索塔塔偏及控制截面應(yīng)力也滿足監(jiān)控控制要求，限于篇幅，計(jì)算結(jié)果未列出。

圖7 成橋狀態(tài)下實(shí)測線形與理論線形的誤差圖

圖8 成橋狀態(tài)下實(shí)測索力與理論索力的偏差圖

5 結(jié)語

文中以石首長江公路大橋主橋施工為背景，分析了大跨雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋中跨合龍的施工流程與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，研究了大跨雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋中跨合龍施工控制方法。通過分析可以得出以下結(jié)論。

1) 采用幾何控制法對大跨雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋中跨合龍的施工控制是非常有效的,主橋完成后結(jié)構(gòu)線形平順、連續(xù)性好，且成橋狀態(tài)下實(shí)測索力與理論索力基本一致。

2) 通過對索、梁、塔間溫差效應(yīng)的有限元分析，可以確定中跨合龍的最佳溫度。

3) 通過在南塔設(shè)置頂推裝置來調(diào)節(jié)合龍口寬度，并計(jì)算頂推行程跟頂推力間的關(guān)系，可使合龍段順利嵌入，最終實(shí)現(xiàn)橋梁中跨高精度合龍。