李湘龍，黃飛鴻，歐陽(yáng)星，曾有藝，易壯鵬

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114）

斜拉橋是一種高次超靜定的組合結(jié)構(gòu)，因其具有整體剛度大、抗風(fēng)性能優(yōu)良、跨越能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)布置多樣等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為發(fā)展最快、最具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一［1］。在橋梁建設(shè)的過(guò)程中，橋梁合龍是非常關(guān)鍵的一環(huán)。在實(shí)際施工中，橋梁合龍施工控制尤為重要。因此，斜拉橋合龍控制和影響因素是斜拉橋施工控制研究的關(guān)鍵。許多學(xué)者針對(duì)斜拉橋在不同橋型、不同環(huán)境下的合龍技術(shù)和成橋敏感性進(jìn)行了研究。何祖發(fā)等［2-4］對(duì)斜拉橋合龍施工控制技術(shù)和成橋狀態(tài)時(shí)的鋼箱梁和拉索彈性模量、重量等參數(shù)進(jìn)行主梁線形的敏感性研究。但關(guān)于橋梁合龍前各種工況對(duì)橋梁線形的敏感性研究相對(duì)較少。而在橋梁在合龍施工時(shí)的整體溫度、鋼箱梁頂板底板溫差、索力、施工荷載的變化都會(huì)對(duì)合龍口產(chǎn)生影響［5-6］。分析斜拉橋在懸臂狀態(tài)下各因素對(duì)橋梁線形和應(yīng)力影響的敏感性也是十分必要的［7-9］。因此，本研究以某寬幅斜拉橋合龍施工為工程背景，分析溫差、索力、施工荷載等因素對(duì)合龍橋梁線形和應(yīng)力的影響，并提出最佳的合龍時(shí)間段，以期為類似工程施工提供參考與借鑒。

1 工程背景與合龍工序

以某跨徑組合為33+102+183 m的獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃摌虻匿擁沤Y(jié)合點(diǎn)設(shè)置在跨徑102 m的邊跨處。該橋共23片鋼箱梁，其中，有20片需吊裝，分別為南側(cè)EJ1～EJ13與JH、北側(cè)EA1～EAS與AH，邊跨和中跨吊裝合龍段分別為AH段和JH段，剩余3片鋼箱梁AB、E0、JB段均為現(xiàn)拼段。斜拉索在主塔兩側(cè)分別有13對(duì)索，共52根。南側(cè)編號(hào)為J1～J13；北側(cè)編號(hào)為A1～A13。該橋布置如圖1所示。主橋梁寬44.5 m，高4.0 m，主梁采用流線型扁平箱梁。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置在外、內(nèi)腹板和中心位置，標(biāo)號(hào)為T1～T5。塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件。全橋采用半漂浮體系。

圖1 主橋立面布置（單位：m）Fig.1 Elevation of the main bridge（unit：m）

圖2 主橋鋼箱梁橫斷面（單位：m）Fig.2 Steel box girder cross section of the main bridge（unit：m）

合龍是全橋施工過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其合龍效果將直接影響成橋線形和內(nèi)力狀態(tài)是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是整個(gè)施工控制的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)的橋梁合龍施工方法主要有兩種：① 頂推合龍施工方法，即在合龍之前，對(duì)主梁進(jìn)行整體的頂推來(lái)調(diào)節(jié)合龍口的寬度。該方法不用改變合龍段的尺寸大小，但在主梁頂推前，需要提前釋放塔梁臨時(shí)約束，且結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換之后不易恢復(fù)［10］。該方法應(yīng)用在武漢二七長(zhǎng)江大橋、洪山廟大橋等橋梁中［11］。② 溫度配切施工方法，即在橋梁合龍前，測(cè)量實(shí)際合龍口寬度，現(xiàn)場(chǎng)配切合龍段。該方法可避免釋放塔梁臨時(shí)錨固的風(fēng)險(xiǎn)，但其受環(huán)境溫度影響較大，故要嚴(yán)格控制施工溫度［12］。此方法應(yīng)用在南京長(zhǎng)江第三大橋中［13］。該橋的邊跨和中跨的合龍均采用溫度配切法，邊跨合龍采用雙邊懸臂，同時(shí)吊裝EJ6與邊跨合龍段AH，主跨合龍則單邊吊裝EJ13，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配切施工。通過(guò)溫度檢測(cè)分析、合龍口線形調(diào)整與施工荷載的研究，主梁可處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)橋梁的精準(zhǔn)合龍。

2 合龍過(guò)程關(guān)鍵的因素影響分析

本研究采用BDCMS軟件建立有限元模型［14］，模型網(wǎng)格劃分為365個(gè)單元、300個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.1 斜拉索索力的影響分析

鋼箱梁斜拉橋在未成橋之前，主梁的縱向剛度較小。此時(shí)在懸臂狀態(tài)下斜拉索索力對(duì)主梁線形的影響較大。拉索前的計(jì)算需要考慮實(shí)際的工況，所建立的模型也需要考慮實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的臨時(shí)荷載。監(jiān)測(cè)索力數(shù)值所用儀器為動(dòng)測(cè)儀，根據(jù)斜拉索震動(dòng)頻率和索力系數(shù)K來(lái)計(jì)算相應(yīng)索力。在合龍前，控制合龍口標(biāo)高與索力最為關(guān)鍵。因此，在BDCMS軟件中添加不同工況，研究合龍前二次張拉最邊緣一對(duì)索力的變化對(duì)標(biāo)高抬升、下沉的影響和由此產(chǎn)生的主梁應(yīng)力大小，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和圖3。

表1 斜拉索索力變化時(shí)的主梁應(yīng)變變化值Table 1 Stress change value of main girder induced by the change of the cable forceMPa

圖3 索力變化影響Fig.3 Diagram of cable force variation

在邊跨合龍中，由表1和圖3（a）可知，在二次張拉索力出現(xiàn)±10%變化時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值達(dá)到了4.2 MPa，變化幅度為50%；當(dāng)二張索力出現(xiàn)±5%變化時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值為2.2 MPa，變化幅度為21.6%。同時(shí)二張索力對(duì)合龍口的線形影響也較大，當(dāng)索力出現(xiàn)±5%變化時(shí)，主梁合龍口豎向位移最大差值為9.6 mm；當(dāng)二張索力出現(xiàn)±10%變化時(shí)，主梁合龍口的豎向位移最大差值為18.3 mm［15］。

在主跨合龍中，由表1和圖3（b）可知，在二次張拉索力出現(xiàn)±10%變化時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值達(dá)到了4.8 MPa，變化幅度為18%；當(dāng)二張索力出現(xiàn)±5%變化時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值為2.5 MPa，變化幅度為11.7%。從圖3還可以看出，主跨合龍時(shí)對(duì)索力變化更為敏感，變化幅度也更大。當(dāng)索力出現(xiàn)±5%變化時(shí)，主梁合龍口豎向位移最大差值為28.3 mm；當(dāng)二張索力出現(xiàn)±10%變化時(shí)，主梁合龍口的豎向位移最大差值為52.5 mm。在合龍前最大懸臂狀態(tài)下，鋼箱梁上、下緣應(yīng)力在索力變化下基本保持一致。

2.2 主梁臨時(shí)荷載/配重的影響分析

施工過(guò)程中，主梁臨時(shí)荷載主要包括橋面吊機(jī)、施工建材、主梁維修小車及相關(guān)設(shè)備等。在橋梁合龍過(guò)程中，臨時(shí)荷載變化較大會(huì)對(duì)合龍口線形產(chǎn)生影響。故選取臨時(shí)荷載或者現(xiàn)場(chǎng)配重參數(shù)來(lái)模擬實(shí)際施工工況的橋面吊機(jī)荷載誤差、現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)荷載的偏差及配重對(duì)合龍口線形的影響。計(jì)算前，將荷載重量模擬加載在中間T3位置，在其余參數(shù)數(shù)據(jù)不改變的情況下，通過(guò)BDCMS有限元軟件計(jì)算出在最大懸臂狀態(tài)時(shí)主梁的線形及應(yīng)力變化。有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和如圖4所示。

表2 荷載變化下的主梁應(yīng)力變化值Table 2 Stress change value of the main girder induced by the change of the load MPa

圖4 荷載變化的影響Fig.4 Influence of load change

由表2和圖4（a）可知，在邊跨合龍中，臨時(shí)荷載的變化對(duì)主梁應(yīng)力的影響較小。當(dāng)臨時(shí)荷載增加到20 t時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值為1.4 MPa，變化幅度為24.6%；當(dāng)荷載增加到50 t時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值為3.4 MPa，變化幅度最大為60%。但臨時(shí)荷載對(duì)在最大懸臂狀態(tài)下的合龍口標(biāo)高影響較大，當(dāng)臨時(shí)荷載分別增加20 t和50 t時(shí)，主梁合龍口豎向位移分別達(dá)到8.8 mm和22.1 mm。

由表2和圖4（b）可知，在主跨合龍中，臨時(shí)荷載變化對(duì)應(yīng)力的影響和邊跨時(shí)一樣，影響較小。當(dāng)施工時(shí)臨時(shí)荷載增加到20 t時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值為1.8 MPa，變化幅度為9%；當(dāng)荷載增加到50 t時(shí)，主梁應(yīng)力的最大變化值為4.5 MPa，變化幅度為22.7%。但在主跨合龍時(shí)，臨時(shí)荷載對(duì)主梁線形的影響很大，在臨時(shí)荷載增加20 t和50 t時(shí)，主梁合龍口豎向位移分別達(dá)到了23.6 mm和58.4 mm。由表2可知，該橋在理想狀態(tài)下，在合龍前隨著臨時(shí)荷載的增加，上、下緣應(yīng)力基本保持一致，且其均與荷載呈線性關(guān)系。

2.3 溫度荷載的影響分析

若采用溫度配切法進(jìn)行合龍施工，雖然合龍速度快，但是施工受溫度的影響也較大。因此，控制溫度也是影響溫度配切法合龍的重要一環(huán)［16］。

在斜拉橋施工中，均勻溫度和梯度溫度均會(huì)對(duì)合龍產(chǎn)生影響。在合龍段施工時(shí)，通常會(huì)選擇在溫度穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行。因此，合龍時(shí)的溫度影響實(shí)際上主要是指均勻溫度影響［17］。在鋼箱梁合龍施工中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工影響最大的因素為溫度影響，所以須確定最佳合龍溫度，其步驟為：① 要查詢當(dāng)?shù)赝粫r(shí)期的氣象資料，預(yù)估現(xiàn)場(chǎng)合龍實(shí)際溫度是否與模型計(jì)算時(shí)的溫度相符。若不能達(dá)到，則要進(jìn)行合龍溫度修正計(jì)算，以確定實(shí)際的合龍溫度，以及相應(yīng)的溫度調(diào)整措施。② 在合龍前，進(jìn)行24 h的溫度觀測(cè)，主要觀測(cè)合龍口的溫度場(chǎng)、合龍口兩側(cè)的標(biāo)高及合龍口寬度，觀測(cè)頻率為每2 h進(jìn)行一次，根據(jù)最終觀測(cè)的結(jié)果來(lái)確定最佳合龍時(shí)間段［18］。

在合龍前要清理橋面上所有的臨時(shí)荷載，確保合龍口處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。合龍段前、后梁端在減載、加載過(guò)程中，應(yīng)盡量做到上、下游平衡，中邊跨對(duì)稱均衡。合龍完成后，立即觀測(cè)合龍段兩端高程，并確定是否需要調(diào)整預(yù)壓重量及焊接合龍段剛性連接的時(shí)間。

2.3.1 邊跨合龍

1） 溫度的影響分析。

在邊跨起吊前，需要對(duì)其合龍口進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度及合龍口寬度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該橋位于廣東省韶關(guān)市，邊跨合龍時(shí)間于10月份。根據(jù)歷年廣東省韶關(guān)市10月氣溫報(bào)告可知，韶關(guān)市10月份的晝夜溫差近10 ℃，溫差較大，溫度監(jiān)控較為關(guān)鍵。研究邊跨在起吊前的最大懸臂狀態(tài)下，整體溫度升降及上、下梁板每相差5、10 ℃時(shí)邊跨標(biāo)高的變化規(guī)律，可為類似工程的現(xiàn)場(chǎng)分析提供理論依據(jù)。

在經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控后，大氣溫度、鋼箱梁頂?shù)装鍦囟冉Y(jié)果如圖5所示。

圖5 邊跨合龍前溫度變化Fig.5 Temperature change before side span closure

溫度分析主要包含整體溫度分析和溫差分析兩個(gè)方面。通過(guò)有限元模擬計(jì)算，其結(jié)果如圖6所示。從圖6（b）可以看出，升溫時(shí)，鋼箱梁整體呈上凸的趨勢(shì)，在主梁懸臂處邊跨合龍口（即EA5）和EJ5處，鋼箱梁呈現(xiàn)下彎趨勢(shì)。溫差越大，標(biāo)高變化起伏也越大，并且溫差引起的標(biāo)高變化近似于線性關(guān)系。

針對(duì)鋼箱梁溫差分析，采用了這兩種溫差。從圖6（a）可以看出，只要溫差一致，無(wú)論處于何種溫度，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)高變化曲線基本一致，如：頂板10 ℃、底板0 ℃和頂板0 ℃、底板-10 ℃這兩種情況。主梁邊跨合龍口和EJ5兩個(gè)懸臂端變化幅度相差較大，其主要原因是在里程1 038 m至1 060 m處受臨時(shí)支座的影響，故邊跨處的標(biāo)高變化比主跨處的小。

從圖6（a）和（b）還可以看出，在邊跨合龍過(guò)程中，與鋼箱梁整體溫度相比，鋼箱梁頂、底板溫差對(duì)合龍口標(biāo)高的影響更大，所以選定合龍時(shí)間需要考慮鋼箱梁頂、底板的溫度差，保證溫差盡可能小一些。從圖5可以看出，22點(diǎn)至第二天8點(diǎn)，橋梁頂、底板溫度均在24 ℃左右，溫差較小，與理論模型分析中的25 ℃較接近，該時(shí)間是合龍較適合的時(shí)間段。

2） 合龍長(zhǎng)度的確定。

在測(cè)量合龍段24 h的溫度和合龍段長(zhǎng)度時(shí)，由于合龍段寬度較小，采用鋼卷尺進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。但該橋?yàn)殡p向8車道，橫向?qū)挾容^大，故測(cè)量過(guò)程中橫向測(cè)點(diǎn)布置較密?，F(xiàn)場(chǎng)在合龍段兩側(cè)同時(shí)測(cè)量合龍口兩邊梁頂?shù)装宓腡2～T4，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，選取合龍口長(zhǎng)度，監(jiān)測(cè)L1～L6，測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示，每隔2 h測(cè)量一次長(zhǎng)度。

合龍段無(wú)應(yīng)力制造長(zhǎng)度的計(jì)算式為：

式中：Lx為無(wú)應(yīng)力制造長(zhǎng)度；Lc為測(cè)量長(zhǎng)度；Lt為溫度影響量（若實(shí)際合龍溫度大于基準(zhǔn)溫度，則取正值；反之，則取負(fù)值）；Lh為焊縫寬度，預(yù)留給施工方的寬度為20 mm；Lz為合龍口兩側(cè)的鋼箱梁高差產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角誤差值；Lg為高差修正量［19］。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選取上午6點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算，頂?shù)装迳?、下游合龍長(zhǎng)度L1～L6分別為9 933、9 915、9 915、9 989、9 976和9 962 mm。

2.3.2 中跨合龍

1） 溫度分析。

該橋中跨合龍采取的工藝為溫度配切合龍法，與邊跨合龍一致。在合龍前24 h，每隔2 h測(cè)量一次溫度，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。由于合龍時(shí)間為12月，溫度變化相對(duì)不大，但合龍時(shí)，中跨在最大懸臂狀態(tài)下對(duì)溫度的敏感性應(yīng)比其在邊跨合龍時(shí)的更高，故應(yīng)做好理論計(jì)算，確保現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)合龍。

與邊跨合龍相似，計(jì)算整體和頂、底板溫差，結(jié)果如圖9所示。從圖9（b）和圖6（b）可以看出，在整體溫差分析中，隨著懸臂端的增長(zhǎng)，中跨合龍時(shí)主梁的線形變化受整體溫度變化的影響更明顯。當(dāng)整體溫度變化幅度為±10 ℃時(shí)，合龍口位移最大達(dá)到了21.1 mm、整體溫度變化幅度為±5 ℃時(shí)，合龍口位移最大達(dá)到了10.7 mm。從圖9（a）可以看出，當(dāng)主梁上、下板溫差達(dá)到10 ℃時(shí)，線形影響較大，最大豎向位移達(dá)到47.8 mm，故在中跨合龍中，同樣要盡量選擇頂?shù)装鍦夭钶^小的時(shí)間段。對(duì)比圖8可知，15∶00至19∶00為相對(duì)較好的合龍時(shí)間段。

圖9 主跨合龍溫度變化影響Fig.9 Influence of temperature change of middle span closure

2） 合龍長(zhǎng)度確定。

中跨合龍段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為7 m，跨徑較小，所以采用鋼卷尺來(lái)進(jìn)行合龍前的合龍口寬度測(cè)量。由于此橋?yàn)閷挿鶚?，且與邊跨合龍相比，中跨合龍對(duì)溫度、荷載、索力等因素的敏感性更高，為保證橋梁順利合龍，寬度測(cè)量點(diǎn)的線路增加了4條（頂、底板各2條路徑），測(cè)量點(diǎn)及布置如圖10所示。采用式（1）計(jì)算合龍長(zhǎng)度。

圖10 中跨JH合龍段測(cè)量點(diǎn)布置Fig.10 Layout of measuring points in JH closure section of middle span

以計(jì)算L1為例：Lc測(cè)量長(zhǎng)度為7 070 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算，Lt受溫度影響量為15 mm（實(shí)際合龍溫度低于基準(zhǔn)溫度），Lh焊縫寬度和邊跨時(shí)的相同，均為20 mm，轉(zhuǎn)角誤差值Lz和高差修正量Lg分別為6 、3 mm。由式（1）可得，L1為7 026 mm

3 結(jié)論

本研究以一座寬幅獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋邊跨和中跨合龍施工過(guò)程為背景，分析施工合龍工序，并研究溫度、臨時(shí)荷載和索力對(duì)合龍口的影響，得到以下結(jié)論：

1） 在合龍時(shí)，溫度對(duì)主梁線形影響較大，屬于主要敏感參數(shù)。其中，頂?shù)装鍦夭畹挠绊懸黠@大于整體溫度變化的影響，故在鋼箱梁橋合龍施工控制中，要著重注意頂?shù)装宓臏夭睢?/p>

2） 在合龍時(shí)，臨時(shí)荷載和對(duì)主梁線形的影響也為主要敏感參數(shù)。在理想條件下，主梁增加的應(yīng)力和荷載呈線性關(guān)系。

3） 索力與溫度和荷載相比，對(duì)主梁線形的影響相對(duì)較小，屬于較敏感參數(shù)。在索力調(diào)整變化時(shí)，上、下緣應(yīng)力變化基本一致。