沌口長江公路大橋主橋鋼箱梁架設關鍵技術

羅航 ，鄭建新

1　工程概況

沌口長江公路大橋是武漢市四環線的重要組成部分和跨越長江的關鍵性控制工程之一。跨江主橋為雙塔雙索面半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置（100+275+760+275+100）m。索塔為鉆石形結構，塔高233.7 m。主梁為PK斷面鋼箱梁，含風嘴頂板全寬46 m，不含風嘴頂板寬43.2 m，中心線處梁高4 m，共127個節段，標準節段長12 m，標準橫梁間距3.0 m，采用1 860 MPa平行鋼絲斜拉索。橋型布置如圖1所示。主梁標準橫斷面如圖2所示[1]。

2　鋼箱梁架設總體施工方案

2.1　總體施工工藝

鋼箱梁安裝分8個類別：塔區支架上0—2號梁段、臨時墩頂梁段、輔助墩支架上梁段、過渡墩支架上梁段、過渡墩和輔助墩之間的支架上的存梁段、標準梁段。

圖1　沌口大橋主橋橋型布置圖(m)Fig.1　Overall layout of Zhuankou main bridg(m)

圖2　主梁標準橫斷面圖（cm）Fig.2　Standard cross section of the main beam(cm)

1）臨時擱置在支架上的梁段（輔、過渡墩之間支架梁段和墩頂梁段、塔區支架上0—2號梁段及臨時墩頂梁段）均采用大型起重船臨時吊裝在支架上存放。

2）除塔區支架上0—2號梁段、墩頂梁段在支架上調位安裝外，其余梁段均采用橋面吊機懸臂拼裝。

3）中跨采用頂推輔助合龍方案。

2.2　施工特點

1）上部結構鋼箱梁除塔區及墩頂節段采用支架施工外，其余采用全懸臂吊裝，懸臂長，影響線形及內力控制的因素較多。

2）鋼箱梁吊裝施工及安裝精度控制難度大。

3）中跨采取頂推輔助合龍施工，需精心組織。

4）結構跨度大，幾何非線性效應明顯。

3　鋼箱梁架設施工關鍵技術

對結構的施工過程、構件制造、匹配、張拉措施等進行全面分析，以實現控制的目標狀態。

3.1　塔梁臨時約束體系設置

沌口大橋跨江主橋施工過程中，為便于對懸臂拼裝狀態的梁體進行約束，以及基于中跨合龍的考慮，在塔梁間分別設置了縱向、橫向、豎向臨時約束。

通過有限元分析，施工過程塔梁臨時鉸接豎向最大壓力為10 951 kN，最大拉力912 kN；施工過程縱向最大不平衡力4 079 kN，縱向同時考慮中跨合龍時頂推的需要，最大不平衡力5 740 kN；橫向最大受力3 092 kN。

縱向約束布置在阻尼器安裝的位置，北塔邊跨縱向約束兼顧作為后續的頂推合龍輔助措施。北塔縱向約束結構由鋼箱梁阻尼縱向約束底座、縱向約束支撐桿、撐腳、牛腿等部分組成。鋼箱梁阻尼縱向約束底座用于阻尼器安裝，為永久性結構，各項受力性能均滿足塔梁縱向約束要求。縱向約束支撐桿采用φ426 mm×16 mm無縫鋼管，撐腳及牛腿為鋼板焊接件。根據有限元分析，在縱向力作用下，撐桿最大應力為146.1 MPa，撐桿連接件耳板最大應力為96.2 MPa，強度滿足要求。彎矩作用平面內撐桿應力為164.9 MPa，穩定性滿足要求。在縱向應力作用下，撐腳的最大應力為62.9 MPa，牛腿的最大應力為114.2 MPa，強度滿足要求。焊縫最大應力83.4 MPa。縱向約束和頂推結構滿足施工過程及中跨頂推輔助合龍施工需求。

橫向約束由橫向抗風支座提供，橫向抗風支座的設計水平力為8 000 kN，并在塔柱與鋼箱梁塔區梁段邊腹板間單側設置4個φ800 mm×8 mm鋼管限位。

索塔處豎向支座設計為球形支座，單個支座設計豎向力12 500 kN，考慮豎向支座的承載力及施工便利性，施工過程中塔梁臨時鉸接豎向壓力由永久支座承擔。為克服施工過程中塔梁處豎向拉力，在下橫梁與0號鋼箱梁間設置12根直徑36 mm的精軋螺紋鋼，單根精軋螺紋鋼張拉力為150 kN，理論上共可提供1 800 kN的預緊力，能夠滿足平衡上拔力及安全儲備的需要。同時在支座兩側布置8個臨時支墩作為保險措施。

塔梁臨時約束總體布置如圖3所示。

圖3　塔梁臨時鉸接總體布置圖Fig.3　Overall layout of tower-beam temporary hinge

3.2　塔區鋼箱梁架設技術

塔區梁段共計5榀鋼箱梁。岸側S01及主塔處T00梁段采用起重船（起重船采用蘇航工868，最大起重量800 t）吊裝在岸側存梁支架后，滑移至目標位置，S02梁段直接采用浮吊存放至目標位置；江側M01、M02梁段受施工塔吊的影響，先采用起重船存放于支架上，待主塔鋼錨梁安裝完成且拆除江側施工塔吊，將梁段滑移至目標位置。T00梁段重388.9 t，滑移摩擦力為388.9 kN，滑移距離12 m，采用60 t千斤頂及φ32 mm精軋螺紋鋼進行牽引施工。

圖4　塔區梁段支架布置圖Fig.4　Layout of beam section support in tower area

0號塊梁段存梁支架主要由鋼管樁（立柱）、平聯、斜撐、主橫梁、軌道梁、附墻等部分組成。鋼立柱采用φ1 000×10的鋼管，平聯為φ600×8，斜撐采用2[25a，立柱上設3HM700×300主橫梁，主橫梁上根據坡度設墊塊，墊塊上擱置2HN900×300軌道梁，軌道梁上設臨時滑道。塔區梁段支架布置如圖4所示。

每個鋼箱梁節段在橫隔板底部布置4個存梁及滑移墊墩，在墊墩旁布置三向千斤頂，千斤頂用于鋼箱梁平面位置及高程的調整，調整完成后千斤頂卸壓，由墊墩承受鋼箱梁荷載。T00梁段調位完成后，在梁段兩側增加臨時墊墩，再安裝豎向精軋螺紋，用于固定梁段，再依次調節1號、2號梁段與T0梁段匹配，逐片焊接鋼箱梁。之后進行縱向臨時約束、斜拉索牽引及張拉、吊機安裝及試驗作業。

3.3　懸臂鋼箱梁架設技術

懸臂鋼箱梁采用雙橋面吊機吊裝施工，全橋共需8臺橋面吊機。根據現場實際情況及現有橋面吊機資源，南北岸中跨及北岸邊跨采用225 t鋼絞線提升系統橋面吊機，南岸邊跨采用250 t卷揚機提升系統橋面吊機。橋面吊機主要由構架、提升系統、行走系統、調位系統、扁擔梁及工作平臺等組成。

鋼箱梁懸臂安裝控制的重點為梁段的匹配和斜拉索的張拉。

梁段起吊后，經粗匹配、精匹配最終達到目標安裝位置。匹配流程為：

1）用變幅橋面吊機縱向調位油缸推動提升到位箱梁節段至已安裝箱梁節段邊緣。

2）利用扁擔梁上的調平油缸調整吊裝鋼箱梁的縱坡與已安梁段相匹配。

3）用單臺橋面吊機升、降調整箱梁節段與已安裝箱梁節段橫向相匹配。

4）用卷揚機調整待安裝梁段標高，使其與已安裝梁段連接端口位置處于同一標高上。

5）用變幅機構中縱向調位油缸推動提升到位箱梁節段至與已安裝好箱梁節段止頂板相接觸[2]。

6）溫度穩定時進行懸臂前端3個梁段控制點的相對平面位置及高程局部測量。

7）調整匹配梁段上、下游控制點相對高差及軸線。

8）復測懸臂前端局部線形與軸線，滿足精度控制要求后，焊接固定止頂板處交叉限位板，擰緊匹配件螺栓，鎖定吊機。

9）腹板和頂板局部殘余高差用馬板配合千斤頂調整。

梁段焊接完成后即進行斜拉索的掛設和張拉。受現場條件影響和施工便利性的需要，施工中臨時荷載或方案會有調整，張拉索力則需及時修正。采用傳統的梁段匹配焊接、斜拉索掛索一張、吊機前移、斜拉索二張、梁段吊裝施工流程，懸臂標準節段施工周期約6 d。

考慮鋼箱梁結構材料的允許應力幅較大[3]，經方案分析及計算綜合考慮，沌口大橋斜拉索實施“一次到位”的張拉方案，同時，在梁段精匹配過程根據誤差及參數識別結果對索力進行微調，以消除架設過程中的累計誤差。標準節段施工及控制優化流程如圖5所示。

圖5　標準節段施工及控制優化流程圖Fig.5　Construction and control optimization flow chart of standard section

理論計算及現場實施時，斜拉索一次到位張拉即控制斜拉索至成橋狀態下的無應力索長。采用上述施工及控制優化流程，可以在節段焊接完成、斜拉索掛索完畢后即刻進行一次到位張拉，不受溫度等因素限制，索力的微調和精匹配可以在同一溫度穩定時段進行。且施工過程主梁最大應力為-98.0 MPa，斜拉索安全系數大于2.50，結構受力處于合理范圍。

通過流程的優化，現場實施過程中，懸臂標準節段施工周期縮減至4 d，累計節省工期約30 d。

3.4　中跨合龍技術

沌口長江公路大橋中跨合龍設計基準溫度為15℃，在該溫度狀態下進行中跨合龍，對永久結構不會產生不利影響。在實際施工中，受合龍時機及自然條件的影響，合龍時的環境和結構溫度均將與基準溫度存在差異。根據施工進度安排，主橋中跨合龍時間在6月上旬，整體溫度較高，且晝夜溫差較大，溫度變化1℃時合龍口間距影響量約9 mm。為盡量減少溫度對結構狀態的影響，同時方便施工，選擇頂推輔助合龍作為本橋的中跨合龍實施方案。

合龍方案思路為，根據實測的溫度、合龍口間距確定基準溫度下合龍段長度，由南岸橋面吊機單側起吊合龍段，北岸側塔梁縱向臨時約束兼顧作為縱向頂推裝置單側頂推北主橋進行合龍。采用頂推輔助合龍可修正懸臂梁長誤差，確保主梁基準溫度下無應力總長度不變，對成橋結構內力與線形影響小[4-7]。合龍段起吊如圖6所示。

圖6　合龍段起吊示意圖Fig.6　Lifting sketch of the closure section

合龍段起吊需要的操作間隙按50 mm控制，喂梁選擇在陰天或者白天下午鋼箱梁頂底板平均溫度在31℃以下時進行，溫度對合龍口寬度的影響約150 mm。為滿足頂推施工的要求，頂推裝置的頂推行程按20 cm設計，所需頂推力為572 t。

沌口長江公路大橋主橋中跨合龍施工步驟：

1）S30、M30斜拉索一張后，進行梁面施工臨時荷載清理，南岸橋面吊機吊具更換為MH梁段吊裝吊具。北岸橋面吊機向岸側回行6 m后錨固、南岸橋面吊機向江側前移9 m后錨固。

2）南北岸中跨各配置1/2MH梁段重量，模擬合龍段安裝工況。通過M29、M30斜拉索索力或臨時配重等措施對南北岸合龍口標高、轉角進行調整。

3）解除塔區橫向臨時約束及北岸豎向臨時約束，北岸僅保留縱向約束及永久支座，進行南北岸軸線調整。

4）進行合龍口量測，確定北側主梁向岸側的頂推量及頂推力，保證合龍段的吊裝空間，同時確定中跨合龍段鋼箱梁長度。

5）M31梁段1/2MH配重拆除，北半橋向北側縱向頂推，保證MH梁段吊裝空間，南岸橋機起吊MH合龍梁段。

6）使MH梁段頂面與NM31梁段頂面持平，將MH梁段、NM31梁段通過匹配件栓接，使頂底板、邊腹板對齊，在合龍段安裝支撐型鋼。

7）橋面吊機緩慢落鉤，平均分配合龍梁段重量到NM31、SM31梁段，吊具鋼絲繩松弛，對MH梁段初調。

8）晚上氣溫恒定時，通過索力、配重、手拉葫蘆對拉和北半橋向中跨回頂等輔助措施對MH梁段縫寬、軸線和標高進行精確調整。焊縫寬度及梁段匹配滿足要求后，迅速將MH梁段與NM31，SM31鋼箱梁匹配、打碼作業。

9）解除北塔頂推輔助裝置，合龍段兩側焊縫同時開始焊接，完成后解除南塔塔梁間臨時約束。

3.5　施工控制技術

針對沌口大橋結構及施工特點，施工控制采取全過程幾何控制理念，即通過對結構構件制造和安裝等關鍵環節的全過程高精度控制，從而實現結構最終控制的目標狀態。具體思路為：1）以幾何控制為指導原則；2）制造階段中，嚴格按照主梁及斜拉索等構件的無應力構形進行結構構件的制造；3）架設階段中，根據施工全過程仿真分析得到主要結構參數誤差因素，確定初始架設參數，加強監測，并依靠索力等主動調節懸臂架設線形，消除架設過程中累計誤差。主梁匹配過程中，由無應力制造線形確立的梁段間夾角，控制匹配梁段在局部坐標系下相對關系，保證了線形的平順性。根據實測的溫度、合龍口間距確定基準溫度下合龍段長度，最終滿足無應力合龍要求。

4　結語

沌口大橋主橋通過臨時結構的合理布置、施工方案的優化、過程的精心組織和嚴格控制，有效實現了鋼箱梁雙橋面吊機懸臂拼裝施工。為大跨鋼箱梁斜拉橋的施工提供了參考。該橋于6月5日下午進行了縱向頂推及合龍段吊裝，根據吊裝時溫度及合龍段喂梁安全需要，實測頂推量約14 cm。6月6日凌晨順利實現了全橋合龍，合龍段軸線5 mm，標高與目標值的誤差為2 mm，取得了良好的實施效果。

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