大跨度鋼箱梁斜拉橋中跨合龍關鍵技術

陶路 曾德禮

（1.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北武漢 430034；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北武漢 430034）

大跨度鋼箱梁斜拉橋由于橋下通航能力強，上部結構架設周期短等特點，越來越多地運用于跨江大橋和跨海大橋的建設中。據不完全統計，近10年來國內建成的主跨超過400 m 的鋼箱梁斜拉橋就超過了15座，還有多座同類型橋梁正在建設中，如武漢青山長江大橋、臨港長江大橋等。

國外大跨度鋼箱梁斜拉橋中跨合龍通常采用頂推配切合龍，如法國的諾曼底大橋；國內的合龍方法通常有頂推配切合龍和溫度配切合龍2 種方式［1-2］，如蘇通長江大橋采用頂推配切合龍，舟山金塘大橋采用溫度配切合龍。斜拉橋中跨合龍是整座橋梁施工過程中最為關鍵的環節之一，因此有必要對大橋合龍經驗進行總結，了解合龍各流程的控制要點。

1 工程概況

以福州瑯岐閩江大橋、中朝鴨綠江界河大橋、萬州長江三橋及港珠澳大橋青州航道橋4 座主跨超過400 m 的鋼箱梁斜拉橋中跨合龍為背景，對大跨度斜拉橋中跨合龍過程中的關鍵技術進行研究。表1 中4座大橋均為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。其中前2 座橋采用頂推配切合龍［3］，后2 座橋采用溫度配切合龍。

表1 4座大跨度鋼箱梁斜拉橋基本概況

2 中跨合龍關鍵技術

2.1 確定合龍方案

頂推配切合龍的流程主要為：①調整合龍口姿態，在合龍口壓重和臨時鎖定；②對合龍口寬度進行連續觀測；③根據連續觀測結果對合龍段進行配切；④解除頂推側塔梁臨時錨固，頂推主梁，使合龍口寬度滿足施工要求；⑤起吊合龍段，適時吊入合龍口；⑥焊栓合龍段，實現合龍。溫度配切合龍的流程和頂推配切合龍基本一致，只是沒有了步驟④。

根據2 種合龍方法的施工流程可以看出：溫度配切法的優點在于沒有釋放塔梁臨時錨固的風險，但受環境溫度影響很大，如果合龍時實際溫度高于預期合龍溫度，合龍段可能無法吊入合龍口；實際溫度低于預期合龍溫度過多，則可能造成焊縫寬度過大而引起焊縫質量問題。頂推合龍的優點在于可以通過合龍前對鋼箱梁進行整體頂推來對合龍口寬度進行調節，施工時間充裕，合龍施工的可靠性和可控性高。其缺點在于需要釋放頂推側的塔梁臨時約束，結構變形釋放后可能無法恢復。且大跨度斜拉橋的頂推力和頂推距離較大，施工存在一定的難度和風險。

福州瑯岐閩江大橋合龍時間為6 月19 日，根據合龍前連續觀測的結果，鋼箱梁白天最高溫度接近50 ℃，夜間降溫較快，氣溫在25～30 ℃之間，該橋的設計合龍溫度為20 ℃，預計合龍期間實際環境溫度高于設計合龍溫度超過5 ℃，因此選用頂推配切合龍［4］。萬州長江三橋的設計合龍溫度為20±5 ℃，根據橋址區2016 年和2017 年同期溫度統計數據及最近天氣數據分析，橋址處白天的溫度在24～31 ℃之間，夜間溫度在 16～22 ℃之間，且夜間 22：00—6：00 溫度變化較小，氣溫在設計允許溫度范圍內，最終采用了溫度配切合龍［5］。

根據以上分析，2 種合龍方案的最大差異源于結構對實際合龍溫度的適應性，如果預期合龍期間橋址處氣溫穩定且接近設計合龍溫度，則可以采用溫度配切合龍，反之則建議采用頂推配切合龍。

2.2 調整合龍口姿態

1）合龍口壓重

在對合龍口連續觀測前，傳統的做法是采用壓重來調整合龍口姿態，以達到理想的合龍狀態。混凝土結構的橋梁在合龍時壓重主要是為了在澆筑合龍段混凝土期間進行荷載的等效置換，保證合龍段的受力安全。鋼箱梁斜拉橋壓重的目的在于通過模擬起吊合龍段工況，在起吊側采用水箱或其他等效物進行壓重，再通過調整斜拉索索力或壓重等方式調整合龍口的高程，在合龍口高程滿足要求后再進行連續觀測，觀測完成后即可卸除該壓重。對于懸臂施工的鋼箱梁斜拉橋，合龍前后合龍口姿態的變化可以通過理論計算精確模擬，考慮到現場合龍口壓重也存在一定的誤差，因此合龍口壓重并非必不可少。根據文獻［3］，福州瑯岐閩江大橋在合龍口觀測前進行了壓重，但由于一側壓重布置效果不理想，在連續觀測前即卸載了該壓重。中朝鴨綠江界河大橋合龍口未進行壓重，采用直接吊合龍段的方式進行連續觀測，該方式可以最為準確地調整合龍口姿態，但在觀測期間對航道通航有一定影響，并不適用于所有的橋梁。萬州長江三橋采用汽車加裝的方式對合龍口進行壓重。港珠澳大橋青州航道橋在連續觀測前未加壓重。

2）臨時勁性骨架鎖定

中跨合龍口姿態調整完成后，蘇通長江大橋和鄂東長江公路大橋均對合龍口采用臨時勁性骨架鎖定（順橋向自由），其目的是為了保證鋼箱梁的軸線偏位和合龍口形狀基本保持初步調整后的狀態。而導致鋼箱梁軸線偏位的主要原因在于風荷載的影響，而橋梁中跨通常選擇在風速較小時段合龍，因此臨時勁性骨架的設置也并非必不可少。福州瑯岐閩江大橋、萬州長江三橋及港珠澳大橋青州航道橋3座大橋中跨合龍時均未設置臨時勁性骨架鎖定。

綜合以上分析，吊裝合龍段前后合龍段的高程變化規律可根據理論計算精確模擬，在風速較小的環境下合龍口的軸線偏位也比較穩定，建議調整合龍口的姿態達到理想的合龍狀態后可不進行合龍口壓重，也可不采用臨時勁性骨架鎖定。

2.3 連續觀測合龍口

調整好合龍口姿態后，需進行48 h 合龍口主梁高程、軸線偏位、合龍口寬度及溫度場的連續監測。測量間隔時間在 06：00—18：00 期間為 2 h/次；18：00—次日06：00 期間為1 h/次，間隔時長可根據計劃合龍時間適當調整。監測部位應包括鋼箱梁頂板、底板、斜腹板、豎腹板等重要部位，如福州瑯岐閩江大橋在合龍口兩側各布置了12 個監測點，見圖1。鑒于監測點較多，測試頻率較高，為提高連續觀測的效率及安全性，建議采用無線采集設備對結構溫度場和大氣溫度進行采集［6］，用激光測距儀監測合龍口寬度。根據觀測結果，擬合出合龍口寬度和結構溫度及大氣溫度的關系曲線，確定合龍口的寬度。

圖1 合龍口寬度監測點布置示意

2.4 計算合龍段配切長度

1）配切長度的計算

合龍段配切長度需考慮合龍段的設計無應力制造長度、施工階段梁長累計誤差、預計合龍溫度與設計合龍溫度的偏差等因素。合龍段配切長度計算公式為

式中：Lx為合龍段的配切長度；Ls為合龍段的設計無應力長度，該參數需考慮合龍段頂底板的設計無應力長度不一致；L1為施工階段的梁長累計誤差（實際梁長大于設計值時L1為正，反之為負）；L2為合龍段安裝至成橋后合龍段的壓縮變形量；Lh為合龍口兩側的焊縫寬度；Lt1為預計合龍溫度與設計合龍溫度不同造成合龍段的偏差（預計合龍溫度高于設計合龍溫度時Lt1為正，反之為負）；Lt2為配切時合龍段溫度與設計合龍溫度不同造成的合龍段長度偏差（配切時合龍段溫度高于設計合龍溫度時Lt1為正，反之為負）。

2）注意事項

施工階段梁長累計誤差可能較大，造成合龍段的配切長度與設計無應力制造長度偏差較大，需在施工控制過程中關注梁長的累計誤差，并通過調整后續梁段的無應力制造長度來消除該偏差。如福州瑯岐閩江大橋和萬州長江三橋在中跨梁段架設一半數量的梁段后，均發現中跨鋼箱梁的總長度比理論計算值偏短的現象，特別是瑯岐閩江大橋在中跨架設12個節段后，發現中跨單懸臂總梁長偏短了近50 mm，梁長偏差過大可能影響斜拉索的安裝定位，為解決這一問題，在后續梁段制造過程中，增大了部分梁段的無應力制造長度。

2.5 頂推鋼箱梁

采用頂推配切合龍時，通常只頂推合龍口單側鋼箱梁，在頂推前解除頂推端的塔梁臨時錨固。

1）解除塔梁臨時錨固

解除塔梁臨時錨固，即釋放其縱向約束和轉角約束。文獻［3］表明：瑯岐閩江大橋主橋在塔梁臨時錨固解除后，斜拉索索力總體變化較小，只是橋塔附近的斜拉索索力影響較大，其他位置的索力基本不變。解除塔梁臨時錨固后，主梁變位較小，中跨靠近主塔的斜拉索梁上錨點豎向位移最大，為向上12 mm；為防止解除塔梁臨時錨固后梁體瞬間上臺，在解除臨時錨固前在該處梁段進行了堆載。

2）確定頂推力

頂推力主要受邊中跨斜拉索不平衡水平合力和支座摩擦力的影響，其中支座摩擦力包括過渡墩、輔助墩及橋塔處支座的摩擦力總和。頂推力計算公式為

式中：P為頂推力；Fx為斜拉索不平衡水平合力，當向邊跨頂推時Fx為正，反之為負；Ff為支座摩擦力總和；μ為支座摩擦因數；N為過渡墩、輔助墩或橋塔處支座的支座反力之和。

3）注意事項

在解除塔梁臨時錨固和頂推鋼箱梁過程中，應注意以下幾點：①鋼箱梁頂推事關橋梁結構的安全，特別是主塔的安全，頂推量應通過精確計算確定，如瑯岐閩江大橋合龍時要求中跨頂推量不宜超過150 mm；②摩擦因數μ具有較大的離散性，計算選用的摩擦因數不一定準確，因此在選用千斤頂時在保證結構安全的前提下考慮一部分富余量，同時在頂推前對各支座四氟板進行清理，涂上潤滑油；③邊中跨斜拉索不平衡水平合力可能大于支座摩擦力總和，在解除塔梁臨時錨固后，不平衡索力就能使主梁縱向移動，因此在解除臨時錨固前應做好限位措施防止主梁突然向前沖。

2.6 吊裝合龍段

1）吊裝方式

吊裝合龍段有單側架梁機單獨起吊（簡稱為“單側起吊”）和兩側架梁機同步起吊（簡稱為“抬吊”）2種吊裝方式。目前國內主要傾向于抬吊的吊裝方式，如蘇通長江大橋、瑯岐閩江大橋及港珠澳大橋青州航道橋中跨合龍均采用該種起吊方式。其優點在于合龍段的重量由兩側架梁機共同承擔，合龍口兩側的斜拉索索力比較均衡，一般不需要超張拉斜拉索或僅需要對個別斜拉索進行超張拉。部分橋梁出于以下原因選用單側起吊合龍段的方式：①斜拉橋兩岸歸屬2 家不同的施工單位；②合龍段尺寸較小。如中朝鴨綠江界河大橋由于第①種原因采用單側起吊，萬州長江三橋和鄂東長江大橋則因為第②種原因采用單側起吊。采用單側架梁機單獨起吊合龍段的方式需要對合龍口附近的多對斜拉索進行超張拉，如中朝鴨綠江界河大橋和萬州長江三橋在起吊合龍段前均對合龍口附近3 對斜拉索進行了超張拉，而鄂東長江大橋則對合龍口附近4 對斜拉索進行了超張拉［7］。施工過程中對斜拉索進行超張拉主要有2 個弊端：①對斜拉索進行超張拉時，張拉段錨杯可能需要抄墊，錨杯抄墊量過大導致不易對中甚至滑移，不利于結構安全；②合龍前超張拉的斜拉索數量較多，會增大后期斜拉索的調整工作量，影響施工總工期［8］。建議在條件許可的前提下，盡量采用抬吊的吊裝方式。

2）注意事項

在“起吊合龍段，適時吊入合龍口”這道工序中，應注意以下幾點：①采用“抬吊”方式時，兩岸吊機型號、轉速可能不同步而導致吊梁時重量分配不均，影響合龍口狀態，應統一指揮，嚴格控制提梁的同步性［9］；②合龍段吊入合龍口的時機盡量選擇氣溫相對較低的時段，以減小鋼箱梁頂推量，降低頂推風險。

2.7 焊接合龍段

在合龍段吊入合龍口后，微調合龍口姿態，使兩懸臂端高程和軸線位置均滿足合龍精度要求，再按照計劃栓焊合龍段。采用頂推配切方式進行合龍的橋梁，在合龍段入口后，應立即與非頂推側的梁段進行匹配，開始栓焊工作，待溫度趨于穩定時將另一端懸臂端頂進回退，待溫度穩定在預計合龍溫度左右時，鎖定另一端的頂、底板，鎖定后立即焊接。采用溫度配切方式進行合龍的梁段，待溫度穩定在預計合龍溫度左右后，在腹板下端和頂板安裝連接件，鎖定合龍口長度，再進行栓焊。本道工序對溫度要求高，整個焊接（栓焊）均須在夜間氣溫穩定時段完成［10］。特別是頂推配切方式進行合龍時，2 道焊縫不是同步施工，應加強施工組織，確保2 道合龍縫的栓焊及塔梁臨時錨固的解除均在氣溫升高前全部完成，防止焊縫因溫度影響而暴開，同時結構升溫時能夠伸縮自由。

3 結論

本文以4 座主跨超過400 m 的鋼箱梁斜拉橋中跨合龍控制為背景，對大跨度鋼箱梁斜拉橋中跨合龍的關鍵技術進行研究，得出如下結論：

1）“溫度配切合龍”適用于合龍期間橋址處氣溫穩定，且接近設計合龍溫度的橋梁，反之則建議采用“頂推配切合龍”。

2）吊裝合龍段后的合龍口姿態可根據理論計算進行精確模擬，建議在調整好合龍口姿態后不加壓重，也可不采用臨時勁性骨架鎖定。

3）提出了合龍口寬度連續觀測的測點布置方式，建議采用無線采集設備采集合龍口的結構溫度場，用激光測距儀測量合龍口寬度以提高效率及安全性。

4）提出了合龍段配切長度的計算公式，建議在斜拉橋懸臂施工過程中關注梁長的累計誤差，并通過調整后續制造的梁段長度來消除前期梁長累計誤差。

5）解除塔梁臨時錨固時宜在中跨1#索附近進行壓重，防止解除塔梁臨時錨固后梁體瞬間上臺；頂推鋼箱梁時頂推力和頂推量應通過精確計算確定，并加強防護措施，確保頂推過程中的結構安全。

6）2 道合龍縫的栓焊工作和塔梁臨時錨固的解除工作應在氣溫升高前全部完成，防止焊縫因溫度過高而暴開，同時也保證結構升溫時能夠伸縮自由。