大跨雙塔單側混合梁斜拉橋中跨合龍施工控制方法研究

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的發展，混合梁斜拉橋因其具有跨度大、經濟性好等優勢從而脫穎而出，得到了工程師的青睞[1]。作為混合梁斜拉橋施工控制的關鍵，合龍施工控制決定了主橋的實際成橋線形及內力狀態能否達到設計要求[2-3]。混合梁斜拉橋的合龍施工方法有溫度配切法和幾何控制法兩種，兩者最大的區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節合龍口寬度來完成合龍[4]。具體該采用哪種方法，應結合實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，分析大跨雙塔單側混合梁斜拉橋中跨合龍的施工流程與關鍵技術難點，研究大跨雙塔單側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構體系。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-混結合面位于離北塔中心線26.5 m的中跨側，北邊跨為預應力混凝土箱梁，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-混結合段及混凝土梁高3.822 m，箱梁全寬38.5 m，到索塔區縮小到35.98 m。中跨合龍段長為12.4 m，吊裝質量為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。主橋斜拉索采用強度1 770 MPa低松弛高強平行鋼絲束，索面呈扇形分布，每個索面由26對高強度平行鋼絲斜拉索組成，順橋向標準間距為15 m，北邊跨混凝土箱梁段標準索距為7.5 m，南邊跨鋼箱梁尾索區標準索距為12 m，全橋共4×26對斜拉索，最大索長為440.138 m(SJ26號斜拉索)，最大規格為PES-367，單根索最大質量為48.388 t(NJ26號斜拉索)。

2 合龍施工流程及技術難點

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、梁之間設置頂推裝置，通過頂推南邊主梁來調節由于溫度影響而引起的合龍段長度與合龍口寬度的差值，同時考慮預留一定的合龍操作空間，從而保證在不同的溫度下均可實現合龍成橋目標狀態，以解決在較大的溫度范圍內合龍段均能夠順利嵌入合龍口的問題。

采用幾何控制法進行中跨合龍的具體施工步驟為：①北岸的橋面吊機在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定頂推行程向岸側頂推并鎖定；②南岸的橋面吊機提升合龍段至NZ26號梁段下方，將合龍段嵌入合龍口，利用橋面吊機調節合龍段縱坡，對合龍段與NZ26號梁段進行初匹配，測量標高與縫寬；③調節合龍段與SZ26號梁段相對軸線，對合龍段與NZ26號梁段進行精匹配，鎖定臨時連接件及拉壓桿，橋面吊機緩慢卸力，使合龍段與SZ26號梁段標高齊平，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難點為：①本橋為超大跨單側混合梁斜拉橋，屬于塔、梁不對稱結構體系，在合龍前要對最大懸臂狀態結構線形及內力進行嚴格控制，并準確計算出合龍段的無應力制造長度；②分析混合梁斜拉橋各構件對溫度的敏感性，研究索、梁、塔結構的溫度效應變化規律，結合實測數據提出合龍時索、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系，根據合龍溫度確定頂推行程[7]。

3 合龍施工控制研究

3.1 合龍段無應力制造尺寸

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

合龍段無應力制造尺寸可由以下步驟來確定[9-10]：①根據合龍段的施工工期安排，預測實際合龍溫度；②在24號梁段精匹配完成后，對懸臂端兩側測點進行24 h溫度影響監測，得到主梁加權溫度與測點坐標之間的關系，然后通過最小二乘法計算出擬合直線的待定參數，求出測點在任何加權溫度下的坐標值；③計算測點坐標在設計基準溫度下實測與理論的差值，得到相應的誤差值；④計算在預測合龍溫度下懸臂長度的修正值，將在基準溫度下的測點坐標誤差值轉換成預測合龍溫度下的測點坐標誤差值；⑤在工廠里下料切割與制造。

根據測量數據及相應計算，得到主跨合龍段在設計基準溫度下的制造尺寸。合龍段無應力制造尺寸參數見表1和圖2。

表1 合龍段無應力制造尺寸 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律

混合梁斜拉橋的鋼箱梁、混凝土箱梁、主塔及斜拉索等構件受日照的影響，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件溫度變化情況。石首長江公路大橋實測溫度場變化見圖3。從圖3的實測數據可知，從08：30-23:20，各個時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，但全橋各結構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，鋼箱梁主體結構采用結構鋼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，熱膨脹系數也不一致，因而溫度引起的變形也不相同。當石首長江公路大橋主橋處于最大懸臂狀態時，通過控制索、梁比塔高10 ℃，梁比索、塔高10 ℃這2種情形進行結構敏感性分析。溫度變化引起的主梁標高變化曲線見圖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林髁簶烁呋静皇軠囟茸兓绊懀撓淞簶烁咦兓畲笾蛋l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生的彎矩作用最大。斜拉索索力變化主要發生在南北塔附近，由于這個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，索力最大變化量發生在NJ01號索，為-311 kN；在梁溫度比索、塔高10 ℃時，索力最大變化量發生在NA02號索，為-23 kN。

由圖3可知，在23：20時，鋼箱梁跟斜拉索的溫度基本一致，比主塔溫度大約高3 ℃。在實際施工中，一般在鋼箱梁跟斜拉索、主塔相差1 ℃左右時開始合龍，此時最大標高影響量大約是梁、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節通過在南塔設置頂推裝置來完成。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計溫度時產生的梁段伸縮量，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表

總的頂推力由三部分組成：南塔斜拉索產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。經計算，頂推行程與頂推力的關系為11.45 kN/mm。如當合龍溫度為20 ℃時，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進行起吊。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)

按照預定的頂推行程，利用南塔側頂推裝置將南塔鋼箱梁梁段整體向南岸邊跨側縱移，利用南岸側橋面吊機吊裝合龍段，溫度合適時，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，根據監控指令調整北岸鋼箱梁高程及軸線，完成精匹配，安裝拉壓桿進行臨時鎖定。通過橋面吊機緩慢卸力調整合龍口兩側主梁T1、T3點的相對高差使合龍段與SZ26梁段標高齊平，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。

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

4 成橋線形及內力

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

圖7 成橋狀態下實測線形與理論線形的誤差圖

圖8 成橋狀態下實測索力與理論索力的偏差圖

5 結語

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混合梁斜拉橋中跨合龍的施工流程與關鍵技術難點，研究了大跨雙塔單側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論。

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

2) 通過對索、梁、塔間溫差效應的有限元分析，可以確定中跨合龍的最佳溫度。

3) 通過在南塔設置頂推裝置來調節合龍口寬度，并計算頂推行程跟頂推力間的關系，可使合龍段順利嵌入，最終實現橋梁中跨高精度合龍。