獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋合龍段線形的控制研究

張紹逸，單 煒

(東北林業大學土木工程學院，哈爾濱150040)

獨塔斜拉橋與雙塔斜拉橋相比，由于其良好的經濟效益、有利的受力形式、靈活的橋面布置及便利的施工在我國迅猛發展［1］。鋼－砼疊合梁因兼有鋼材和混凝土的特點，相比于混凝土梁具有更好的力學性能和施工性能，是特大獨塔斜拉橋的發展方向［2］。

目前，我國現有的獨塔斜拉橋形式主要以獨塔混凝土梁斜拉橋為主，其研究成果也較多。而有更好力學性能的獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋由于剛剛發展實橋并不多見，其研究成果也相對較少。由于獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋施工方式有別于常見的獨塔混凝土斜拉橋，且橋梁合龍段的施工又是整座橋梁主體施工的關鍵部位及施工難點［3］。因此有必要探討獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋主跨合龍段的施工控制。

本文以哈爾濱松浦大橋為工程實例，探討了獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋在合龍段線形控制中需要考慮的影響因素，并通過分析給出實際的施工線形控制方法，為類似橋梁施工提供了有價值的技術資料。

1 工程概況

哈爾濱松浦大橋主航道橋為空間雙索面獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋，結構為半漂浮結構體系，其跨經組合為:268+208=476 m，主橋全寬39.3 m。斜拉索采用Φ7鍍鋅高強平行鋼絲成品索，標準強度為1670 MPa，拉索采用雙層PE護套，兩端均采用帶外螺紋的張拉端冷鑄錨。主橋截面以兩箱型主縱梁、橫梁、中間小縱梁及兩側挑梁的鋼結構與混凝土橋面板結合形成鋼－砼疊合梁截面，其中兩組主縱梁橫橋向間距31.8 m，中間設三道小縱梁，橫梁順橋向間距4.5 m，標準節段長9 m。主橋共50個節段，節段之間均采用高強螺栓連接。哈爾濱松浦大橋主航道的施工節段布置圖如圖1所示。

主橋主要工序為:

(1)0#節段采用支架法施工。

(2)邊跨1#～13#節段采用懸臂拼裝法施工，同時邊跨14#～19#節段采用支架法施工。

(3)邊跨合龍。

(4)主跨14#～21#節段采用懸臂拼裝法施工，同時主跨22#～28#節段采用支架法施工。

(5)全橋調索。

(6)主跨合龍。

(7)全橋二次調索。其中合龍段的施工是主動調整成橋線形及結構內力的關鍵施工工序［4］。

圖1 哈爾濱松浦大橋主梁節段施工布置圖Fig.1 The construction layout of Harbin SongPu Bridge composite beam segment

2 線形控制的影響因素分析

2.1 溫度的影響

溫度場對超大跨度斜拉橋的影響顯著，特別是疊合梁斜拉橋。主梁采用了不同傳熱屬性的兩種材料，不同的溫差引起不同的溫度效應。且合龍段施工時懸臂端一般較長。在懸臂端的最大處，隨著溫度的變化疊合梁上下緣溫差增大，橋梁縱向累加的位移和豎向累加的撓度不斷增大，當溫度趨于穩定時疊合梁上下緣溫差逐漸減小，橋梁縱向累加的位移和豎向累加的撓度不斷減小［5］。因此，應選擇一天中溫度最穩定的時段進行合龍，選擇合理的時間能夠減少因溫度累加的縱向位移和豎向撓度。

2.2 合龍段兩側高程的影響

合龍段兩側的較大的高差，將會給合龍施工帶來難度。而斜拉橋合龍節段相比于懸臂端長度較短，本橋懸臂端長度達180 m，而合龍段長度在一節梁長9m左右。合龍施工時線形的調整余地較小［6－7］，需要在合龍前嚴格控制合龍段兩側的高差。通過調整配重及斜拉橋索力使合龍段兩端線形標高保持一致。

2.3 合龍段尺寸的影響

大跨度獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋，其合龍段的尺寸要留有一定的富裕，避免因合龍段施工造成結構的施工應力。因此，要保證無應力合龍，即保證合龍施工不引起后期結構產生永久性次內力。

2.4 自身結構特點的影響

大橋采用懸臂拼裝法施工，在進入LZ21段(合龍段)施工時，由于疊合梁自身結構形式如圖2所示。LZ20段索預制在懸臂端最外側，而LZ20段的橫梁預制在LZ20段的中間位置，在張拉Z20兩側索力時，由于兩側索中間無橫向連接，而橫向連接在偏里處，故LZ20段易形成“外八字”形式，對合龍段的施工帶來很多不便。為保證順利合龍，故在合龍段兩側橫向連接時采取一端固定一端活動的簡支形式，待所有橫梁安裝完畢再進行固定。

圖2 疊合梁橫斷面布置圖Fig.2 Composite beam cross－section layout

3 合龍段施工控制

3.1 合龍時溫度選擇

繪制“時間—氣溫”曲線表。每2 h對梁的長度觀測一次長度變化，根據溫度變化詳細做出鋼梁長度的變化記錄。找出“時間—氣溫—梁長”的變化規律，選擇一個溫度較低且變化相對穩定的時間段作為合龍時間，并確定該時間段的鋼梁合龍長度。根據資料合龍溫度確定在17±2℃，合龍時間在0時左右。

3.2 合龍段兩側高程調整

獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋中跨合龍的關鍵就是調整兩邊高程到差值符合范圍內。主要通過調整配重以及索力的方法來解決這一問題。由于大橋是獨塔非對稱體系，主塔兩端跨長不等，導致重量必然不等。需在邊跨9#～15#節段間加設基本配重，使主塔兩側受力平衡。而主跨合龍后，南岸22#～28#節段的重量突然加載在主跨側使主塔受力再次失衡，故需提前在邊跨進行二次配重使合龍后主塔受力平衡，保證標高與設計標高相符。在合龍前各節段施工中，應逐段調整兩側中線的偏差，對于最終的少量偏差采用附加配種以及調整索力的方法進行微調。索力張拉分四級張拉，從而使合龍段兩側高差與理論值保持一致，避免引起結構的附加應力，實現“無應力”合龍。索力調整值及合龍段兩側高程差見表1和表2。

3.3 鋼箱梁尺寸控制

為保證鋼梁順利合龍，LZ21、LZ20拼接口所有拼接板均半邊出孔，另一半在施工現場鉆孔。LZ20梁段上跨中開臨時人孔，以利合龍作業，合龍后焊接封堵。合龍段LZ21錨箱位置以遠塔端為基準按設計圖給定的位置組焊。箱梁兩端四角蓋腹板間焊縫，工廠均甩400mm長度不焊，合龍拼接后焊接、探傷，以符合實際要求。LZ21在工廠加工時，將合龍口處加長200mm并在工廠鉆孔。再根據確定的合龍溫度，以及現場實測合龍口測量數據，確定合龍段鋼梁的長度及螺栓孔群位置，現場切割用以完成鋼箱梁的預制工作。

表1 索力調整值Tab.1 Cable force adjusting values

表2 合龍段 (LZ21)兩側高程值Tab.2 Closure segment(LZ21)elevation value on both sides

3.4 合龍段拼裝控制

主跨合龍時，應預先通過索力調整，使合龍段兩端的主梁標高和軸線偏差在誤差允許的范圍內，必要時對主梁進行壓重，使合龍段兩端標高水平。根據確定的合龍段安裝時間，將合龍段主梁LZ21吊入合龍口內，主跨合龍段LZ21－LZ22拼接口的拼接板按正常方式進行拼裝。用沖釘和臨時螺栓進行定位，等到預定的合龍溫度時，施擰高強螺栓。LZ20－LZ21拼接口采用LZ20側未鉆孔的拼接板。在合龍口處用型鋼和高強螺栓將腹板校平，安裝頂板、底板、腹板處的臨時匹配件，用高強螺栓緊固。當拼接口對齊后，迅速將頂板和底板用型鋼連接，并根據設計要求的焊接質量焊連。等到預定的合龍溫度時，解除腹板上的型鋼，對照LZ20主梁螺栓孔用劃針將螺栓孔位劃在拼接板上，確定腹板螺栓群的位置，用磁力鉆按照主梁螺栓孔的位置進行鉆孔。將鉆孔后的拼接板取回安裝，施擰高強螺栓。再解除頂板和底板的臨時連接件，確定螺栓群的位置，安裝鉆孔后的頂板和底板的拼接板，并完成高強螺栓的施擰，從而保證合龍段的順利合龍。

3.5 體系轉化

結合大橋塔墩固接而主梁飄浮的結構特點，體系轉換有兩種不同做法［8］:一是先飄浮再合龍，二是先合龍再飄浮。為保證大橋在沒有附加應力的情況下進行合龍，本橋采用先飄浮再合龍的施工順序，優點是與設計的理想狀態更為吻合，不足是飄浮后縱向位移大，給合龍施工增加難度。斜拉橋主跨合龍支座體系轉換分兩步進行。

(1)LZ21與LZ22節段合龍口安裝拼接板前，應解除江南岸側支架與32#墩柱的連接。

(2)LZ21與LZ20拼接口的頂板和底板用臨時連接件連接后，應立即拆除PM32支座的臨時固結型鋼，使斜拉橋呈懸浮狀態，完成體系轉換。

4 控制方案成橋結果分析

根據以上的分析，對合龍段線形進行控制，但還是會受溫度、施工過程和施工荷載等因素的影響，對橋梁進行實際的數據分析見表3。后一節段的安裝定位標高H安，按下式計算:

式中:H為某一節段前端的設計標高;Y1為成橋預拱度包括成橋后產生的位移和活載預拱度兩部分;Y2為主梁施工過程中此點的變形 (向下為負);H修為安裝定位標高修正值。

表3 部分橋面高程值比較Tab.3 Comparison of partial bridge deck elevation values

從合龍段線形控制的結果分析表明，橋梁頂面的高程控制較好，橋面測點的標高與計算值均在允許誤差±20mm以內，且最終成橋線形良好。

5 結論

獨塔鋼－砼疊合梁斜拉橋合龍段線形的影響因素主要有溫度、合龍段兩側高差和合龍段尺寸等。對影響因素進行分析后，通過確定合龍溫度、調整配重及索力、控制鋼箱梁的尺寸及拼裝控制、體系轉換等方法對線形影響因素進行控制，結果表明，橋面測點的標高與計算值均在允許誤差±20mm以內線形控制滿足設計規范要求。這標志著哈爾濱松浦大橋合龍施工控制方法做得十分精確，為以后類似橋梁合龍提供了非常保貴的經驗和實踐數據。

［1］樓莊鴻.國內外橋梁的現狀和發展趨勢［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］ 劉 軍，張 哲，李文武.鋼－混疊合梁有限元分析［J］.山東交通學院學報，2009，17(1):36 －39.

［3］杜細春，大跨PC剛構—連續組合梁橋合龍技術研究［D］.武漢:武漢理工大學，2006.

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［5］姚陶榮，程海根.T型剛構橋兩種合龍方案對施工控制的影響［J］.四川理工學院學報(自然科學版)，2008，21(6):95 －98.

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［7］陳 濤.公路斜拉橋合龍方案及其控制［D］.大連:大連理工大學，2002.

［8］喻 璐，王翊波.重慶馬桑溪長江大橋合龍方案設計［J］.重慶交通學院學報，2003，22(2):10 －14.