混和梁斜拉橋中跨加載合龍施工技術

盧勇，楊培誠

（1.中交第二航務工程局第五工程分公司，湖北 武漢 430012；2.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江 溫州 325038）

1 斜拉橋合龍方法綜述

合龍是斜拉橋施工的重要環節之一，其施工質量直接影響成橋線形和應力。目前國內外已建成的中跨為鋼箱梁（全鋼箱梁或混合主梁）的斜拉橋合龍方式主要有以下兩種：

1）溫度配切合龍：即配切合龍段長度以適應實際溫度情況下的合龍口寬度。此法國內應用較多，優點是合龍速度快，對合龍梁段加工精度要求不高；缺點是合龍溫度與設計基準溫度不符時，會在主梁內殘留應力，影響成橋線形，且合龍受環境溫度影響大，主動性差。典型工程有武漢軍山長江大橋、南京長江二橋、南京長江三橋等。

2）加載合龍：又稱“頂推合龍”，即合龍段按設計長度制造，通過施加頂推力調節合龍口寬度以適應合龍段長度。此法國外應用較多。國內的蘇通長江大橋首次采用，其是利用塔梁臨時約束的縱向固結索將合龍口兩側梁體向岸側拉移，合龍段嵌入合龍口后同步放松縱向索，使梁體回移到位從而實現合龍。該法優點是合龍不受環境溫度影響，理論上可全天候進行合龍，成橋線形和應力與設計目標符合較好；缺點是對合龍段制造精度要求較高，頂推量過大時，存在施工風險。

2 工程概況

鄂東長江公路大橋位于長江湖北黃石水道，主橋為跨徑（3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5）m 的九跨連續雙塔雙索面半漂浮體系混合梁斜拉橋，主梁中跨采用PK斷面鋼箱梁，邊跨采用與中跨同斷面外形的混凝土箱梁，鋼混結合面設在中跨側距索塔中心線12.5m處。主橋結構詳見圖1。

圖1 鄂東大橋主橋總體布置圖

從邊跨混凝土梁端部至跨中，鋼梁部分依次劃分為：鋼混結合段M0、特殊梁段F1、標準梁段E2～A30、中跨合龍段G。斜拉索索面按不對稱扇形布置，每一扇面均由江側的J1～J30以及岸側的A1～A30共30對拉索組成。

3 鄂東大橋中跨合龍方案研究

3.1 與中跨合龍有關的特殊條件

1）如圖2所示，由于邊跨為混凝土箱梁，為保證邊跨掛索前主梁線形和結構安全，邊跨現澆支架拆除后，仍有12排，每排6根，共72根φ1200×14鋼立柱直接支撐在箱梁底部。

圖2 邊跨保留支架布置圖

2）斜拉索扇面為不對稱布置，主梁受到中、邊跨索力差產生的向跨中的水平力。該水平力在合龍前由塔梁臨時約束承受，臨時約束由設置在索塔下橫梁頂、邊跨混凝土箱梁底的擋塊以及擋塊之間的HW400×400型鋼撐桿構成，詳見圖3。通過計算分析可知，主梁水平力在剛解除臨時約束時為4765 kN，隨著向跨中位移量的增大（拉索角度變化）而減小。

圖3 塔梁臨時約束結構

3）中跨合龍時間在2010年4月初，根據對黃石地區最近9年的氣象資料的分析，合龍時具備低于設計基準溫度20℃的窗口條件。

4）由于中跨合龍段較短，僅4.6m，如果采取抬吊的方式，合龍口南、北兩側的橋面吊機存在沖突，因此合龍段只能采取由北側橋面吊機單邊起吊方式。

3.2 中跨合龍總體思路

圖4是分別采取溫度配切和加載兩種合龍方式對成橋線形及索塔塔偏的影響。從圖中可以看出，采取加載合龍時的主梁線形及塔偏均優于溫度配切合龍，這是因為加載合龍通過合龍口寬度的調整，部分抵消了合龍溫度的影響，合龍后的結構狀態與設計基準溫度時接近。

圖4 兩種合龍方式對成橋的影響

大跨徑斜拉橋合龍方案的選擇與其施工監控理論密不可分。鄂東大橋是一座主跨千米級的混合主梁斜拉橋，具有剛度小、非線性效應明顯、結構受溫度與風振影響顯著等特點，采用傳統的“索力、標高控制法”已遠不能滿足精度要求，上部結構采用幾何法進行施工控制。通過計算分析和綜合比較，中跨采取加載（頂推）合龍與監控理論一致，能較好地保證成橋線形和應力。

但即使采取加載合龍方案，對于鄂東大橋而言，也受到合龍溫度限制，原因在于如果合龍溫度超過設計基準溫度20℃，需要將主梁向邊跨側頂推時，必須同時克服中、邊跨不平衡索力差以及邊跨支座摩阻力，這樣頂推力將達10000 kN以上，在混凝土箱梁上設計大噸位頂推力施加的臨時結構較困難，結構安全和施工安全不易保證。

綜上所述，確定鄂東大橋中跨合龍總體思路：合龍段按設計尺寸制造；利用低于20℃的溫度窗口將合龍段起吊嵌入合龍口，先完成北側環縫的匹配；然后同步解除塔梁臨時約束，施加向跨中的頂推力，使主梁在頂推力以及中、邊跨不平衡索力差產生的水平力的作用下向合龍口移動，使南側環縫閉合并滿足匹配條件；最后利用夜間溫度較穩時段進行兩條環縫的焊接，完成合龍。考慮到邊跨保留鋼立柱對頂推合龍會產生不利影響，合龍前需拆除。

3.3 頂推力計算

3.3.1 合龍溫度

通過統計和分析黃石地區2007—2009年4月初每日溫度資料，確定合龍溫度為13.5℃。

3.3.2 頂推位移量

表1為不考慮主梁施工誤差及截面溫差造成的縫寬差異時，各種溫度條件下主梁單側需向跨中頂推的位移量，合龍溫度為13.5℃時，位移量為36mm。

表1 頂推位移量計算

3.3.3 頂推力計算

根據前面所述的合龍思路，中邊跨不平衡索力差產生的水平力對頂推合龍是有利的，邊跨混凝土箱梁的支座摩阻力是阻止主梁向跨中移動的，故有：

頂推力＝邊跨支座摩阻力－中邊跨不平衡索力差產生的水平力

其中：不平衡索力差產生的水平力是一個變化值，在解除塔梁臨時約束時為4765 kN，隨著向跨中位移量的增大而減小，當單側位移量達到36mm時，水平力減小至3072 kN。

邊跨球形鋼支座的摩擦系數通過試驗獲得，如表2。根據摩擦系數和各墩支反力計算得邊跨支座最大靜摩阻力為6347 kN。

由此計算得：頂推力=（6347-4765）～（6347-3072）=1582～3275 kN。即啟動頂推力為1582 kN，頂推到位時的最大頂推力為3275 kN。

值得注意的是，邊跨支座摩阻力是按“初始靜摩擦系數”計算而得的最大靜摩阻力，而摩擦系數有一定的離散性（如表2），如果取數值較小的“動摩擦系數”，則邊跨支座摩阻力＜中邊跨不平衡索力，即解除塔梁臨時約束后，不施加頂推力，主梁就會向跨中移動，因此在跨中側擋塊處必須采取適當限位措施，防止主梁突然前沖。

表2 邊跨支座摩擦系數試驗

4 中跨合龍施工及關鍵技術

4.1 中跨合龍施工過程

步驟一：調整J27～J29拉索至合龍索長（調整合龍口線形所需的索長），J30拉索在二張時直接張拉至合龍索長；卸除邊跨混凝土箱梁保留鋼管支撐；在南北兩側A30梁端施加等代壓重。

步驟二：南側橋面吊機在吊裝A30鋼箱梁的位置保持不動；北側橋面吊機更換合龍段吊裝吊具，前行至吊裝合龍段位置。

步驟三：對合龍口進行48 h連續觀測；微調合龍口，完成合龍口橫橋向和豎向的鎖定（順橋向放松）。

步驟四：合龍梁段根據觀測結果換算成設計基準溫度下的合龍口寬度進行精加工，運輸至橋位；卸除北側A30梁端等代壓重；起吊合龍段進入合龍口，與北側A30梁段匹配。

步驟五：解除塔梁臨時約束，合龍口兩側主梁向跨中移位；合龍段與南側A30梁段匹配；鎖定合龍口縱橋向。

步驟六：合龍段兩條環縫同時施焊，橋面吊機松吊，焊接設備和檢查小車回退至塔梁根部；移除南側A30梁端等代壓重，恢復J27～J30拉索至設計二張索長。

中跨合龍段于2010年4月6日14∶20開始起吊，16∶05起吊到位，17∶15解除塔梁臨時約束，19∶10完成合龍段匹配并開始縱向鎖定，整個過程歷時5 h，十分順利，并于7日8∶00完成合龍段環縫的焊接。施工過程見圖5。

圖5 中跨合龍施工過程

4.2 中跨合龍關鍵技術

4.2.1 合龍口形態調整及監測

合龍口形態（高差及頂底口寬度差）采用調整中跨最后4對拉索索力及局部施加配重實現，這是基于鄂東大橋施工監控采用無應力控制法，施工期的索力增量及臨時荷載的變化，理論上對大橋成橋后無影響。在合龍完成后卸除局部配重并恢復拉索至設計二張索長。

合龍口監測目的：確定累積梁長及合龍口形態與溫度變化的關系。

監測內容：合龍口寬度以及主梁懸臂前端7個梁段的相對高程，同時測量大氣溫度、鋼箱梁內表溫度和索溫、塔溫。

監測頻率：每2 h測量1次，在日出前后2 h和日落前后2h每60min測量1次，連續觀測48h。

根據監測數據，推算在設計基準溫度20℃時的合龍口寬度，以此寬度確定合龍段的下料長度。

4.2.2 合龍口鎖定

合龍口的鎖定裝置為設在兩側A30梁段上的勁性骨架，由4根2[40與HW150組成型鋼桁架結構，具有良好的豎向及橫向抗彎剛度，能夠保證在頂推完畢后主梁的軸線偏位、合龍口形狀基本保持初步調整后的狀態。勁性骨架分為兩段加工，其中固定段焊接在北側A30箱梁錨腹板上，伸縮段附著在南側A30箱梁錨腹板上，隨A30梁段一起運至現場、整體吊裝。合龍口形態調整完后，鎖定勁性骨架的橫橋向、豎向自由度；頂推到位并完成合龍段匹配后，鎖定勁性骨架的順橋向自由度，以保證合龍段環縫焊接不受溫差的影響，見圖6。

圖6 合龍口勁性骨架及鎖定

4.2.3 塔梁臨時約束解除

塔梁臨時約束解除是實現加載合龍的關鍵環節，南、北岸塔梁約束應同步解除，見圖7。

圖7 塔梁臨時約束解除

第一步：中、邊跨的不平衡索力使得邊跨側的型鋼撐桿已與擋塊脫開，可先行拆除；

第二步：在跨中限位擋塊之間安裝4臺200 t千斤頂，每道擋塊布置2臺，同時在千斤頂兩側設置限位器，以防止千斤頂失效、主梁突然前沖，限位器一端與擋塊之間放置4～5塊20mm鋼板；

第三步：同步頂撐千斤頂，拆除跨中側的型鋼撐桿，將不平衡索力轉換由千斤頂承受；

第四步：同步緩慢回縮千斤頂，同時抽取限位器鋼板，使限位器與擋塊之間始終有5mm左右空隙。在合龍口監測主梁位移量，直至合龍縫閉合并滿足匹配要求，最后鎖定千斤頂。

事實證明，解除塔梁臨時約束后，千斤頂縮缸，主梁就開始向跨中移動，整個合龍過程沒有再額外施加頂推力，這說明在頂推力計算時“邊跨支座摩阻力”取值偏于保守，在跨中側擋塊之間設置限位措施防止主梁突然前沖是很有必要的。

5 結語

混合梁斜拉橋以其獨特的構造和技術特點，滿足了大跨度、建設條件及經濟性的要求，在千米級乃至更大跨度斜拉橋方案中具有獨特的競爭優勢。因此，開展混合梁斜拉橋建造技術研究具有重要的現實意義。

斜拉橋合龍應綜合考慮橋梁結構特點、力學特性、預計合龍時間以及工藝實施的風險等諸多因素，在理論分析的基礎上制定切實可行的方案。鄂東大橋邊跨混凝土梁存在支座摩阻力，且中、邊跨索力不平衡在主梁上產生指向跨中的水平力，從而使合龍口兩側主梁向邊跨側頂推較難實施。鑒于此，制定了在低于設計基準溫度時將合龍段嵌入合龍口、利用不平衡索力使合龍口閉合的合龍方案，避免了施加較大頂推力的施工風險，實現了幾何合龍，滿足無應力施工控制方法的要求，對同類型橋梁具有借鑒指導意義。

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