大跨徑塔梁墩固結體系斜拉橋合龍施工技術研究

■許 晟

(福建省高速公路建設總指揮部，福州 350001)

1 工程概況

長門特大橋在閩江下游跨越閩江，橋址區臨近閩江入?？?。主橋全長848m，雙向六車道，橋寬38.5m，橋跨布置及結構形式為 (35+44+66)m＋550m＋(66+44+35)m的雙塔雙索面對稱混合梁斜拉橋，結構體系為“塔梁墩”固結體系。其中，主跨鋼箱梁長度為495m，單側邊跨現澆混凝土箱梁長度為164m，單側鋼混結合段長度為8.5m(混凝土箱梁段3m、鋼混凝土結合段2m、鋼箱梁加強段3.05m、鋼箱梁段0.45m)，橋型布置如圖1所示。斜拉索采用1770MPa、直徑7mm的平行鋼絲，全橋共136根。主塔采用花瓶型。

主跨鋼箱梁采用封閉扁平流線形鋼箱梁，劃分為五種類型，共33個節段。主要輪廓尺寸為：鋼箱梁含風嘴頂板全寬為38.5m，不含風嘴頂板寬為34m，含風嘴底板寬為7.85+22.8+7.85=38.5m，中心處梁高3.22m。合龍段鋼箱梁為E類型梁段，梁段編號為JH梁段，梁長15m，設置4道橫隔板和2道縱隔板。合龍段采用4臺橋面吊機吊裝施工，合龍段梁段重量約為280t。鋼箱梁標準橫斷面如圖2所示。

2 合龍方案研究

對主跨采用鋼梁的斜拉橋(全鋼梁或混合梁)，一般采用兩種合龍方案：

圖1 長門特大橋橋型布置圖

圖2 鋼箱梁標準橫斷面

(1)配切合龍[1]方案。即在施工現場對合龍口進行連續觀測來確定合龍段安裝長度，即時在現場進行配切，以適應合龍口寬度。該方案特點：可在不解除塔梁臨時約束條件下實現中跨合龍。該方案受溫度影響較大，存在合龍段無法嵌入合龍口或焊縫寬度過大難以主動調整等難題。

(2)加載合龍[2]方案。即合龍段按設計理論長度制造，合龍時根據實際溫度，通過在合龍口梁端或橋塔橫梁處施加外力頂推或牽拉來人為調整合龍口間距，以喂入合龍段。該方案特點：不需要改變合龍段尺寸，受溫度影響小，能精確調節合龍口寬度；主梁頂推施工時需釋放塔梁臨時約束，存在一定安全風險，結構頂推變位后不易恢復；隨著跨徑增大，頂推力及限位力相應增大。

2.1 結構體系及受力特點

(1)長門特大橋為國內首例主跨500m以上的雙塔塔梁墩固結混合梁斜拉橋，主梁、塔柱、橋墩互為固結，施工時主梁、塔柱、下橫梁一體澆注，形成整體，不需要設置臨時約束，無論是施工過程還是成橋后的力學行為與漂浮、半漂浮體系的斜拉橋存在一定區別，在合龍過程中不存在塔梁連接的體系轉換問題，無體系轉換的風險。主梁在跨內有多點彈性支承的剛構，優點是結構剛度大，主梁和塔柱的撓度均較小，不需要大噸位支座。 因采用雙塔形式，溫度應力較大[3]。

(2)長門特大橋受地形及通航條件限制，邊中跨比較小(邊中跨比為0.26)。邊跨采用混凝土箱梁，適當增加截面，采用結構性壓重，雙向預應力結構，以克服輔助墩、過渡墩、橋臺負反力，提高結構抗風性能和整體剛度。澆筑時采用支架現澆，在第一根吊索安裝張拉前就完成邊跨合龍。

(3)本橋鋼箱梁采用橋面吊機懸臂拼裝，全橋施工控制采用標高索力雙控法。經分析計算，合龍段吊裝為合龍過程中較不利的受力狀態，圖3和表1所示為合龍段抬吊時結構的索塔、主梁和斜拉索應力狀態。其中鋼箱梁上緣最大應力84.5MPa、下緣最大應力 45.4MPa；混凝土主梁上緣最大應力 8.7MPa、下緣最大應力 8.8MPa，上下緣均未出現拉應力；索塔混凝土最大應力約 10.1MPa，未出現拉應力。

15#～17#斜拉索的塔端最大應力為 488MPa，相應的應力安全系數為3.81。可見，懸臂端索應力安全系數較高，可調余量較大。

圖3 合龍段抬吊時結構應力狀態(單位：MPa)

表1 合龍段抬吊時斜拉索塔端應力及其安全系數

2.2 影響因素分析

(1)溫度

設計基準狀態時合龍段的設計標準長度為 15m，當溫度變化時，合龍口寬度會發生相應改變。經計算，溫度升高+10℃時，合龍口寬度減小約64 mm。

根據現場施工進展情況，在6月份左右實施合龍。根據近3年和近7年的日最高溫、最低溫平均溫度統計，6月上旬近3年的平均最高溫為28.7℃，平均最低溫為23℃，日平均氣溫25.9℃，根據歷史溫度數據分析，預計合龍溫度約 25℃，合龍過程最大溫差約+5℃。

(2)合龍段構造

合龍段鋼箱梁為E類型梁段，梁段編號為JH梁段，梁長15m，設置4道橫隔板、間距 3.188m，2道縱隔板、間距15.2m。合龍段梁段重量約為280t，若采用壓重水箱(含水)，每側水箱(含水)重量需達 139t。

(3)環境條件

長門特大橋在閩江的下游跨越閩江，橋址區瀕臨閩江的入海口，東臨東海。橋位區屬剝蝕丘陵臺地間夾溝谷地貌，呈“U”形，大橋與斜坡坡向近于直交。沿線路軸線與地面相對高差最大為73.96m，地形起伏大。 橋位河槽靠近南岸，最大水深45m，北岸側有120m寬淺灘區域。除臺風影響外，6月份橋址處最大風力5級，東北風居多。

(4)施工條件

橋面吊機采用縱向小變幅橋面吊機，使用分離式雙機抬吊的施工方法，額定最大起吊重量約為180t/臺。合龍段吊裝采用船舶運輸到橋位，由橋面吊機將鋼箱梁提升至橋面進行對位和拼接。 起吊過程所需時間約為3.5h，預計合龍段入口時間為3～4h、環焊縫的焊接時間為7h。起吊安裝過程不可逆轉，需考慮航道安全和運輸船舶安全。

2.3 合龍方案選定

鑒于長門特大橋結構體系及受力特點和上述影響因素分析，主梁不具備頂推條件，因此中跨合龍采用溫度合龍方案。若采用常規的預先鎖定勁性骨架方案，勁性骨架必須有較大剛度，導致勁性骨架體量龐大，且勁性骨架不能承受彎矩，必須預設水箱壓重模擬合龍段重量，兩端起吊的同時，快速釋放壓重水，使勁性骨架承受盡量小的彎矩，導致水箱體量龐大，且放水量大。因此，參考九江長江大橋、沌口長江大橋等特大型斜拉橋的合龍方式，采用無勁性骨架合龍方式，即在合龍段吊入前，合龍口兩端無勁性骨架連接，處于自由狀態，按合龍段起吊重量預調合龍口姿態后，起吊時理論上合龍口自動返回理想合龍姿態，從而可省去龐大的水箱及勁性骨架。合龍段起吊后必須在當夜完成合龍固定工作，盡可能選擇陰雨天氣進行合龍。合龍段鋼梁采用北岸匹配，南岸配切。

3 合龍施工流程

長門特大橋合龍施工流程為：安裝16號梁段、17號斜拉索一張→拆除吊具配重、吊機移至合龍位置→17號斜拉索二張→拆除邊跨支架→通過調整15～17號索長調整合龍口形狀→對合龍口進行48h觀測確定合龍段安裝長度及喂入合龍段時機→合龍段單端配切→起吊合龍段、在溫度合適時喂入合龍口→梁段精度匹配→北岸碼定并焊接、南岸安裝固定消能裝置→南岸固定合龍口→合龍段兩端環焊縫焊接→吊機松吊→恢復15～17號索長至二張狀態。

圖4 合龍段吊裝示意圖

4 合龍施工關鍵技術

4.1 合龍口48h連續觀測

合龍口狀態對氣溫變化非常敏感，存在合龍段無法嵌入合龍口或者焊縫過寬的風險。為確保合龍的可控性，需要對合龍口狀態進行嚴密監控。通過大量的觀測，采用回歸分析的方法，找到預計合龍時溫度對應的合龍段長度。觀測主要內容包括合龍口頂底板寬度、懸臂前端梁段的相對高程。合龍口寬度觀測時應配合索溫、塔溫、梁溫、氣溫觀測；測一次合龍口寬度，就要測一次索溫、梁溫、塔溫，這樣便于進行溫度修正和預測，在溫度穩定時間段還應該配合索力測量。觀測頻率為每2h測量一次，在日出前后2h和日落前后2h測量頻率增加至每1h測量一次，連續觀測48h，可根據觀測情況適當增加測量頻率。

4.2 合龍口姿態調整

當17#索第二次張拉及合龍段起吊后，由于溫度等隨機因素的影響，合龍口姿態有可能偏離理論值，需進行調整，確保合龍段與兩側懸臂端梁段的平順連接。合龍口姿態調整主要包括高程偏差調整和主梁軸線偏差調整，具體措施主要包括調整斜拉索索力、主梁前端施加配重等。

(1)高程偏差調整

合龍口高程調節措施主要是調整中跨15#～17#斜拉索索長(邊跨拉索進行同步調整)，將兩側鋼梁前端左右幅高程調至同一標高，即起吊后設計標高，但仍會存在微小偏差，可以根據情況進行微調：①當合龍口兩側均偏高、或一側偏高另一側適當時，在高的一側以25t汽車吊作為配重進行調整；②當合龍口兩側偏低時，若偏低量小于20mm，計算表明此時對焊縫寬度的影響僅為 2.7mm，不對合龍口端部進行調整。若偏低量大于20mm，通過張拉17#索調整；③當合龍口兩側一側偏高、一側偏低時，若兩側高差小于20mm，計算表明此時對焊縫寬度的影響僅為 2.3mm，不對合龍口進行調整。若大于20mm，則對偏高一側采用汽車吊配重，使兩側高差減小至20mm以下。

(2)主梁軸線相對偏差的調整

合龍口軸線調節通過安裝在兩側16#梁段頂板上的輔助設施完成，將兩側鋼梁軸線調整至同一軸線上。 但由于合龍段長度達15m，在合龍段起吊前，即使將兩岸軸線調節完成也無法鎖定軸線，因此軸線的調節在合龍段吊入合龍口后、臨時鎖梁裝置與主梁焊接前進行。合龍前，南北岸兩側的主梁軸線誤差通過匹配調整控制過程，預先將軸線誤差控制在允許范圍內，合龍時的調整只是針對合龍口兩側主梁軸線的相對偏差。待合龍段吊入合龍口后，測量 N16、S16梁段前端控制點的軸線相對偏差，當相對偏差超出允許值，對合龍口兩側的軸線相對偏差進行調整，經計算，每施加 10kN對拉力，軸線位移量約為3.0mm，結合預測的軸線偏差，只需約40kN的對拉力即可完成軸線調節。

4.3 合龍溫度及配切長度確定

通過連續觀測，確定合龍溫度和合龍段配切長度。合龍段在鋼梁制作廠加工時預先按照設計梁長增加40cm的長度進行制作。合龍段配切采用單端配切，北岸側作為匹配端，南岸作為配切端。合龍段提前到場，得出配切長度后在現場的運輸船上進行配切。合龍段配切放樣時的溫度需接近合龍溫度，避免溫度影響。配切與合龍時溫差為 5℃時，配切長度影響值為：15m×5℃×1.2×10-5/℃=9×10-4m=0.9mm。

4.4 合龍段吊裝 、匹配及焊接

選擇在溫度恒定的陰雨天氣、橋面高程處陣風風速不超20m/s的有利天氣進行合龍段吊裝作業。合龍段在白天起吊至合龍口底部，在當天夜間將梁吊入合龍口。合龍段空中停吊后拉設臨時抗風穩定措施。起吊過程四臺吊機同步協調，每提升5min進行一次梁段調平。首先將合龍段與一側鋼箱梁匹配連接，然后調整合龍段與另一側梁段的相對高差，利用軸線調整裝置調整相對軸線偏差，進行另一側梁段的匹配連接。合龍段與南北岸兩側梁段匹配后即可進行合龍縫的打碼作業。打碼完成后須立刻進行合龍段的焊接，焊接順序首先進行腹板焊接、再進行環縫焊接，環縫焊接從橋軸線向上下游兩側對稱施焊。

4.5 合龍段焊縫寬的調整

合龍時合龍段與兩側16#梁段間隙允許范圍小，單側間隙一般在6～10mm時方可將合龍段吊進，而大于25mm則無法保證良好的焊接質量 (現場焊接工藝試驗，常規焊縫寬度為6～28mm，最大縫寬30mm)。由于合龍段在下午 5：00起吊，起吊時間為 3h左右，因此在起吊和合龍過程中需防范的是合龍段焊縫跨度偏大的問題。由于長門大橋為墩、塔、梁固結體系，采用溫度合龍，合龍口寬度和合龍段焊縫寬度均由溫度決定，難以采取人為措施調整。當合龍段焊縫寬大于焊接要求時，先將北側合龍段焊縫寬調整至適宜寬度，北側臨時鎖梁裝置與主梁焊接，鎖定北側，其后每隔30min測量一次南側合龍段焊縫寬，當焊縫寬度適宜時，快速將南側臨時鎖梁裝置與南側鋼梁焊接，鎖定南側，其后，同時焊接南北側合龍段焊縫。

5 結語

斜拉橋因跨徑大、結構特殊、施工風險大，在選擇合龍方式的時候應充分考慮斜拉橋的結構特點、受力性能、環境和施工條件等多方面因素的影響，選擇合適的合龍方式。經過分析研究，長門特大橋中跨合龍采用了無勁性骨架的溫度配切合龍方案，該方案施工風險小，省去了龐大的水箱及勁性骨架，改善了施工條件，也較好地克服了溫度的影響，對成橋后的線性和受力影響很小，適用于大跨徑墩塔梁固結結構的斜拉橋。

長門特大橋于6月份完成中跨合龍施工，施工過程順利，各項指標均滿足規范要求。