滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋鋼梁合龍方案研究

張文斌

(1.中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430050； 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034)

1 工程概況

滬蘇通長江公鐵大橋[1]主航道橋采用雙塔斜拉橋方案，主跨跨度1 092 m，計算孔跨布置為：140 m+462 m+1 092 m+462 m+140 m=2 296 m。橋型布置見圖1，斜拉索采用直徑7 mm平行鋼絲拉索，標準抗拉強度為2 000 MPa，配合主梁三桁結構，拉索采用三索面布置。主梁采用三主桁、箱桁組合結構，鋼桁梁標準節段見圖2。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

圖2 鋼桁梁標準節段

標準段主梁邊桁桁高16.0 m，中桁桁高16.308 m，桁寬2×17.5 m，桁式采用“N”形桁，節間距14 m。每個主桁節點均設有橫聯。主梁上弦平面采用公路正交異性整體鋼橋面板，主梁下弦采用鋼箱作為鐵路整體橋面，公路橋面、鐵路橋面參與主桁共同受力。邊跨側252 m范圍公路橋面采用帶有混凝土橋面板的組合截面，通過增大結構自重平衡輔助墩處支座負反力，結合段主梁邊桁桁高為15.505 m，中桁桁高15.813 m。

2 全橋合龍順序

主航道橋鋼梁采用整節段制造、架設。其中主塔墩頂各分為5個單節段，輔助墩頂各分為3個單節段，邊墩頂各分為1.5個節間非標節段，采用1 800 t浮吊架設；其余節段均采用1 800 t架梁吊機懸臂吊裝。全橋5跨，包含2個輔助跨、2個邊跨、1個主跨，共計5個合龍口。由于南北側鋼梁施工進度并不同步，為盡快實現中跨合龍，降低大懸臂施工風險，需要將原設計的“先邊跨、后中跨”的合龍方案[2]進行適當調整，經設計認可后，全橋實際合龍施工順序為：27號墩輔助跨合龍→26號墩邊跨合龍→30號墩輔助跨合龍→主跨鋼梁合龍→31號墩邊跨合龍。

3 邊跨側鋼梁合龍口監控目標

滬蘇通橋主航道橋鋼梁均為整節段架設，墩頂鋼梁無法通過架梁吊機進行水中垂直取梁。因此，輔助墩墩頂3個節間鋼梁及邊墩墩頂1.5個節間鋼梁均采用浮吊提前架設到位，墩頂鋼梁的架設高程直接影響后期與懸臂施工鋼梁能否順利合龍。

由于鋼梁懸臂施工過程中，鋼梁前端會產生下撓，同時考慮墩頂墊石高度的影響，施工時輔助墩及邊墩墩頂鋼梁初始架設高程整體較設計高程低30 cm，以此作為監控計算其中的一個邊界條件。輔助跨鋼梁合龍口狀態見圖3。

圖3 輔助跨鋼梁合龍口狀態

斜拉索對稱掛設至26號索，墩頂Z9～Z11節段整體往邊跨側預偏3.0 m，為合龍段Z12～Z13的安裝讓出起吊空間。合龍時通過控制雙懸臂對稱架設張拉索力，保持主塔豎直，懸臂端高程控制按E12節點相對設計高程撓度不超過300 mm。

邊跨鋼梁合龍口狀態見圖4。26號墩側邊跨合龍時斜拉索對稱掛設至34號索(由于主跨鋼梁尚未合龍，架梁吊機影響了35、36號斜拉索的掛設)，31號墩側邊跨最后合龍，斜拉索可掛設至36號索，墩頂Z0～Z1節段均預偏1.0 m。通過控制張拉索力和輔助墩起頂位移，控制懸臂端E2節點在設計高程以下30 cm以內。

圖4 邊跨鋼梁合龍口狀態

4 合龍計算分析

合龍施工以對合龍口敏感性分析計算為基礎，通過控制已掛設斜拉索索力大小及均衡性、配合壓重、布設張拉起頂等合龍措施，調整合龍段鋼梁軸線偏位、合龍口鋼梁節點豎向、縱向位移，實現合龍口兩側弦桿豎向高程與轉角一致，然后合龍。

4.1 輔助跨合龍計算

輔助跨合龍時，鋼梁以主塔為中心處于對稱雙懸臂狀態，主塔處設置縱向及橫向限位，支座位置設置豎向限位。根據有限元軟件施工階段分析[3-4]：①27號墩側E12節點豎向下撓為90 mm，下弦軸向變形110 mm，上弦軸向變形63 mm，豎向轉角0.289%，28號墩塔頂向中跨側偏86 mm；②30號墩側E12′節點豎向下撓為1 mm，下弦軸向變形103 mm，上弦軸向變形77 mm，豎向轉角0.162%，29號墩塔頂偏位為0 mm。上述計算均將豎向撓度控制在300 mm以內，2個撓度不一致的原因為29號墩主塔此時尚未封頂，對塔頂的偏位要求高及結合段公路橋面板的安裝時機不同。

以上述計算狀態為基礎，對鋼梁局部壓重、溫度變化、長索索力調整等合龍調節措施進行27號(30號)墩側輔助跨合龍口敏感性分析，具體分析計算結果見表1。

表1 27號(30號)墩側輔助跨合龍口敏感性分析 mm

4.2 邊跨合龍計算

根據施工進度安排，26號墩側邊跨合龍時，主跨尚未合龍，結合段已安裝10個節間公路橋面板，每個節間滿鋪12塊；主跨合龍后，31號墩側邊跨合龍，為保證29號墩塔梁同步施工時的垂直度，此時該側結合段僅安裝8個節間公路橋面板，且每個節間只安裝4塊。

26號墩側斜拉索僅掛設至S34，合龍口懸臂5.5個節間，見圖4邊跨鋼梁合龍口狀態，需配合輔助墩起頂70 cm，此時，E2節點向上變形182 mm，下弦軸向變形170 mm，上弦軸向變形100 mm，豎向轉角0.434%，28號墩塔頂向邊跨側偏85 mm。

主跨合龍后，斜拉索掛設至S36，31號墩側邊跨合龍，此時30號輔助墩需起頂40 cm，E2′節點向上變形89 mm，下弦軸向變形232 mm，上弦軸向變形190 mm，豎向轉角0.26%，28，29號主塔均往邊跨側偏位，分別為183，114 mm。

同理計算26號(31號)墩側邊跨合龍口敏感性，結果見表2。

表2 26號(31號)墩側邊跨合龍口敏感性分析 mm

4.3 主跨合龍計算

跨中合龍時，28號塔側主跨架設至Z81節段，200 t汽車吊隨同Z81節段一同吊裝到位，作為后期拆除架梁吊機之用，邊跨全部架設完成，并完成公路橋面板結合；同時，為了控制主塔偏位，輔助墩起頂54 cm，并將輔助墩處起落頂作為調整合龍口位置的措施之一。

29號塔側完成輔助跨合龍，邊跨側架設至Z4～Z5節段，主跨側架設至Z81′～Z82節段，邊跨公路橋面板未吊裝，輔助墩起頂15 cm，斜拉索均掛設至34號，主跨合龍口狀態見圖5。

圖5 主跨合龍口狀態

此時，合龍口兩側計算高差6 mm，豎向轉角分別為0.017%，0.031%，滿足合龍條件。在此基礎上計算分析主跨側壓重、對拉、長索拔出和鋼梁整體縱向頂推及輔助墩起頂等調整措施對合龍口豎向位移和上、下弦軸向位移的影響，主跨合龍口敏感性分析結果見表3，用于指導主跨合龍時的微調。

表3 主跨合龍口敏感性分析 mm

續表3

5 合龍施工措施

5.1 邊跨及輔助跨合龍措施

為便于鋼梁合龍施工，主要采取以下施工措施。

1) 墩頂鋼梁預偏。高程方向均較設計高程低30 cm；在縱橋向，輔助墩鋼梁預偏3.0 m，邊墩頂鋼梁Z0～Z1因引橋側空間有限，預偏距離不夠，合龍口處的斜桿預留6.0 m嵌補段在上、下弦桿對接完成后拼裝。

2) 合龍口桿件對接順序。輔助跨按“下弦→斜桿→上弦”的順序逐步對接合龍[5]；邊跨合龍口斜桿因預留嵌補段，斜桿最后對接。

3) 墩頂節段線形調整。通過布置在墩頂的水平、豎向千斤頂調整合龍口的高程、轉角及縱向間距。

4) 懸臂端線形調整。根據監控計算及敏感性分析數據，指導吊機壓重對臂端鋼梁線形進行微調。

5) 合龍口栓孔偏差調整措施。合龍口鋼梁合龍螺栓孔對位時，為消除因鋼梁自重及架梁吊機站位引起的合龍口兩側鋼梁變形差異，將栓孔偏差控制在1 mm以內以便插打沖釘。按照鋼梁懸臂架設過程布置的大節段對位措施，在合龍口兩側布置對拉、反壓、斜向交叉對拉及斜桿對拉倒鏈實現栓孔偏差的調整。

6) 輔助墩起頂。在邊跨合龍前，通過輔助墩墩頂鋼梁起頂，調整合龍口鋼梁線形，起頂裝置利用結合段公路橋面板濕接縫澆筑前輔助墩需起頂1.0 m的措施，輔助墩起頂裝置平面布置見圖6，其中，中桁布置4臺20 MN豎向千斤頂，兩側邊桁共布置8臺15 MN豎向千斤頂。

圖6 輔助墩起頂裝置平面布置

5.2 主跨合龍措施

5.2.1合龍段雙母段匹配制造

主跨合龍段Z81′～Z82節段在制造廠內第十四輪總拼，第十四輪采用雙母段匹配總拼焊接，Z75′～Z76′作為29號墩側母段、28號墩側Z81做另一側母段；母段根據節段在上一輪次總拼后的實際狀態進行定位，總拼完成后，Z81與合龍段間拼接板在胎位投定位孔，拼接板拆除后根據定位孔鉆制其余孔。

5.2.2縱向調整措施

為確保合龍段起吊及合龍段與Z80′對接時，合龍口間距滿足施工要求，提前對合龍口間距(即縱向姿態)進行調整[6-8]，在28，29號墩抗風牛腿與主塔之間分別布置4臺8 MN千斤頂(邊跨側)、2臺6.5 MN千斤頂(主跨側)，在主跨合龍段起吊之前，解除28，29號墩縱向抗風牛腿約束，將兩側鋼梁分別向邊跨側頂推20 cm，主跨合龍縱向調整措施平面布置見圖7。

圖7 主跨合龍縱向調整措施平面布置

5.2.3高程及轉角調整措施

主跨合龍前，利用輔助墩墩頂鋼梁起落頂初步調整合龍口豎向位置，27號輔助墩由于澆筑結合段濕接縫已起頂至1.0 m，需要落頂46 cm至54 cm；30號墩起頂(落頂)至15 cm，如果合龍口高差過大，可繼續利用輔助墩處起落頂，調整合龍口懸臂端鋼梁高差。

合龍口高差經初步調整后，通過合龍口兩側橋面汽車吊的縱向移動進行精確調整，移動時上、下游兩幅的汽車吊同步移動，避免對合龍口橫橋向姿態產生影響。

下弦豎向高差調整到位后，盡快打入合龍鉸，將合龍口兩側鋼梁高差方向鎖定[7-8]。合龍鉸結構設置在Z81節段鋼梁下弦桿腹板位置，設直徑102 mm、長200 mm的長圓孔，鋼梁弦桿腹板開直徑102 mm圓孔，配備直徑100 mm錐形銷軸，通過銷軸插打實現豎向高差快速鎖定。

5.2.4橫向調整措施

由于跨中懸臂長度大，根據敏感性分析可知，橫向偏差調整比較容易，在公路面、鐵路面各配置4臺100 kN對拉倒鏈，進行橫向對拉，消除合龍口兩端鋼梁橫向軸線偏差，實現軸線一致。

6 線形測量及施工監控

鋼梁懸臂架設過程中通過鋼梁載荷、索力調整，控制主塔偏位，保證鋼梁線形按照既定要求架設，同時確保結構線形和內力滿足設計要求，最終實現鋼梁順利合龍。

6.1 線形測量

合龍施工測量是在橋面、主塔荷載基本不變的情況下測量兩合龍口鋼梁姿態。在合龍前1～2 d對合龍口鋼梁姿態進行連續測量，通過測量數據分析因環境溫度變化引起的合龍口姿態變化規律，找到最適合的合龍時機及明確縱向頂推距離。根據現場實測結果通過斜拉索張拉索力、鋼梁節間配重等措施調整主梁線形，確保架設至合龍口時，合龍口兩側鋼梁線形一致。

6.2 施工監控

施工監控的目的是保證橋梁結構成橋時結構受力合理、線形平順，通過對施工過程中各工況結構應力、線形的監控，確保在符合規范和設計要求的狀態下，對施工過程進行必要的優化論證分析，主要通過載荷布置、斜拉索索力控制鋼梁線形，方便施工，高效、快捷的完成合龍施工任務。

7 結語

滬蘇通長江公鐵大橋是世界上首次采用“整節段三桁結構，多點主動對接合龍”的工程，施工難度大，缺少成熟經驗可以借鑒。技術團隊經過認真研究方案，同時根據實際施工進度，合理調整全橋合龍順序，充分利用邊墩及輔助墩頂預留的三向調節措施、輔助墩頂已有的大噸位起頂措施，以及主塔墩旁的懸臂施工抗風牛腿作為合龍口的輔助調整措施，通過細致的監控計算及合龍口敏感性分析，為鋼梁最終的順利合龍制定了切實可行的方案。

該橋于2019年9月20日完成中跨零誤差合龍，同時刷新了大跨度公鐵兩用斜拉橋的記錄，首次將該類型橋梁跨度突破至千米以上，為大節段鋼桁梁施工技術的推廣應用提供參考具有實用的價值。