三主桁鋼桁拱橋合龍口微調(diào)裝置設計與應用

任延龍

（中鐵建大橋工程局集團南方工程有限公司 廣東廣州 511462）

1 工程概況

明珠灣大橋工程線路起始于萬頃沙島的萬環(huán)西路，止于南沙經(jīng)濟開發(fā)區(qū)虎門聯(lián)絡道，是南沙明珠灣區(qū)的重要交通通道，主橋墩號為25＃～31＃墩，孔跨布置為（96＋164＋436＋164＋96＋60）m 六跨中承式連續(xù)鋼桁拱［1－2］結(jié)構(gòu)（見圖1）。主跨三片桁拱結(jié)構(gòu)，邊跨及次邊跨為三片平桁結(jié)構(gòu)。各跨及主拱肋均為“N”型桁式。節(jié)間距為12 m、14 m兩種。共有81個節(jié)間。鋼桁架邊桁高10.369 m，中桁高10.685 m。中間支點處桁高52.52 m，中拱肋加勁弦高23.166 m。邊桁拱頂至中墩支點高度為109 m，矢高98 m，矢跨比為 1/4.45。

圖1 主橋立面示意（單位：m）

橋面雙層布置，上層為雙向八車道公路，兩側(cè)為人行道，下層兩側(cè)預留雙車道，中間為管線走廊。橋面總寬：主橋43.2 m（見圖2）。

圖2 中跨斷面示意（單位：mm）

2 合龍方法

大橋主橋中跨設一個合龍口，即在中間A39節(jié)點（見圖3）。合龍時將27＃墩側(cè)鋼梁整體向大里程側(cè)縱移400 mm，同時安裝縱向限位裝置進行鎖定。鋼梁整體調(diào)整完成后，爬坡吊機在吊索塔架的輔助下向跨中逐節(jié)間大懸臂架設鋼梁至中跨合龍口A39節(jié)點，并在架設過程中按照設計要求分別掛設張拉三層扣索。然后通過扣索調(diào)整、縱移27＃墩側(cè)鋼梁及邊跨頂落梁等方式進行中跨合龍口姿態(tài)調(diào)整，達到合龍條件后采用“多點同步合龍”微調(diào)的施工方法實現(xiàn)中跨鋼梁的精確合龍。

圖3 中跨合龍段立面示意

3 合龍口調(diào)整措施遴選

通過采用橋梁通用有限元軟件MIDAS CIVIL建立整橋有限元模型［3－4］，對各項合龍調(diào)整措施進行了模擬，分別計算分析了合龍口對各項措施的敏感性，為合龍施工過程中合理選擇調(diào)整措施［5－6］提供理論依據(jù)。大橋整體有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

鋼桁拱橋合龍時可采取的調(diào)整措施主要有：

（1）邊墩/輔助墩頂落梁；

（2）調(diào)整吊索索力；

（3）在合龍口施加豎向力；

（4）在合龍口施加對頂力；

（5）整體升降溫度［7］。

通過調(diào)整索力、輔助墩（26＃和29＃）頂落梁、溫度調(diào)節(jié)、微調(diào)裝置牽引均能一定程度地起到調(diào)整合龍口相對位移差的作用。通過以上措施對合龍口位移進行敏感性分析［8－11］，得出各種調(diào)整措施對跨中合龍口位移的影響量（見表1）。同時結(jié)合現(xiàn)場實際操作難度，調(diào)整索力難度較大，溫度變化不容易控制，得到最優(yōu)調(diào)整組合措施：即粗調(diào)采用通過輔助墩（26＃和29＃）頂落調(diào)整合龍口位移差，同時選擇溫度相對穩(wěn)定的時候（夜間或陰天）進行，微調(diào)采用微調(diào)裝置配合中墩縱向移動對合龍口間距進行調(diào)整［12］。

表1 合龍口敏感性分析

4 微調(diào)裝置設計

4.1 微調(diào)裝置構(gòu)成

微調(diào)（頂拉）裝置主要由牛腿、40 mm鋼絞線、千斤頂及錨固裝置組成（見圖5）。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，微調(diào)（頂拉）裝置主要用于鋼梁合龍過程縱向位移微調(diào)，調(diào)整幅度為10 mm以內(nèi)，避免長時間等待溫度場變化。微調(diào)裝置采用Q370鋼材在工廠加工，并通過焊接方式與鋼梁腹板連接。

圖5 頂拉裝置

4.2 微調(diào)裝置布設

在主跨拱肋合龍口每根弦桿上下翼緣板均布設1套頂、拉裝置（見圖6）。每套頂、拉裝置配1臺套250 t千斤頂，張拉力按250 t設計，拉桿采用直徑40 mm鋼絞線，即拱肋合龍口共布設250 t千斤頂6臺套。

圖6 拱肋微調(diào)裝置示意

在主跨系梁合龍口每根弦桿上下翼緣板均布設1套頂、拉裝置（見圖7），其中每套上弦桿頂、拉裝置配1臺套250 t千斤頂，張拉力按250 t設計，拉桿采用直徑40 mm鋼絞線；即系梁合龍口共布設250 t千斤頂6臺套（倒用拱肋設備）。

圖7 系梁微調(diào)裝置示意

5 有限元模擬結(jié)果

5.1 有限元模型

通過采用MIDAS FEA建立了微調(diào)裝置的精細化有限元模型（見圖8），用以模擬計算極限狀態(tài)下微調(diào)裝置受力主要區(qū)域的強度與剛度。精細化模型采用經(jīng)典的三角網(wǎng)格，共劃分6 824個單元，11 003個節(jié)點，結(jié)構(gòu)單元全部采用共節(jié)點形式，模擬結(jié)構(gòu)拼板焊接形成整體。為模擬微調(diào)裝置與鋼桁梁結(jié)構(gòu)連接部位，豎板采用固定連接。

圖8 頂推裝置有限元模型

計算工況采用中跨頂拉（微調(diào)）裝置設計極限承載力作為控制參數(shù)，在與40 mm鋼絞線接觸的鋼墊板平面按照均布荷載的形式施加250 t的作用力。

5.2 分析結(jié)果

計算結(jié)果顯示，頂拉區(qū)域是直接接觸千斤頂位置的受壓區(qū)域，最大應力為167 MPa（見圖9a），最大變形為1.95 mm（見圖9b），強度與剛度均滿足規(guī)范要求。

圖9 微調(diào)裝置模擬結(jié)果

6 微調(diào)裝置應用

6.1 加工制造

為消除加工制造誤差，微調(diào)裝置中除千斤頂與鋼絞線之外，其余構(gòu)件均選擇與合龍口桿件在工廠加工制造，采用坡口全熔透焊接在鋼梁合龍口桿件部位。

6.2 施工方法

大橋中跨合龍時，首先通過在輔助墩頂落梁調(diào)整鋼梁合龍口高差，利用倒鏈調(diào)整橫向誤差后，通過在27＃主墩頂推實現(xiàn)鋼梁合龍口里程粗調(diào)。待合龍口粗調(diào)完畢后，達到10～15 mm間隙后，在一側(cè)安裝油壓千斤頂，緩慢供油，將鋼絞線穿過支撐座預留孔道，每頂拉一次均需測量合龍口位移狀態(tài)，待合龍口間隙符合合龍條件后，安裝節(jié)點板并均布打入50%沖釘，進行30%高栓進行施擰，完成中跨合龍。

6.3 應用效果

明珠灣大橋主橋是目前世界最大跨度的三主桁雙層鋼桁拱橋，鋼梁合龍作為大橋建設過程中最重要的關(guān)鍵節(jié)點之一，施工過程中需面臨鋼梁姿態(tài)及位移不易調(diào)整以及合龍節(jié)點多、施工對位困難等一系列難題，合龍時通過采用新型的微調(diào)裝置共完成了12合龍節(jié)點的微調(diào)工作，提高了大橋合龍效率，對2 cm以內(nèi)的合龍間隙調(diào)整效果明顯，而且保質(zhì)保量地實現(xiàn)了鋼梁的自然“零誤差”合龍（見圖10）。

圖10 明珠灣大橋中跨合龍施工現(xiàn)場

7 結(jié)束語

三主桁鋼桁拱橋具有施工條件復雜、技術(shù)難度高等特點。合龍作為鋼梁建設過程中的關(guān)鍵節(jié)點，匯集了多種技術(shù)難題，為順利實現(xiàn)鋼桁梁的合龍，在中跨合龍過程中采用了新式微調(diào)裝置，并將不同措施進行有效組合，不僅順利實現(xiàn)了鋼桁梁合龍口的精確調(diào)整，而且使該橋在施工過程中獲得了巨大的成功，為該橋按期保質(zhì)完成打下了基礎(chǔ)，具有較高的推廣價值。