海域大跨度三塔鋼箱梁斜拉橋快速施工關(guān)鍵技術(shù)

王 通，郭書(shū)峰，王毓晉，高昱鵬，黃震偉

(1.浙江舟山北向大通道有限公司，浙江 舟山 316000； 2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；3.寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000)

1 工程概況

寧波舟山港主通道項(xiàng)目主通航孔橋跨徑布置為(78+187+550+550+187+78)m=1 630m(見(jiàn)圖1)，加勁梁采用流線型扁平整幅鋼箱梁，頂板設(shè)置2%雙向橫坡，橋面全寬34m(見(jiàn)圖2)。斜拉索采用空間雙索面布置，梁端標(biāo)準(zhǔn)索間距為16m，結(jié)構(gòu)約束體系為半漂浮體系，中塔處塔梁之間設(shè)置縱向限位裝置，邊塔處塔梁間設(shè)置縱向黏滯阻尼器，邊塔、中塔及過(guò)渡墩位置設(shè)置橫向抗風(fēng)支座。索塔高180m，采用鉆石型混凝土塔。

圖1 主橋總體布置(單位：cm)

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

2 工程建設(shè)難點(diǎn)及快速施工技術(shù)

橋位處浙江東部灰鱉洋海域，外海作業(yè)環(huán)境惡劣，春季多梅雨、夏季臺(tái)風(fēng)高發(fā)、秋冬季風(fēng)影響嚴(yán)重，年均有效作業(yè)時(shí)間僅200d。區(qū)域洋流條件差，地質(zhì)復(fù)雜，海底管線縱橫交錯(cuò)。海上施工平臺(tái)、棧橋等臨時(shí)性工程規(guī)模巨大。大懸臂工況下鋼箱梁結(jié)構(gòu)安全更是面臨臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

充分借鑒國(guó)內(nèi)外跨海大橋建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，因地制宜提出 “大型化、裝配化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化”理念，在設(shè)計(jì)層面盡可能采用預(yù)制裝配化施工方案；在施工組織上推行大標(biāo)段劃分，提前謀劃施工場(chǎng)地及沿線作業(yè)面布局，推行施工前場(chǎng)工點(diǎn)工廠化、后場(chǎng)預(yù)制裝配化模式；在施工工藝上積極開(kāi)展新材料、新技術(shù)、新工藝、新裝備的研發(fā)與應(yīng)用。本文重點(diǎn)從海上平臺(tái)裝配化設(shè)計(jì)與施工、雙層鋼套箱快速安裝技術(shù)、塔與橫梁異步施工、斜拉索1次張拉4個(gè)層面進(jìn)行快速施工關(guān)鍵技術(shù)介紹。

3 快速施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 海上平臺(tái)裝配化設(shè)計(jì)與施工

海上平臺(tái)整體采用樁式鋼平臺(tái)(見(jiàn)圖3)，下部結(jié)構(gòu)采用φ1 020×10，φ1 224×12鋼管樁及φ3 500×28鋼護(hù)筒基礎(chǔ)，鋼管樁上接雙拼HN600×200×11×17型鋼梁，管樁間設(shè)置φ630×7鋼管平聯(lián)，平聯(lián)間采用φ426×6鋼管連接，第1道鋼管平聯(lián)高程為0.500m，第2道鋼管平聯(lián)高程為4.000m。鋼護(hù)筒之間設(shè)置1道φ630×7鋼管平聯(lián)，鋼護(hù)筒平聯(lián)高程為1.500m。平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)采用HN600×200×11×17作為次分配梁，I25和I20作為主分配梁，間距40cm，厚1cm鋼板為面板。平臺(tái)四周設(shè)置護(hù)欄(見(jiàn)圖4)。

圖3 海上平臺(tái)平面布置(單位：cm)

圖4 主墩平臺(tái)立面布置(單位：cm)

鋼管樁廠內(nèi)整節(jié)預(yù)制并現(xiàn)場(chǎng)打樁船插打，平聯(lián)及剪刀撐施工采用后場(chǎng)下料組裝、現(xiàn)場(chǎng)整體安裝工藝。為減少潮水與風(fēng)浪不利影響，采取上、下層平聯(lián)1次安裝，主、次梁在工廠加工制造，整根大梁組成多跨連續(xù)梁，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整節(jié)吊裝施工。面板結(jié)構(gòu)采用組合鋼面板，將分配梁和面板在后場(chǎng)焊接成大塊組合面板。在端部預(yù)留對(duì)接接頭，拼裝后在接頭位置采用封板將接頭部分焊接形成平臺(tái)面板整體系統(tǒng)，面板結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量減少近70%，與常規(guī)散拼工藝相比，采用裝配化平臺(tái)施工可縮短工期40d。

3.2 海上平臺(tái)裝配化設(shè)計(jì)與施工

本工程所采用鋼套箱為世界首例內(nèi)外雙層防撞鋼套箱，防撞等級(jí)滿足10萬(wàn)t級(jí)船舶通航要求。內(nèi)層鋼套箱結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)約 63m、寬40m、高9.6m，順橋向側(cè)板厚度為4m，橫橋向側(cè)板厚度為6m，中間設(shè)置變寬節(jié)段，由側(cè)板結(jié)構(gòu)、底板桁架、內(nèi)支撐系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、反壓系統(tǒng)、水平限位與精調(diào)系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖5)。在此重點(diǎn)介紹剛性懸吊系統(tǒng)，懸吊系統(tǒng)采用型鋼作為扁擔(dān)梁和吊桿，吊桿直接焊接于底桁弦桿上，連接位置做加勁處理(見(jiàn)圖6)。吊桿強(qiáng)度高、剛度大，加工時(shí)已安裝到位，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須采用千斤頂?shù)冗M(jìn)行吊桿調(diào)節(jié)。采用水平限位與精調(diào)一體化裝置(見(jiàn)圖7)，在鋼套箱下放過(guò)程中，對(duì)平面位置進(jìn)行糾偏和精調(diào)，當(dāng)鋼套箱下放到位及完成受力轉(zhuǎn)換后，起到水平限位作用。

圖5 內(nèi)層鋼套箱側(cè)板、底板及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖6 懸吊系統(tǒng)及反壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖7 水平限位與精調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

內(nèi)層鋼套箱整體采用PPU組合式模塊車(chē)裝船，配置2艘拖輪運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。鋼套箱下放前必須經(jīng)試吊試驗(yàn)，共分5級(jí)依次加載，確認(rèn)每一級(jí)工作正常后方可下一級(jí)加載，直至鋼套箱完全被吊起且靜置10min。鋼套箱下放至接近安裝位置時(shí)注意調(diào)整鋼套箱的高度和平面位置，使鋼套箱處于安裝位置的正上方，盡量減少底板與護(hù)筒刮擦。下放至懸吊系統(tǒng)位于護(hù)筒槽口上方時(shí)，觀測(cè)套箱的平面位置偏差，并通過(guò)浮吊微調(diào)保證懸吊系統(tǒng)的扁擔(dān)梁對(duì)鋼套箱平面位置進(jìn)行限位。繼續(xù)下放鋼套箱，此時(shí)由吊鉤受力逐步轉(zhuǎn)為懸吊系統(tǒng)受力，浮吊繼續(xù)落鉤直至完全松鉤，復(fù)測(cè)鋼套箱平面位置及高程，滿足要求后立即開(kāi)展反壓桿與鋼護(hù)筒之間的焊接工作，保證鋼套箱在涌浪作用下穩(wěn)定(見(jiàn)圖8)。

圖8 內(nèi)層鋼套箱整體下放

外層防撞套箱總長(zhǎng)約70.2m、總寬47.2m、高10.4m。廠內(nèi)制造將外層套箱分為8個(gè)節(jié)段，節(jié)段間采用高強(qiáng)度螺栓現(xiàn)場(chǎng)連接。通過(guò)回轉(zhuǎn)浮吊臂桿，使鋼套箱塊段位于理論位置上方，浮吊逐漸落鉤，通過(guò)人工牽引使鋼套箱塊段逐漸接近安裝位置。外套箱塊段上的掛腿雙耳板與內(nèi)套箱頂面連接板匹配。浮吊落鉤，通過(guò)手拉葫蘆精調(diào)套箱塊段位置，逐步使外套箱掛腿受力。插入螺桿，安裝墊片和螺母，鋼套箱塊段安裝到位。外層鋼套箱廠內(nèi)提前與內(nèi)層套箱預(yù)拼裝，在承臺(tái)施工完成后，可對(duì)外套箱塊段進(jìn)行安裝，不占用主體結(jié)構(gòu)工期，經(jīng)測(cè)算縮短工期約20d。

3.3 塔與橫梁異步施工

索塔采用鉆石型塔身，塔柱總高度均為180m(含塔冠)，下橫梁采用箱形斷面，高6.0m，頂面寬11.218m，底面寬11.368m，腹板壁厚1.2m，采用C50 混凝土。下塔柱塔身高45.3m為外傾式結(jié)構(gòu)，下橫梁以上部分為內(nèi)傾結(jié)構(gòu)，均采用液壓爬模體系進(jìn)行施工，按以4.5m 高度為標(biāo)準(zhǔn)段分節(jié)施工，共分41 節(jié)，總體施工流程如圖9所示。

圖9 主塔施工總體施工簡(jiǎn)要流程

塔座底部50cm豎直段混凝土與索塔頂層混凝土一起澆筑完成，塔座上部1.5m 高度范圍混凝土與下塔柱起步段0.6m 1次澆筑完成。第0，1，2 節(jié)塔柱采取搭設(shè)翻模板施工，其余節(jié)段采用液壓爬模法施工。下橫梁采用落地支架施工(見(jiàn)圖10)，下塔柱施工過(guò)程中同步搭設(shè)橫梁鋼管支架，塔柱與橫梁異步施工，下橫梁分2次澆筑施工。施工時(shí)為抵消塔柱重力作用下的傾斜變形和彎曲應(yīng)力，下塔柱施工設(shè)置對(duì)拉體系，中、上塔柱設(shè)置臨時(shí)橫撐。塔柱區(qū)域有充裕空間搭設(shè)下橫梁預(yù)應(yīng)力施工平臺(tái)，可有效保證施工便利及安全，降低施工組織難度，較常規(guī)塔梁同步施工可縮短工期20d。

圖10 下橫梁支架立面

3.4 斜拉索1次張拉到位快速施工技術(shù)

主通航孔橋邊塔布置17對(duì)斜拉索、中塔布置15對(duì)斜拉索，全橋共196根。為簡(jiǎn)化施工流程及臺(tái)風(fēng)期來(lái)臨前實(shí)現(xiàn)全橋合龍目標(biāo)，借鑒超大噸位斜拉索1次張拉到位技術(shù)在公軌共建鋼桁梁斜拉橋中的應(yīng)用思路，提出海域大跨度鋼箱梁斜拉橋拉索1次張拉的快速施工解決方案。

利用MIDAS Civil建立全橋有限元模型(見(jiàn)圖11)，分別對(duì)拉索2次及1次張拉仿真分析，驗(yàn)證了施工階段及成橋狀態(tài)塔、梁受力均在合理范圍，斜拉索1次張拉方案鋼箱梁制造線形與2次張拉方案基本一致(見(jiàn)圖12)，1次張拉方案成橋索力與2次張拉方案吻合(見(jiàn)圖13)，1次張拉到位方案拉索安全系數(shù)滿足施工階段≥2.0要求，表明拉索1次張拉到位法可很好達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11 主通航孔橋有限元模型

圖12 不同張拉方式鋼箱梁制造線形對(duì)比

圖13 不同張拉方式與設(shè)計(jì)成橋索力對(duì)比

實(shí)測(cè)成橋線形與理論線形基本一致，總體平順(見(jiàn)圖14)，除個(gè)別點(diǎn)偏差較大外，總體誤差控制在1cm以內(nèi)，經(jīng)測(cè)算該方案可縮短工期30d，表明1次張拉到位滿足實(shí)際施工需求及設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表1)。

圖14 成橋線形與理論線形對(duì)比分析

表1 海域斜拉橋快速施工工效分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文以寧波舟山港主通道項(xiàng)目主通航孔橋?yàn)楸尘埃偨Y(jié)了海域大跨斜拉橋快速施工成套技術(shù)，主要得到以下結(jié)論。

1)基于裝配化施工理念，主墩整體采用樁式鋼平臺(tái)，平聯(lián)及剪刀撐施工現(xiàn)場(chǎng)整體安裝，主次梁整節(jié)吊裝、組合鋼面板接頭位置采用封板焊接形成整體，減少焊接量近70%；較常規(guī)散拼工藝，可縮短工期40d。

2)鋼套箱采用“內(nèi)層整體+外層逐塊”安裝思路，內(nèi)層鋼套箱采用2 600t浮吊整體吊裝，依靠輕便的吊索具、剛性懸吊系統(tǒng)、水平限位及精調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋼套箱快速施工。待主墩承臺(tái)施工完成后，外層鋼套箱逐塊進(jìn)行安裝，與主體施工不沖突，經(jīng)測(cè)算縮短工期20d。

3)主塔高180m共劃分41節(jié)段，采用塔與橫梁異步施工，有效分解作業(yè)面積及降低施工組織難度，較塔梁同步施工可縮短工期20d。

4)采用斜拉索1次張拉到位方案，索塔、鋼箱梁及斜拉索均滿足受力要求，實(shí)測(cè)成橋線形與理論線形高度吻合，經(jīng)測(cè)算縮短工期30d，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施取得良好效果。