跨海高速鐵路結合梁斜拉橋上部結構施工關鍵技術

葉德炳翁方文

1.東南沿海鐵路福建有限責任公司，福州 350013；2.中交第二航務工程局有限公司，武漢430040

鐵路鋼-混凝土結合橋梁采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁或鋼桁梁等鋼結構構件和混凝土橋面板結合成共同工作的鋼-混凝土組合截面，具有良好的經濟性，充分發揮了兩種材料的優勢，可快速便捷施工，在國內外公路橋梁和國外鐵路（公鐵兩用）橋梁中得到了廣泛應用。國內已建成鐵路斜拉橋采用結合梁的僅有數座，而國內外鐵路橋梁中主梁全聯長采用鋼-混組合梁的斜拉橋未見工程應用先例［1-5］。本文依托國內首座跨海高速鐵路結合梁斜拉橋，基于其設計特點及現有施工資源，對上部結構施工方案進行優化分析并應用，形成一套跨海高速鐵路結合梁斜拉橋上部結構施工可行的方案。

1 工程概況

泉州灣跨海大橋為國內首座跨海高速鐵路斜拉橋，主橋設計為（70+130+400+130+70）m雙塔雙索面鋼-混結合梁半漂浮體系斜拉橋，見圖1。

圖1 泉州灣跨海大橋主橋立面布置（單位：m）

鋼梁采用Q370qE鋼，主梁含風嘴全寬21 m，梁高4.25 m，采用單箱三室等高截面，由平底板、斜底板、中縱腹板及邊板圍封而成。鋼梁劃分為13種梁段類型，77榀梁段，其中標準節段長10.5 m。標準結合梁標準橫斷面見圖2。橋面板分成預制板、縱向濕接縫、橫向濕接縫三部分施工，其中預制板采用C55高性能海工混凝土，所有濕接縫均采用聚丙烯纖維補充收縮混凝土。每個節段橋面板由1塊中板和2塊邊板構成，全橋共計231塊，最大尺寸為4.65 m×9.80 m，重約560 kN。橋面板+鋼主梁節段最大重量4 500 kN。斜拉索采用抗拉標準強度1 770 MPa環氧涂層平行鋼絲拉索，全橋共72對斜拉索，最長斜拉索長219.2 m，最大自重（含兩端錨頭）248 kN。

圖2 標準結合梁標準橫斷面（單位：m）

上部結構設計總體指導性施工方案為：中跨及次邊跨標準段采用橋面吊機分節段進行懸臂拼裝。鋼梁與橋面板需在節段架設前完成結合，整體吊裝定位后現場澆筑梁段間橫向濕接縫。塔區存梁梁段利用浮吊吊裝。邊跨及輔助墩墩頂梁段77.9 m采用大型浮吊一次安裝到位，邊跨橋面板在合龍后進行安裝。

2 上部結構總體施工方案優化

2.1 邊跨大節段吊裝優化為懸臂拼裝

原設計方案邊跨及輔助墩墩頂梁段吊裝重量達12 000 kN，受邊跨海域礁石影響，大型浮吊無法就位吊裝。

綜合考慮施工安全性及浮吊經濟性，將邊跨大節段吊裝工藝優化調整為懸臂拼裝工藝，充分利用橋面吊機對邊跨梁段進行吊裝施工。

2.2 標準段整體吊裝工藝優化

原設計方案標準節段鋼梁與橋面板先結合后進行整節段吊裝，吊裝節段重量見表1。可知，吊機最大吊重3 481 kN，傳統吊機無法滿足吊裝要求，且受橋面寬度影響，若橫向采用雙臺吊機抬吊吊裝，橋面空間不足。因此，需要對整體吊裝工藝進行優化。

表1 原設計方案整體吊裝重量 kN

采用橋面板與鋼梁后結合工藝（縱向濕接縫在吊裝后現場澆筑）可以減小吊裝重量，提高吊機資源可選范圍。選定吊重2 900 kN的變幅吊機進行吊裝作業。優化方案吊裝重量見表2。優化后標準段總體工藝：若主梁（含橋面板）重量不超過2 900 kN則整體一次吊裝完成，橋位施工橫向濕接縫；若主梁（含橋面板）重量超過2 900 kN則分兩個步驟完成吊裝，先吊裝鋼梁+2塊邊橋面板，待鋼梁栓焊及斜拉索初張后使用橋面吊機變幅吊裝中橋面板，最后施工濕接縫。

表2 優化方案吊裝重量 kN

2.3 橋面板吊裝工藝優化

標準節段吊裝總體工藝優化后，橋面板與鋼梁后結合，橋面板在后場進行預制。通過平板車將預制橋面板經過海上棧橋運輸至鋼梁吊裝區域。通過主墩施工平臺處700 kN全回轉吊機將預制橋面板安放在駁船上方對應的鋼梁上，然后進行鋼梁與面板整體吊裝施工［4］。橋面板預留鋼筋間距125 mm，鋼梁頂面剪力釘間距125 mm，鋼筋與剪力釘凈間距僅20 mm（圖3）。橋面板鋼筋及鋼梁頂面剪力釘空間位置有限，考慮到鋼梁廠剪力釘施工誤差及安裝風浪影響，橋面板現場難以保證安裝精度且安裝困難。為保證現場施工工效，鋼梁制造時不考慮橋面板區域鋼梁頂面剪力釘，待橋面板吊裝到位后濕接縫施工前現場進行焊接施工。

圖3 橋面板鋼筋與剪力釘相對位置（單位：mm）

橋面板與鋼梁結合前，在預制橋面板與鋼梁上翼緣板間的重合處粘貼防腐橡膠條。在橫隔板上緣處，兩側橡膠條之間澆筑環氧砂漿（圖4），靠近橡膠條的位置砂漿高度與橡膠條初始高度相同，中部隆起5 mm，形成上拱的弧面。在橋面板自重作用下，橡膠條完全壓密封閉，環氧砂漿與上下接觸面充分接觸，從而保證結合面密封。

圖4 橡膠條及環氧砂漿布置

為保證橋面板與鋼梁結合的氣密性，橡膠條最小壓縮量不小于5 mm。根據混凝土橋面板重量，確定橋面板作用與橡膠條的應力為0.33 MPa，并對橡膠條進行壓載試驗。橡膠條尺寸為50 mm×100 mm×25 mm，試驗壓力由0.5 kN遞增至3.0 kN，測量橡膠條在該壓力作用下的壓縮量。壓載試驗結果見表3。可知，橡膠條在0.33 MPa應力作用下最小壓縮量為5.1 mm，滿足設計要求。

表3 壓載試驗結果

2.4 超長超重斜拉索施工

S/M1—S/M4索長較短且重量較輕，可直接利用塔吊將斜拉索吊裝至橋面，并利用塔吊牽引索頭進行展索施工。S/M5—S/M14索長相對較長，通過塔吊吊裝上橋，利用主塔處卷揚機進行輔助展索。S/M15—S/M18斜拉索重量均超過塔吊吊裝能力，采用變幅吊機將此拉索吊裝至橋面。以S/M15斜拉索為例，具體施工流程為：斜拉索進場，臨時存放于主墩；S/M14斜拉索初張完成；回轉吊吊裝S/M15斜拉索至鋼梁運輸船；橋面吊機松鉤變幅，吊裝S/M15斜拉索至S/M14斜拉索對應梁段。

斜拉索展索由梁端向塔區進行，受橋面吊機影響，無法沿直線展索，需繞開橋面吊機。為保證斜拉索展索時的安全性，同時避免展索時對斜拉索造成二次損傷，研發了一種斜拉索展索導向裝置，見圖5。

圖5 斜拉索展索導向裝置

2.5 上部結構施工組織及耐久性

為保證上部結構施工安全，在主梁架設施工前與海事部門技術對接，并在吊裝施工期間進行通航維護，確保吊裝施工安全。

為保證結構耐久性，索塔鋼錨梁采用含量不低于1%的Ni系高性能耐海洋大氣腐蝕鋼，不進行涂裝、不設除濕系統，靠其自身生成致密穩定的鈍化銹層阻止氯離子滲透，實現全壽命期的長效防腐。

結合大橋的環境特點和設計目標，鋼主梁采用適用于海洋大氣腐蝕環境的超長壽命耐久防腐涂裝體系。鋼主梁內外表面涂裝體系見表4。

表4 鋼主梁內外表面涂裝體系

3 優化方案理論分析及實施效果

3.1 優化方案理論分析

根據優化調整后的施工方案，采用有限元軟件進行施工全過程分析，并對邊跨鋼梁與混凝土橋面板結合前鋼梁的應力進行局部分析。按照設計要求成橋線形目標為塔直梁平，通過施工全過程分析得出，成橋狀態主梁最大撓度在10 mm以內（圖6），小于設計要求±20 mm。成橋狀態計算索力與設計索力差在±3.9%以內（圖7），小于設計要求±5%。成橋線形及索力滿足設計要求。成橋狀態下主塔縱向最大偏位12 mm，橫向最大偏位6 mm，滿足設計成橋塔偏位小于H/3 000（H為塔高）且不大于30 mm的要求。

圖6 成橋主梁撓度變形

圖7 計算索力和設計索力對比

通過有限元施工全過程分析可知，合龍工況下橋面板最大拉應力（2.0 MPa）小于混凝土極限抗拉強度（3.3 MPa），且為短暫受拉狀態；成橋狀態主塔區域橋面板最大壓應力（14.1 MPa）小于混凝土極限抗壓強度（37.0 MPa）；輔助墩處鋼梁頂升工況下鋼主梁最大拉應力（115.7 MPa）小于基本容許應力（210.0 MPa）；成橋工況下鋼主梁最大壓應力（120.7 MPa）小于基本容許應力（210.0 MPa），橋面板及鋼主梁結構受力安全。對邊跨鋼梁進行局部受力分析可知，鋼箱梁最大應力為153 MPa，在鋼箱梁底板和橫隔板相交處為主拉應力。頂板最大等效應力（115.6 MPa）小于基本容許應力（210.0 MPa），鋼主梁局部受力安全。

3.2 優化方案實施效果

通過方案優化及過程中嚴格按照優化方案管控，成功利用橋面吊機完成了邊跨大節段鋼梁懸臂拼裝；采用鋼梁與橋面板吊裝后再結合的方式順利完成了梁段施工；利用吊機完成了超長超重斜拉索的吊裝。目前斜拉橋已合龍，施工全過程結構受力、拉索索力及成橋線形滿足設計要求，結構狀態良好。

4 結論

1）將邊跨大節段吊裝調整為對稱懸臂拼裝，解決了大型浮吊無法就位的問題，充分利用了吊機，節約了成本。

2）將標準節段鋼梁與橋面板先結合再整節段吊裝優化調整為先吊裝后結合工藝，解決了吊機吊重問題，優化了吊機資源。

3）充分利用吊機可變幅特性對橋面中板及部分超重拉索進行了吊裝，通過拉索導向裝置的應用，解決了有限橋面寬度下拉索展索的施工困難。