陶路 曾德禮

（1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢 430034；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430034）

大跨度鋼箱梁斜拉橋由于橋下通航能力強(qiáng)，上部結(jié)構(gòu)架設(shè)周期短等特點(diǎn)，越來(lái)越多地運(yùn)用于跨江大橋和跨海大橋的建設(shè)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年來(lái)國(guó)內(nèi)建成的主跨超過(guò)400 m 的鋼箱梁斜拉橋就超過(guò)了15座，還有多座同類(lèi)型橋梁正在建設(shè)中，如武漢青山長(zhǎng)江大橋、臨港長(zhǎng)江大橋等。

國(guó)外大跨度鋼箱梁斜拉橋中跨合龍通常采用頂推配切合龍，如法國(guó)的諾曼底大橋；國(guó)內(nèi)的合龍方法通常有頂推配切合龍和溫度配切合龍2 種方式［1-2］，如蘇通長(zhǎng)江大橋采用頂推配切合龍，舟山金塘大橋采用溫度配切合龍。斜拉橋中跨合龍是整座橋梁施工過(guò)程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，因此有必要對(duì)大橋合龍經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，了解合龍各流程的控制要點(diǎn)。

1 工程概況

以福州瑯岐閩江大橋、中朝鴨綠江界河大橋、萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋及港珠澳大橋青州航道橋4 座主跨超過(guò)400 m 的鋼箱梁斜拉橋中跨合龍為背景，對(duì)大跨度斜拉橋中跨合龍過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。表1 中4座大橋均為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋。其中前2 座橋采用頂推配切合龍［3］，后2 座橋采用溫度配切合龍。

表1 4座大跨度鋼箱梁斜拉橋基本概況

2 中跨合龍關(guān)鍵技術(shù)

2.1 確定合龍方案

頂推配切合龍的流程主要為：①調(diào)整合龍口姿態(tài)，在合龍口壓重和臨時(shí)鎖定；②對(duì)合龍口寬度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)；③根據(jù)連續(xù)觀測(cè)結(jié)果對(duì)合龍段進(jìn)行配切；④解除頂推側(cè)塔梁臨時(shí)錨固，頂推主梁，使合龍口寬度滿(mǎn)足施工要求；⑤起吊合龍段，適時(shí)吊入合龍口；⑥焊栓合龍段，實(shí)現(xiàn)合龍。溫度配切合龍的流程和頂推配切合龍基本一致，只是沒(méi)有了步驟④。

根據(jù)2 種合龍方法的施工流程可以看出：溫度配切法的優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有釋放塔梁臨時(shí)錨固的風(fēng)險(xiǎn)，但受環(huán)境溫度影響很大，如果合龍時(shí)實(shí)際溫度高于預(yù)期合龍溫度，合龍段可能無(wú)法吊入合龍口；實(shí)際溫度低于預(yù)期合龍溫度過(guò)多，則可能造成焊縫寬度過(guò)大而引起焊縫質(zhì)量問(wèn)題。頂推合龍的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)合龍前對(duì)鋼箱梁進(jìn)行整體頂推來(lái)對(duì)合龍口寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，施工時(shí)間充裕，合龍施工的可靠性和可控性高。其缺點(diǎn)在于需要釋放頂推側(cè)的塔梁臨時(shí)約束，結(jié)構(gòu)變形釋放后可能無(wú)法恢復(fù)。且大跨度斜拉橋的頂推力和頂推距離較大，施工存在一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

福州瑯岐閩江大橋合龍時(shí)間為6 月19 日，根據(jù)合龍前連續(xù)觀測(cè)的結(jié)果，鋼箱梁白天最高溫度接近50 ℃，夜間降溫較快，氣溫在25～30 ℃之間，該橋的設(shè)計(jì)合龍溫度為20 ℃，預(yù)計(jì)合龍期間實(shí)際環(huán)境溫度高于設(shè)計(jì)合龍溫度超過(guò)5 ℃，因此選用頂推配切合龍［4］。萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋的設(shè)計(jì)合龍溫度為20±5 ℃，根據(jù)橋址區(qū)2016 年和2017 年同期溫度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及最近天氣數(shù)據(jù)分析，橋址處白天的溫度在24～31 ℃之間，夜間溫度在 16～22 ℃之間，且夜間 22：00—6：00 溫度變化較小，氣溫在設(shè)計(jì)允許溫度范圍內(nèi)，最終采用了溫度配切合龍［5］。

根據(jù)以上分析，2 種合龍方案的最大差異源于結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)際合龍溫度的適應(yīng)性，如果預(yù)期合龍期間橋址處氣溫穩(wěn)定且接近設(shè)計(jì)合龍溫度，則可以采用溫度配切合龍，反之則建議采用頂推配切合龍。

2.2 調(diào)整合龍口姿態(tài)

1）合龍口壓重

在對(duì)合龍口連續(xù)觀測(cè)前，傳統(tǒng)的做法是采用壓重來(lái)調(diào)整合龍口姿態(tài)，以達(dá)到理想的合龍狀態(tài)?；炷两Y(jié)構(gòu)的橋梁在合龍時(shí)壓重主要是為了在澆筑合龍段混凝土期間進(jìn)行荷載的等效置換，保證合龍段的受力安全。鋼箱梁斜拉橋壓重的目的在于通過(guò)模擬起吊合龍段工況，在起吊側(cè)采用水箱或其他等效物進(jìn)行壓重，再通過(guò)調(diào)整斜拉索索力或壓重等方式調(diào)整合龍口的高程，在合龍口高程滿(mǎn)足要求后再進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)完成后即可卸除該壓重。對(duì)于懸臂施工的鋼箱梁斜拉橋，合龍前后合龍口姿態(tài)的變化可以通過(guò)理論計(jì)算精確模擬，考慮到現(xiàn)場(chǎng)合龍口壓重也存在一定的誤差，因此合龍口壓重并非必不可少。根據(jù)文獻(xiàn)［3］，福州瑯岐閩江大橋在合龍口觀測(cè)前進(jìn)行了壓重，但由于一側(cè)壓重布置效果不理想，在連續(xù)觀測(cè)前即卸載了該壓重。中朝鴨綠江界河大橋合龍口未進(jìn)行壓重，采用直接吊合龍段的方式進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，該方式可以最為準(zhǔn)確地調(diào)整合龍口姿態(tài)，但在觀測(cè)期間對(duì)航道通航有一定影響，并不適用于所有的橋梁。萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋采用汽車(chē)加裝的方式對(duì)合龍口進(jìn)行壓重。港珠澳大橋青州航道橋在連續(xù)觀測(cè)前未加壓重。

2）臨時(shí)勁性骨架鎖定

中跨合龍口姿態(tài)調(diào)整完成后，蘇通長(zhǎng)江大橋和鄂東長(zhǎng)江公路大橋均對(duì)合龍口采用臨時(shí)勁性骨架鎖定（順橋向自由），其目的是為了保證鋼箱梁的軸線偏位和合龍口形狀基本保持初步調(diào)整后的狀態(tài)。而導(dǎo)致鋼箱梁軸線偏位的主要原因在于風(fēng)荷載的影響，而橋梁中跨通常選擇在風(fēng)速較小時(shí)段合龍，因此臨時(shí)勁性骨架的設(shè)置也并非必不可少。福州瑯岐閩江大橋、萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋及港珠澳大橋青州航道橋3座大橋中跨合龍時(shí)均未設(shè)置臨時(shí)勁性骨架鎖定。

綜合以上分析，吊裝合龍段前后合龍段的高程變化規(guī)律可根據(jù)理論計(jì)算精確模擬，在風(fēng)速較小的環(huán)境下合龍口的軸線偏位也比較穩(wěn)定，建議調(diào)整合龍口的姿態(tài)達(dá)到理想的合龍狀態(tài)后可不進(jìn)行合龍口壓重，也可不采用臨時(shí)勁性骨架鎖定。

2.3 連續(xù)觀測(cè)合龍口

調(diào)整好合龍口姿態(tài)后，需進(jìn)行48 h 合龍口主梁高程、軸線偏位、合龍口寬度及溫度場(chǎng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。測(cè)量間隔時(shí)間在 06：00—18：00 期間為 2 h/次；18：00—次日06：00 期間為1 h/次，間隔時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)計(jì)劃合龍時(shí)間適當(dāng)調(diào)整。監(jiān)測(cè)部位應(yīng)包括鋼箱梁頂板、底板、斜腹板、豎腹板等重要部位，如福州瑯岐閩江大橋在合龍口兩側(cè)各布置了12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。鑒于監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，測(cè)試頻率較高，為提高連續(xù)觀測(cè)的效率及安全性，建議采用無(wú)線采集設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和大氣溫度進(jìn)行采集［6］，用激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)合龍口寬度。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，擬合出合龍口寬度和結(jié)構(gòu)溫度及大氣溫度的關(guān)系曲線，確定合龍口的寬度。

圖1 合龍口寬度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

2.4 計(jì)算合龍段配切長(zhǎng)度

1）配切長(zhǎng)度的計(jì)算

合龍段配切長(zhǎng)度需考慮合龍段的設(shè)計(jì)無(wú)應(yīng)力制造長(zhǎng)度、施工階段梁長(zhǎng)累計(jì)誤差、預(yù)計(jì)合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度的偏差等因素。合龍段配切長(zhǎng)度計(jì)算公式為

式中：Lx為合龍段的配切長(zhǎng)度；Ls為合龍段的設(shè)計(jì)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，該參數(shù)需考慮合龍段頂?shù)装宓脑O(shè)計(jì)無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不一致；L1為施工階段的梁長(zhǎng)累計(jì)誤差（實(shí)際梁長(zhǎng)大于設(shè)計(jì)值時(shí)L1為正，反之為負(fù)）；L2為合龍段安裝至成橋后合龍段的壓縮變形量；Lh為合龍口兩側(cè)的焊縫寬度；Lt1為預(yù)計(jì)合龍溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度不同造成合龍段的偏差（預(yù)計(jì)合龍溫度高于設(shè)計(jì)合龍溫度時(shí)Lt1為正，反之為負(fù)）；Lt2為配切時(shí)合龍段溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度不同造成的合龍段長(zhǎng)度偏差（配切時(shí)合龍段溫度高于設(shè)計(jì)合龍溫度時(shí)Lt1為正，反之為負(fù)）。

2）注意事項(xiàng)

施工階段梁長(zhǎng)累計(jì)誤差可能較大，造成合龍段的配切長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)無(wú)應(yīng)力制造長(zhǎng)度偏差較大，需在施工控制過(guò)程中關(guān)注梁長(zhǎng)的累計(jì)誤差，并通過(guò)調(diào)整后續(xù)梁段的無(wú)應(yīng)力制造長(zhǎng)度來(lái)消除該偏差。如福州瑯岐閩江大橋和萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋在中跨梁段架設(shè)一半數(shù)量的梁段后，均發(fā)現(xiàn)中跨鋼箱梁的總長(zhǎng)度比理論計(jì)算值偏短的現(xiàn)象，特別是瑯岐閩江大橋在中跨架設(shè)12個(gè)節(jié)段后，發(fā)現(xiàn)中跨單懸臂總梁長(zhǎng)偏短了近50 mm，梁長(zhǎng)偏差過(guò)大可能影響斜拉索的安裝定位，為解決這一問(wèn)題，在后續(xù)梁段制造過(guò)程中，增大了部分梁段的無(wú)應(yīng)力制造長(zhǎng)度。

2.5 頂推鋼箱梁

采用頂推配切合龍時(shí)，通常只頂推合龍口單側(cè)鋼箱梁，在頂推前解除頂推端的塔梁臨時(shí)錨固。

1）解除塔梁臨時(shí)錨固

解除塔梁臨時(shí)錨固，即釋放其縱向約束和轉(zhuǎn)角約束。文獻(xiàn)［3］表明：瑯岐閩江大橋主橋在塔梁臨時(shí)錨固解除后，斜拉索索力總體變化較小，只是橋塔附近的斜拉索索力影響較大，其他位置的索力基本不變。解除塔梁臨時(shí)錨固后，主梁變位較小，中跨靠近主塔的斜拉索梁上錨點(diǎn)豎向位移最大，為向上12 mm；為防止解除塔梁臨時(shí)錨固后梁體瞬間上臺(tái)，在解除臨時(shí)錨固前在該處梁段進(jìn)行了堆載。

2）確定頂推力

頂推力主要受邊中跨斜拉索不平衡水平合力和支座摩擦力的影響，其中支座摩擦力包括過(guò)渡墩、輔助墩及橋塔處支座的摩擦力總和。頂推力計(jì)算公式為

式中：P為頂推力；Fx為斜拉索不平衡水平合力，當(dāng)向邊跨頂推時(shí)Fx為正，反之為負(fù)；Ff為支座摩擦力總和；μ為支座摩擦因數(shù)；N為過(guò)渡墩、輔助墩或橋塔處支座的支座反力之和。

3）注意事項(xiàng)

在解除塔梁臨時(shí)錨固和頂推鋼箱梁過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①鋼箱梁頂推事關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)的安全，特別是主塔的安全，頂推量應(yīng)通過(guò)精確計(jì)算確定，如瑯岐閩江大橋合龍時(shí)要求中跨頂推量不宜超過(guò)150 mm；②摩擦因數(shù)μ具有較大的離散性，計(jì)算選用的摩擦因數(shù)不一定準(zhǔn)確，因此在選用千斤頂時(shí)在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下考慮一部分富余量，同時(shí)在頂推前對(duì)各支座四氟板進(jìn)行清理，涂上潤(rùn)滑油；③邊中跨斜拉索不平衡水平合力可能大于支座摩擦力總和，在解除塔梁臨時(shí)錨固后，不平衡索力就能使主梁縱向移動(dòng)，因此在解除臨時(shí)錨固前應(yīng)做好限位措施防止主梁突然向前沖。

2.6 吊裝合龍段

1）吊裝方式

吊裝合龍段有單側(cè)架梁機(jī)單獨(dú)起吊（簡(jiǎn)稱(chēng)為“單側(cè)起吊”）和兩側(cè)架梁機(jī)同步起吊（簡(jiǎn)稱(chēng)為“抬吊”）2種吊裝方式。目前國(guó)內(nèi)主要傾向于抬吊的吊裝方式，如蘇通長(zhǎng)江大橋、瑯岐閩江大橋及港珠澳大橋青州航道橋中跨合龍均采用該種起吊方式。其優(yōu)點(diǎn)在于合龍段的重量由兩側(cè)架梁機(jī)共同承擔(dān)，合龍口兩側(cè)的斜拉索索力比較均衡，一般不需要超張拉斜拉索或僅需要對(duì)個(gè)別斜拉索進(jìn)行超張拉。部分橋梁出于以下原因選用單側(cè)起吊合龍段的方式：①斜拉橋兩岸歸屬2 家不同的施工單位；②合龍段尺寸較小。如中朝鴨綠江界河大橋由于第①種原因采用單側(cè)起吊，萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋和鄂東長(zhǎng)江大橋則因?yàn)榈冖诜N原因采用單側(cè)起吊。采用單側(cè)架梁機(jī)單獨(dú)起吊合龍段的方式需要對(duì)合龍口附近的多對(duì)斜拉索進(jìn)行超張拉，如中朝鴨綠江界河大橋和萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋在起吊合龍段前均對(duì)合龍口附近3 對(duì)斜拉索進(jìn)行了超張拉，而鄂東長(zhǎng)江大橋則對(duì)合龍口附近4 對(duì)斜拉索進(jìn)行了超張拉［7］。施工過(guò)程中對(duì)斜拉索進(jìn)行超張拉主要有2 個(gè)弊端：①對(duì)斜拉索進(jìn)行超張拉時(shí)，張拉段錨杯可能需要抄墊，錨杯抄墊量過(guò)大導(dǎo)致不易對(duì)中甚至滑移，不利于結(jié)構(gòu)安全；②合龍前超張拉的斜拉索數(shù)量較多，會(huì)增大后期斜拉索的調(diào)整工作量，影響施工總工期［8］。建議在條件許可的前提下，盡量采用抬吊的吊裝方式。

2）注意事項(xiàng)

在“起吊合龍段，適時(shí)吊入合龍口”這道工序中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①采用“抬吊”方式時(shí)，兩岸吊機(jī)型號(hào)、轉(zhuǎn)速可能不同步而導(dǎo)致吊梁時(shí)重量分配不均，影響合龍口狀態(tài)，應(yīng)統(tǒng)一指揮，嚴(yán)格控制提梁的同步性［9］；②合龍段吊入合龍口的時(shí)機(jī)盡量選擇氣溫相對(duì)較低的時(shí)段，以減小鋼箱梁頂推量，降低頂推風(fēng)險(xiǎn)。

2.7 焊接合龍段

在合龍段吊入合龍口后，微調(diào)合龍口姿態(tài)，使兩懸臂端高程和軸線位置均滿(mǎn)足合龍精度要求，再按照計(jì)劃栓焊合龍段。采用頂推配切方式進(jìn)行合龍的橋梁，在合龍段入口后，應(yīng)立即與非頂推側(cè)的梁段進(jìn)行匹配，開(kāi)始栓焊工作，待溫度趨于穩(wěn)定時(shí)將另一端懸臂端頂進(jìn)回退，待溫度穩(wěn)定在預(yù)計(jì)合龍溫度左右時(shí)，鎖定另一端的頂、底板，鎖定后立即焊接。采用溫度配切方式進(jìn)行合龍的梁段，待溫度穩(wěn)定在預(yù)計(jì)合龍溫度左右后，在腹板下端和頂板安裝連接件，鎖定合龍口長(zhǎng)度，再進(jìn)行栓焊。本道工序?qū)囟纫蟾?，整個(gè)焊接（栓焊）均須在夜間氣溫穩(wěn)定時(shí)段完成［10］。特別是頂推配切方式進(jìn)行合龍時(shí)，2 道焊縫不是同步施工，應(yīng)加強(qiáng)施工組織，確保2 道合龍縫的栓焊及塔梁臨時(shí)錨固的解除均在氣溫升高前全部完成，防止焊縫因溫度影響而暴開(kāi)，同時(shí)結(jié)構(gòu)升溫時(shí)能夠伸縮自由。

3 結(jié)論

本文以4 座主跨超過(guò)400 m 的鋼箱梁斜拉橋中跨合龍控制為背景，對(duì)大跨度鋼箱梁斜拉橋中跨合龍的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

1）“溫度配切合龍”適用于合龍期間橋址處氣溫穩(wěn)定，且接近設(shè)計(jì)合龍溫度的橋梁，反之則建議采用“頂推配切合龍”。

2）吊裝合龍段后的合龍口姿態(tài)可根據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行精確模擬，建議在調(diào)整好合龍口姿態(tài)后不加壓重，也可不采用臨時(shí)勁性骨架鎖定。

3）提出了合龍口寬度連續(xù)觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置方式，建議采用無(wú)線采集設(shè)備采集合龍口的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，用激光測(cè)距儀測(cè)量合龍口寬度以提高效率及安全性。

4）提出了合龍段配切長(zhǎng)度的計(jì)算公式，建議在斜拉橋懸臂施工過(guò)程中關(guān)注梁長(zhǎng)的累計(jì)誤差，并通過(guò)調(diào)整后續(xù)制造的梁段長(zhǎng)度來(lái)消除前期梁長(zhǎng)累計(jì)誤差。

5）解除塔梁臨時(shí)錨固時(shí)宜在中跨1#索附近進(jìn)行壓重，防止解除塔梁臨時(shí)錨固后梁體瞬間上臺(tái)；頂推鋼箱梁時(shí)頂推力和頂推量應(yīng)通過(guò)精確計(jì)算確定，并加強(qiáng)防護(hù)措施，確保頂推過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。

6）2 道合龍縫的栓焊工作和塔梁臨時(shí)錨固的解除工作應(yīng)在氣溫升高前全部完成，防止焊縫因溫度過(guò)高而暴開(kāi)，同時(shí)也保證結(jié)構(gòu)升溫時(shí)能夠伸縮自由。