大跨度組合梁斜拉橋中跨合龍技術

孔藝達, 鄭萬山

(1.重慶市設計院有限公司, 重慶 400015; 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067)

大跨度組合梁斜拉橋中跨合龍方案的選擇直接影響結構成橋線形和結構受力,需根據結構特點以及現場實際條件選擇合適的合龍方案。目前,國內外中跨合龍方案主要有頂推合龍和溫度配切合龍2種,主要區別是:頂推合龍不改變合龍段的設計制造長度,但需提前解除塔梁臨時固結,易造成結構變形釋放[1];溫度配切合龍需根據實測合龍口寬對合龍段進行配切,改變了合龍段的理論長度。在實際的斜拉橋合龍時,需根據現場實際情況選擇合適的合龍方案,如主梁結構特點、現場溫度變化情況、施工條件等[2-3],其中溫度和施工工藝是影響鋼主梁斜拉橋中跨合龍的關鍵因素。

雙河大橋為半飄浮體系斜拉橋,主梁采用雙“工”字型邊主梁與混凝土橋面板共同受力的組合梁,橋址地處云南山區,晝夜溫差大,合龍方案直接影響大橋能否順利合龍。本文根據國內近10年來大跨度斜拉橋梁合龍技術,結合本橋結構特點、現場條件等確定中跨合龍方案,并分析了合龍溫度的影響,優化了原合龍方案,減少了施工措施,介紹該大橋的合龍施工技術,供同類工程參考。

1 工程概況

雙河特大橋為(56+152+356+140)m高低塔組合梁斜拉橋,如圖1(a)所示。橋面全寬28.7 m,主梁采用雙“工”字型邊主梁與混凝土橋面板共同受力的組合梁,如圖1(b)所示。斜拉索采用無粘結鋼絞線拉索,標準索距為12 m,巧家側邊跨尾索索距為8 m。兩岸索塔高度不同,其中P2塔高度為229 m,P3塔高度為170 m,輔助墩采用雙柱式空心薄壁墩。大橋主梁在每個索塔、輔助墩以及橋臺處橫向約束,縱向活動。每個塔梁連接處順橋向安裝粘滯阻尼器,主梁兩端各設置1道1 200 mm伸縮縫。根據橋位的地形條件,塔區梁段采用托架施工,巧家側邊跨梁段采用支架施工,其余梁段均采用懸臂拼裝施工。

2 中跨合龍方案

2.1 合龍方案的確定

1) 國內同類合龍方案調研

調查了國內部分典型斜拉橋中跨合龍方案,如表1所示。從表1可知,對于大跨徑鋼箱梁斜拉橋,當施工溫度與設計合龍溫度相差較大時主要采用頂推施工[4-8],溫度較為穩定時一般采用溫度配切法[9-10],現場環境較差時需采用輔助合龍措施[11-12]。橋梁施工條件較好時,可采用整體吊裝施工,但均需臨時配重和調索,增加了施工難度和工作量。

(a) 立面

(b) 主梁斷面

2) 雙河特大橋合龍方案

雙河特大橋設計合龍溫度為20 ℃,根據施工計劃,大橋預計合龍時間為2019年11月24日—2019年11月30日,根據前期晝夜氣溫觀測、氣象預報和歷史溫度記錄,橋位區11月下旬夜間溫度預計在15 ℃左右,風力1級,無降雨,計劃合龍時間內橋位處夜間溫度穩定,略低于設計合龍溫度。大橋中跨合龍段為長4 m的工字梁,單側合龍段重量7.5 t,重量小,現場配有2套配切裝置,合龍段鋼梁可現場配切,預估配切時間約4 h。綜上可見,雙河特大橋合龍預期環境良好,氣溫較為穩定,配切施工準備充分,確定采用溫度配切合龍方案。

表1 國內典型斜拉橋合龍條件和合龍方案

2.2 合龍溫差分析

采用溫度配切合龍時,合龍溫度與理論合龍溫度不一致,對成橋受力狀態、線形和塔偏有一定影響,因此須對成橋后的結構狀態進行預分析,確定合理的合龍溫度范圍。合龍溫差主要表現為整體升降溫的影響,不同溫差的計算結果均是線性關系,因此取整體升溫5 ℃進行分析,計算模型如圖2所示。塔頂縱向偏位計算結果如表2所示。由表2可見,整體升溫5 ℃時,東川側塔頂偏位-27.0 mm(偏邊跨側),巧家側塔頂偏位-4.1 mm(偏中跨),同成橋狀態相對影響較小。主梁豎向撓度結果如圖3所示。由圖3可知,東川側邊跨撓度變化最大值為11 mm,中跨東川側下撓約3 mm,中跨巧家側上撓最大值為6.5 mm,巧家側邊跨最大下撓為2.5 mm。索力最大變化值為28 kN,鋼主梁最大應力變化值為3.5 MPa,混凝土板最大拉應力為0.1 MPa。綜上分析可見,整體升溫5 ℃對結構線形、塔偏和受力的影響相對較小,不會影響結構安全。

圖2 有限元計算模型

表2 不同狀態下塔頂縱向位移 mm

圖3 整體升溫5 ℃對主梁線形的影響

2.3 合龍方案的優化

雙河大橋位于山區,運輸條件差,現場場地狹小,很難采用整體吊裝施工,需將構件離散化,需使用回轉吊機,吊機重量150 t,這遠大于常規的固定式吊機。因此,在合龍過程中,吊機的拆除對結構受力有較大影響。在原設計合龍方案中,完成工字梁合龍和體系轉換后,安裝中跨橋面板并澆筑濕接縫混凝土,最后拆除中跨合龍臨時壓重和橋面吊機。該方案合龍前需臨時壓重,增加了施工工作量和難度,同時大橋主梁采用疊合梁,合龍完成后取消壓重和吊機會致使跨中混凝土板承受拉應力。為此,需對原合龍方案進行優化,分2種工況進行計算分析,計算結果如表3所示。

表3 合龍施工結束后應力計算結果 MPa

由表3可見,按工況1計算,合龍施工結束后,橋面板存在2.2 MPa拉應力,鋼梁底部壓應力為58.9 MPa;按工況2計算,合龍施工結束后,橋面板拉應力為0 MPa,鋼梁底部壓應力為38.9 MPa。由此可見,工況2的結構受力更為合理,確定采用工況2的工藝措施進行合龍施工。

3 合龍施工技術

3.1 合龍施工步驟

跨中溫度配切合龍施工步驟為:1) 連續觀測合龍口梁端標高和寬度,分析梁端標高、合龍口寬度與溫度的關系,統計歷年同時期的天氣狀況確定合龍時間;2) 根據目標合龍段長度和預估溫度,對合龍段進行切割;3) 吊裝合龍段和鎖定,拆除塔梁臨時固結措施;4) 吊裝橫梁和橋面板,拆除吊機,澆筑濕接縫。

3.2 測點布置和結果分析

連續觀測合龍口梁端標高、寬度和大氣溫度,測量時間為23:00—07:00,測量頻率為1次/h。1) 采用全站儀分別對合龍口兩側4個測點進行連續觀測;2) 采用鋼卷尺對合龍口頂板、腹板(梁高的中心)、底板處寬度進行連續測量;3) 測量時同時記錄當時大氣溫度和鋼梁溫度。在觀測期間以及合龍前不得進行其他施工以及臨時荷載的調整。2019年11月26日夜間合龍口標高和寬度測量結果如圖4和表4所示。根據圖4和表4的觀測結果可知,氣溫在15.5 ℃～16.7 ℃時,合龍口兩側標高與目標標高比較接近,但考慮到吊裝過程中回轉式吊機起吊合龍段會在梁端產生附加彎矩,以及為防止現場可能出現的臨時荷載引起合龍口標高偏低,實際配切采用02:00(15.0 ℃)的合龍口數據。

3.3 合龍段配切長度

合龍段巧家側螺栓孔按設計在工廠預制,東川側采用磁力鉆現場開孔。合龍段巧家側與相鄰梁端部預留間隙為1.5 cm,考慮到合龍段要在傍晚預先吊裝到位,對巧家側連接板進行預緊,以及防止間隙過小不能喂入合龍段,根據合龍口寬度變化情況和存在的測試誤差,上、下游側合龍段東川側間隙分別取2.0 cm和2.5 cm,最后計算得到的合龍段配切長度如表5所示。

(a) 東川側DZ16梁端

(b) 巧家側QZ11梁端

表4 氣溫變化對合龍口寬度的影響

表5 合龍段配切長度 cm

3.4 合龍段吊裝和鎖定

1) 吊裝

鋼箱梁斜拉橋合龍段吊裝主要有2種吊裝方式[6]:單側架梁機單獨起吊和兩側架梁機同步起吊。雙河特大橋合龍段為2段(上、下游),長度4 m,單個合龍段重量僅為7.5 t,吊機為回轉式吊機。因此,采用兩側吊機分別起吊1片合龍段,保證兩側受力一致。在合龍段入口后,合龍段主梁與巧家側QZL11號梁段用拼接板栓接。待溫度趨于穩定時,對氣溫和梁端標高進行連續觀測。

2) 鎖定

待溫度穩定在預計合龍溫度左右時,復核合龍標高,在標高滿足要求時,合龍段主梁與DZL16梁端部采用臨時碼板臨時鎖定,同時測量支座變形,碼板焊接在邊主梁頂底板翼板邊上。臨時鎖定時上、下游應同時進行,且同時安裝合龍段與東川側DZL16號梁段永久拼接板,在合龍段拼接板四角打孔,用沖釘或高強螺栓固定,用永久拼接板作為模板對邊主梁進行打孔。合龍口高強螺栓終擰完成前開始解除塔梁臨時固結體系,進行結構體系轉換施工。23:00(16 ℃)合龍口標高如表6所示。由表6可見,4個測點標高與目標標高誤差不超過1 mm,符合合龍要求。

表6 中跨合龍口鎖定時標高測量結果(溫度：16 ℃)

4 結束語

通過對不同鋼主梁斜拉橋中跨合龍技術的總結分析,結合雙河特大橋的合龍施工過程,得到以下結論:

1) 合龍溫差在5 ℃以內時,對結構線形和受力的影響相對較小,不會影響結構安全。

2) 通過對中跨合龍施工順序進行了局部優化,減小了混凝土板的拉應力,使得組合梁機構受力更為合理。

3) 實施結果表明,溫度配切方案在環境氣溫穩定、合龍口姿態測試數據詳實的條件下能保證大橋中跨的順利合龍。