黄冈公铁两用长江大桥钢桁梁主跨主动快速合龙施工技术研究

（中铁大桥局集团第五工程有限公司，江西 九江 332001）

摘要：黄冈公铁两用长江大桥（以下简称黄冈长江大桥）主桥为典型双塔双索面斜主桁双层桥面大跨度钢桁梁斜拉桥，该大桥的主梁采用了经典的倒梯形设计。合龙施工过程中创造性地应用了纵向大位移顶推装置，极大地降低了合龙过程中主梁移动的难度，利用三维空间定位吊具完成空间倾斜腹杆的多角度吊装工作吊装多角度空间倾斜腹杆。

关键词：公铁两用桥；斜主桁；钢桁梁斜拉桥；大跨度；主跨主动快速合龙 文献标识码：A

中图分类号：U448 文章编号：1009-2374（2015）10-0108-05 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0907

1 工程概况

黄冈长江大桥主桥为（81+243+567+243+81）m的双塔双索面斜主桁钢桁梁斜拉桥，其具体外形和数据参数如图1所示。其中以H形钢混结构为主塔桥，高193.5m，采用152平行钢丝斜拉索，采用N形主梁，其形状和相关参数如图2所示。主梁采用双层桥面，其中上层桥面为双向四车道高速公路，下层为双车道铁路，所使用2片主桁向外倾斜达20.3532°。主桁节间长度13.5m，全部90个节间中，分跨共计48节间，跨中设合龙段1个。以半漂浮体系结构为主钢梁结构，并采用当前最新先进的球形铸钢支座，具有纵向活动和荷横向限位功能，能够有效地保证黄冈公铁桥梁的稳定性。钢梁和主桁之间采用纵向液压阻尼装置连接，承重水平为3000kN。

图1 主桥立面布置图（单位：m）

图2 主梁横断面布置图（单位：m）

2 钢梁合龙总体施工方案

合龙方案的设定，主要以该桥所使用的钢梁结构和施工低点地质条件为基础进行设计。总施工方案为采用70吨吊机拼装架设，具体步骤如图3所示：

图3 钢桁梁架设施工步骤图

步骤①：在2、3桥墩的衡量顶完成此处钢梁的拼接工作。

步骤②：分别在两主塔侧对称架设钢梁，并以钢梁的架设速度为基础挂设拉索，和主跨合龙段施工基本情况相匹配。

步骤③：合龙段合龙。

步骤④：完成最后一对斜拉索的挂设，并以悬臂完成剩余边跨钢梁的拼装工作。

上述的四个步骤从开展工作的实质角度来说，可以进一步划分为如下两个阶段的内容：架设阶段：墩顶钢梁架设完成之后，通过对称悬臂来完成合龙之前的其他钢梁架设工作，在这一过程中全程对架设中心线和外形进行控制，保证合龙口钢梁线形最优，保证合龙工作的顺利进行。合龙阶段：通过对以往成功案例的分析和相关理论的应用，选择操作最简、成功率最高的方案并严格按照方案实施，完成钢梁主跨合龙。

3 架设阶段钢梁线形的主动控制技术

由于本文所研究的黄冈公铁两用长江大桥为大跨度斜主桁斜拉桥，在实际施工过程中面临着施工时间长、施工环境复杂、线形控制困难等多重问题，因此多角度空间斜腹杆安装的研究尤为重要。在墩顶钢梁的精确定位研究方面以及横向抗风措施的研究对于保证最终合龙的成功也同样具有非常重要的现实意义，在合龙前，还需要对合龙施工过程中的工人安全问题、整体可移动手脚架平台相关问题给予高度的重视和肯定。

3.1 多角度空间斜腹杆安装方法

如上文中所介绍的，该桥采用了倒梯形截面的钢桁梁横，因此在斜腹件方面出现了面内倾斜41.055°和面外倾斜20.3532°的多个空间角度，这客观上增加了施工的难度。除此之外，斜腹杆安装过程中，和其连接的上弦杆和下弦杆已经完成安装，因此在实际的安装过程中，仅存的活动空间就剩下了杆件之间的4cm拼缝间隙，这种条件下，如果拼装过程中不能完全严格地按照设计进行拼装，那么必然影响工程的整体质量。针对上述问题，采用了三维放样法，在完美模拟重心之后，确定吊装点，这样，吊装工人只要按照预先做好的吊装号码，即可对号入座，在实际架设过程中进行简单的微调就能较好地完成安装工作了。

3.2 墩顶4节间钢梁精确定位

在完成合龙工作之前，主塔钢梁的架设工作是独立进行的，为了保证最终合龙后桥梁线性符合标准，在两段主塔的架设过程中必须严格按照统一标准施工，无论是平面位置还是其高程都必须完全一致，这是保证合龙过程中各项指标都能达到相关标准的重要前提，同样也是保证桥梁整体性能水平符合预先设计要求的必然选择。我们必须认识到，每个钢梁节间的架设水平都对后一节间的架设有相应的影响，所产生的误差将会不断积累下去，因此对其线形、高程以及平面位置的控制有着非常重要的意义。在墩顶节间的架设过程中，需通过千斤顶来保证其各项指标误差必须小于预设值，然后对钢梁各结构焊接抗风牛腿，并预留好施工间隙，方便后续施工。

3.3 钢梁临时锁定及横向抗风措施

上文中已经对抗风措施有了简单论述，这里我们对临时锁定和横向抗风进行更为详细的介绍。桥梁两侧的上、下游上弦杆件的外侧焊接钢牛腿，然后如图4所示进行抄垫操作，这样就能够有效地保证钢梁的临时锁定了，同样对于大风天气的风载转移到上下游桥柱和桥墩钢梁支座上去。该方案结构简单、操作方便，对风载导致的扭矩力传递明确，有效地避免了大规模、复杂锁定装置使用导致的施工难度增加问题，这对于今后其他大型桥梁的抗风和临时锁定施工有一定的借鉴意义。

图4 钢梁临时锁定及横向抗风装置

3.4 钢梁架设安全施工脚手平台研究

在实际的架设过程中，包括架设线的测量等，都和手脚架平台之间有着内在的联系，所研制的公路、铁路可移动整体施工平台如图5所示，极大地提高了施工的安全度，为施工人员的人身安全的保障提供了强有力的支持的同时，对于施工速度的提升和施工质量的保障也同样有着重要的现实意义。本工程中，墩旁托架的限制，

铁路脚手平台必须在中跨的架设完成后才能进行安装。

图5 整体可移动式安全施工脚手平台

3.5 钢梁悬臂架设的线形控制

在完成主塔墩顶的钢梁架设工作之后，具体的高程、平面位置以及最为重要的线形已经基本固定，以此为基础，在合龙工作开展之前，需要对2、3号主塔钢梁的节间搭设悬臂。在实际的施工过程中，需配合主动测量和纠偏技术，通过对相关检测数据（如图6、7所示）进行汇总分析，以具体数据为基础来判别下一阶段的施工是否需要采用微调处理，为后续的合龙工作的展开降低难度。

图6 主桥钢梁架设拱度与理论值的对比分析 图7 主梁钢梁架设轴偏与理论值的对比分析

举例说明，如钢梁轴线已出现20mm上偏，而预定施工方案中给出的冗余为10mm，其调整过程如下：

第一步，冲钉需要按照施工要求配备。该桥采用了M30、M24两种规格高拴，而按照我国工程现行《钢梁制造规则》中的相关要求，螺栓孔径分别为Φ和Φ，而在施工现场中所需要使用的标准冲钉为Φ和Φ，特制小冲钉为Φ和Φ。

第二步，完成对上、下游侧下弦杆的吊装工作，在实际的吊装过程中，首先需要对下弦杆顶、底板拼缝两侧的拼接板中心位置各用4颗Φ32.8mm冲钉定位来保证钢梁长度的精确，然后将拼接板的其他部分以实际螺栓孔数量的一半比例打入Φ32mm冲钉，插打完毕后吊机有意

识地向下游摆动使杆件绕Φ32.8mm定位冲钉向下游转动。

第三步，斜杆的安装和调试。以两组滑车来承担上游下弦杆前端和已经完成节间下游侧的拉伸工作，采用10吨导链进行牵引，从而保证施工中的上游下弦杆绕Φ32.8mm冲钉的移动，在该过程中必须对其移动范围进行严密控制，完成之后还需对纠偏量进行测量和管理。

第四步，完成对上游侧下弦杆高栓的安装工作，在施工过程中，需要先进行预拧紧，然后和底板拼接，最后通过腹部板面的拧紧完成整个高拴的拧紧。

第五步，安装铁路桥面板，与上游下弦杆连接的横梁部位拼接板按正常施工要求采用Φ25.8mm冲钉定位，其余两个面通过在铁路桥面板上焊接马板牛腿来承受桥面板的自重并调平桥面板，再将与已架设节间桥面板连接的纵梁部位拼接板根据实际情况插打Φ25mm冲钉，最后再安装铁路桥面板上游横梁及纵梁高栓并终拧。

第六步，在桥面板与下游侧下弦杆之间设置千斤顶，使下游侧下弦杆绕Φ32.8mm定位冲钉向下游平面转动（前端最大相对偏转不得超过10mm），并对纠偏量进行测量。再对铁路桥面板与下游下弦杆连接的横梁部位拼接板根据实际情况插打Φ25mm冲钉，最后再安装下游侧下弦杆和铁路桥面板下游横梁处高栓并终拧。完成横向纠偏工作。

3.6 确定合龙前施工状态

钢梁架设、吊机站位、斜拉索张拉及千斤顶布置等，都是当前工程合龙前的施工状态，而施工状态的选择对于最终的合龙效果有着直接的影响，具体情况如图8所示：

图8 合龙前施工状态总体布置图

钢梁主跨合龙段为3号塔钢梁L21（AE44′～AE45）节间，其合龙口详细状态见图9：

图9 合龙口状态详图

4 合龙调整措施及其敏感性分析

敏感性分析是保证所采用调整措施符合工程实际使用需求的重要方法。客观来说，我们进行合龙调整的目标就是最大限度地降低合龙口两端线形的差异，使其在标高、转角方面具有极高的一致性，同时顺桥向间隙与杆件长度匹配，中轴线保持水平。

在实际的施工过程中，钢梁调整有多种途径，如温度变化、横向对拉等，都是较为常见的调整方法，这些方法中，有些是主动措施，有些则属于被动措施。该桥梁在合龙之前，采用了当前国内最为先进的3Dbridge斜拉桥空间有限元分析软件分析了不同调整措施的敏感性水平，具体情况如下：

4.1 温度变化

温度变化客观上会对钢梁的相关变量产生影响，如系统稳定变化、路面温度变差变化、斜拉索稳定变化等，而系统温度的夜间变动情况规律较为明朗，而其他因素由于受到日照、风速等多个环境要素的影响而难以确定具体的规律。通过敏感性分析可以发现，温度每上升10℃将会产生X方向位移34mm，而温度下降所导致的位移规律则相反。不过我们必须认识到，系统温度的变化难以进行人工控制，属于一种典型的被动控制，此种控制方案只能等恰当时机，在黄冈公铁两用长江大桥的合龙中，难以满足快速合龙的施工要求。

4.2 梁面压重

动态压重和静态压重共同构成了梁面压重，下面我们将进行分别论述。动态压重，在实际应用过程中主要是通过对运梁台车在路面停放位置的改变来进行调整，具体操作防范相对简单，通常情况下主要在调整竖向Z挠度和绕Y转角的过程中搭配其他措施使用。

静态压重，在本工程中，主要是根据实际的压重效果吊机位置，在充分考虑操作的便利性的基础上选择主塔钢梁主跨L19节间公路面上下游两侧进行静态压重。通过敏感性分析我们可以发现，单侧不对称压重的情况下，横断面刚度带来的合龙口Z挠度以及横向偏载荷导致的合龙口钢梁横断面产生整体扭转。作为一种较为常见的主动调整措施，压重对于上述两种问题的调整有较良好的效果。除此之外，单桁不对称压重，还能够有效地调整断面扭转，不过由于压重材料的组织和运输相对复杂，因此在实际的应用过程中经常性地采用预压重的方式进行。

4.3 调整斜拉索

根据现有斜拉索资源张拉千斤顶资源数量和现场的实际施工环境，本工程中选择了张拉和张放18号斜拉索来调整合龙口相关参数。通过敏感性分析我们可以发现，中、边跨18号索每根索索力增加100t，合龙口整体产生63mm的竖向Z挠度和0.35千分弧度的绕Y转角；主跨18号索每根索索力增加100t，合龙口整体产生39mm的竖向Z挠度和0.27千分弧度的绕Y转角；主跨上游侧18号索索力增加100t，合龙口上游产生20mm的竖向Z挠度，下游产生17mm的竖向Z挠度，同时产生0.12千分弧度的绕Y转角和-7mm的横向Y位移，这也就是说，这里的主跨18号索单侧不对称张拉，由于钢梁横断面刚度使得合龙口整体产生竖向Z挠度，同时由于单侧偏载使得合龙口钢梁横断面产生整体扭转和横向位移（两侧上弦产生3mm高差和7mm的横向位移）。此种施工措施作为一种典型的主动调整措施，在实际的应用过程中具有操作方便快捷、在竖向Z挠度和绕Y转角上的调整效果良好的特点，是对上述两项参数进行调整的主要途径，不过由于纠偏的量级过小，因此在钢梁横断面扭转方面的应用并不能取得预期效果。

4.4 纵向顶推

按照实际的合龙要求，在实际的合龙过程中为了保证此项工作的顺利完成，合龙口两端钢梁必须能够纵向移动方面必须有长距离、高精度移动能力，所以我们需要采用两级调整的模式来完成对钢梁轴向X位移操作提供支持。其中第一级为大范围粗略调整，也就是说，通过对图4所示的装置来将牛腿与塔柱之间的抄垫更换为500t千斤顶，以此为基础来重新构建一个“钢梁纵向大位移顶推装置”；而第二级则是在小范围内的细致调整，所形成的装置如图10所示，通过敏感性分析我们可以发现，用以对合龙口轴向X位移进行微调。由敏感性分析成果可知，钢梁沿纵桥纵向顶推200t，那么实际上合龙口产生42mm的轴向X位移和-22mm的竖向Z挠度。必须认识到，纵向顶推作为当前阶段使用最为频繁的一种主动调整措施，由于本身有两级调控措施，在实际的应用过程中表现出强大的可操控性，整体调整效果良好，有较大的使用价值。

图10 合龙口顶推调整装置

4.5 合龙口平面横向对拉

图11 横向对拉装置 图12 合龙口顶拉调整装置

如上文中所论述的，在钢梁的建设过程中，每一段节间都严格地控制了误差水平，因此在最终的合龙口上，绝对横向Y位移的量实际上远远低于预先设定的施工规范，不过由于合龙口两端之前仍然有微小的横向Y位移，根据施工的具体情况，设置了在双层路面的如图11所示的横向对拉装置，对这Y位移进行微调操作，直至两端吻合。通过对此方面数据的敏感性分析我们可以发现，合龙过程中，公路面合龙口两端的对拉力为10吨，和铁路路面相等，经此操作之后，能缩短22mm Y位移。作为一种典型的主动调整措施，合龙口平面横向对拉在实际的工程应用中，表现出良好的精确性，同时操作也相对简单，能够快速实现对横向Y位移的大规模调整，因此应用范围相对广泛，多见于我国国内多项工程中。

4.6 架梁吊机对提钢梁

在施工过程中，由于多种因素的营销，合龙口两段的钢梁上，无论是横向还是纵向上都客观存在高差，同时两段的实际扭转情况也不尽相同，这种情况下，整体相对扭转的存在不可避免，因此要求我们在实际的施工过程中必须以相对扭转的数据为基础，利用两段的吊梁机进行如图12所示操作，以50吨提升力推进两端的吻合。通过敏感性分析我们可以发现，在50吨提升力的状态下，能够促使两层路面的上、下游弦杆分别产生42mm和26mm相对高差，并能产生一定水平的横向Y位移，正调整方式所产生的调整远远超过了所需要的调整量，因此不仅能够有效地满足调整的客观需求，同时还为其提供了一定水平的冗余。此种方法具有较好的可操作性、方便快捷的同时，对于钢梁横截面的整体扭转效果良好，因此被选为本工程的主要纠偏措施。

5 合龙步骤

5.1 总体概述

龙口钢梁的调整方案制定工作需要我们进行一个完整的全面检测，以此为数据参与敏感性检测。在方案实施之前，需要将合龙口钢梁预先调整至理想状态，然后根据对其进行的连续检测，通过数据复核理论的应用，找出具体影响因素的实际影响能力，根据相应指标体系为其赋予权重比例。通过对“钢梁纵向顶推装置”的应用，完成主塔钢梁的边跨侧纵移15cm移动，这为后续调整施工和相关构建的安装提供了必要的操作空间，极大地方便了后续操作。在实际的安装过程中，首先完成2根下弦杆到E44′节点的安装操作，完成此项操作之后，继续采用专业设备完成对安装斜杆到A44′节点的安装，并为后续的2根上弦杆到A44′节点安装提供支持，最后在E45/A45节点处完成对合龙段弦杆前端拼接板的安装工作，通过主动和龙过程中所产生的一系列事实监控数据以及上文中所论述的相关参数指标的敏感性分析结果，选择合理的调整措施，为整个钢梁的安全、平稳合龙提供数据支持，三维4个变量调整到位，按先合龙弦杆、再合龙斜杆的顺序依次进行，同时开始2号塔主跨L21（A44～A45）处的其他焊接工作。

5.2 将钢梁调整到预设状态

由于在最初设计阶段提出了合龙口连续36小时检测的要求，我们需要通过对上文中所分析的各类型调整措施的应用，将钢梁的状态调整至符合预设要求的水平。在X轴向上的调整：通过对“纵向顶推”的充分利用，完成预调整工作；在竖向Z挠度及绕Y转角上的调整：主要是通过对“调整斜拉索”和“梁面压重”的利用完成；横向Y位移调整：利用“合龙口平面横向对拉”措施将其调整到预设状态；横断面扭转调整：利用“架梁吊机对提钢梁”措施完成调整。必须认识到，上述四个变量的调整都是彼此相关的，合龙段两端钢梁的预调整工作必须严格按照施工程序进行，环环相扣，为合龙工作的顺利完成奠定良好基础。

5.3 合龙口36小时连续监测

完成对合龙段钢梁的预调整工作之后，按照施工要求，我们要对其进行36小时的连续检测，通过多种途径对其各项指标进行检测并作好记录工作，找到各项因素对合龙口两端钢梁所产生的具体影响，并将其进行量化、赋值处理。

5.4 钢梁向边跨侧纵移15cm

在施工过程中，针对钢梁本身的不平衡索力，可选择“钢梁纵向顶推装置”完成调整，对两侧主塔钢梁反向顶推15cm，为预装件的施工提供必要的施工操作空间，同时也保证了温度变化对合龙后连接构件的温度变化条件下的稳定性的保证提供支持。

5.5 安装合龙段主桁杆件

第一，安装合龙段2根下弦杆（图13），将杆件吊装到位，安装杆件与钢梁E44′节点的全断面拼接板，按要求插打冲钉。另一端带长圆孔的腹板拼接板安装到2号塔钢梁E45节点上，且此拼接板与合龙杆件之间不连接（等待合龙时连接）。

图13 合龙段下弦杆安装 图14 合龙段斜杆安装

第二，安装2根斜杆（图14）。先安装上口拼接板，插打冲钉到位，下口拼接板暂不安装，等4根弦杆合龙完后再合龙斜杆。

第三，安装2根上弦杆。安装方法与下弦杆相同。至此，主桁杆件均完成单端安装，接下来就是准备合龙主桁杆件。

5.6 合龙主桁4根弦杆

第一，一切准备就绪，选择夜间温度较为恒定时段进行主桁杆件的合龙。首先对合龙口进行全面监测，然后对相应变量进行调整。

第二，利用“纵向顶推”措施分别将两主塔钢梁向主跨侧纵移，同时利用各项调整措施对其他3个变量进行实时微调，现场实时观察合龙口4根弦杆两侧腹板长圆孔相对情况，直至将长圆孔销轴插入长圆孔内，使合龙口两端Z方向互相约束。

第三，继续将两主塔钢梁向主跨侧纵移，同时根据需要对相关变量进行微调，直至弦杆合龙点两侧腹板圆孔重合，立即将圆孔销轴插入圆孔内，使4根弦杆的合龙点形成铰接，并迅速完成剩余拼接板的安装，并按要求插打冲钉。

全部合龙施工工程仅耗时5h，在这一过程中需要注意在太阳升起之前，需要及时完成所有纵向束缚解除工作，以避免温度对钢梁位置的影响。

5.7 合龙斜杆及安装桥面板

合龙斜杆下口合龙点，插打冲钉到位，以此为基础，我们进一步完成对合龙段主桁杆件的高栓施工操作后，利用栓焊依次完成两层面板施工，最终完成所有的合龙工作。

6 结语

本研究中的黄冈长江大桥主跨钢梁合龙工作顺利完成，整体合龙质量远高出预先设定施工标准，钢梁整体线形流畅，稳定性极高。在合龙施工以及前期准备过程中，多种国内外领先施工技术得到了顺利应用，较好地控制了架设过程中各杆件具体精度参数，并通过行之有效的敏感性分析和现场相关验证，找出了最为符合本工程施工条件的调整措施并投入实践，为本工程施工难、精度要求高问题的解决提供了强有力的支持，同时也极大地加强了施工的安全性，降低了工程施工风险，对我国日后同类桥梁的合龙施工提供了借鉴和参考。

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作者简介：张露（1982-），男，中铁大桥局集团第五工程有限公司工程师，研究方向：桥梁施工技术。

（责任编辑：陈 倩）