临工两塔斜拉桥合龙方案研究

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(青岛理工大学(临沂)， 山东 临沂 273400)

临工两塔斜拉桥合龙方案研究

刘传奇，韩光森，路军

(青岛理工大学(临沂)， 山东 临沂 273400)

边跨合龙影响内力，中跨合龙影响线形，为了保证临工两塔斜拉桥顺利合龙，提出试算合龙口刚臂单元弹性模量的方法计算劲性骨架。采用灼烧法解除临时固结，将临时固结解除时间控制在1 h之内。采用钢管混凝土代替硫磺砂浆作为塔梁临时固结的垫层，解决了硫磺砂浆拆除困难的问题。采用游标卡尺量测合龙口间距的办法，确定合龙口随温度变化间距最大的时间点。

斜拉桥； 合龙； 劲性骨架； 临时固结; 钢管混凝土

1 工程概况

混凝土两塔斜拉桥，结构体系安全可靠，受力合理，不但能满足当代混凝土桥梁大跨度的需要，而且线形优美，整个结构具有很强的视觉冲击力，带来极大的审美效果[1]。混凝土斜拉桥在各种桥型中具有独特的竞争力，以及深远的市场发展前景。边、中跨合龙在斜拉桥建设过程中非常关键，起到画龙点睛的作用，边跨合龙影响内力，中跨合龙影响线形。

临沂市临工大桥是山东省重点工程项目，主桥采用两塔斜拉桥半漂浮结构体系，主梁是全预应力混凝土结构，在施工过程中塔梁临时固结，采用挂篮施工工艺，施工难度系数大。临工大桥分2次合龙，边跨预留2个2 m的合龙口，中跨预留1个2 m的合龙口[2]。临工大桥主桥跨径组成为100 m(边跨：预应力混凝土梁)+230 m(主跨：预应力混凝土梁)+100 m(边跨：预应力混凝土梁)=430 m。桥塔采用混凝土H柱型斜塔，主塔全高109.65 m(含塔座)，桥面以上塔高80.6 m，桥面以下塔高29 m。塔身顺桥向偏离铅垂面18°，倾向岸侧。全桥共设112根斜拉索，按双索面布置,采用挂篮进行施工[1]。

采用Midas/Civil软件建立该斜拉桥三维有限元模型(图1)，在模型中主梁、主塔、承台以及桩基等均采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。

图1 斜拉桥三维有限元模型

2 劲性骨架的计算方法

2.1 计算荷载与荷载组合

2 m合龙口采用刚臂单元进行模拟，运用试算刚臂单元弹性模量的方法对劲性骨架进行计算分析，发现钢臂单元的弹性模量提高到主梁混凝土弹性模量的10倍时，计算结果比较合理，并且贴近实际。

1) 结构自重。

一期恒载：包括桥塔、主梁、横梁及拉索自重。

2) 温度。

本地区年均气温在14.1 ℃，极端最高气温36.5 ℃，出现在7月份，极端最低气温-11.1 ℃，出现在1月份。

主桥混凝土主梁按照升温20 ℃，降温20 ℃考虑；桥塔考虑日照温差±5 ℃；斜拉索与混凝土结构温差±10 ℃；主梁局部温差按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 — 2004)取值。

3) 荷载组合。

依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60 — 2004)对各种不利荷载工况进行组合验算。

2.2 计算内力组合

2.2.1 边跨内力组合

为减小边跨劲性骨架在结构体系温差作用下的内力，劲性骨架锁定后，解除现浇段的水平约束[3]。劲性骨架计算内力如表1。

表1 边跨各分项荷载效应表荷载分项轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)结构重力000升温温差0-1123030降温温差0112-3030塔日照升温0-4997470塔日照降温0499-7470梁局部升温0-7956960梁局部降温0795-6960索梁正温差0230-3450索梁负温差0-2303450

最不利荷载组合下，劲性骨架所承受的最大弯矩为20 910 kN·m，对应剪力920.5 kN。

2.2.2 中跨内力组合

为减小中跨劲性骨架在结构体系温差作用下的内力，劲性骨架锁定后，解除塔梁临时固结。劲性骨架计算内力如表2。

表2 中跨各分项荷载效应表荷载分项轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)结构重力12700-781升温温差4880-1260降温温差-48801260塔日照升温297-503-257塔日照降温-297503257梁局部升温-34204990梁局部降温3420-4990索梁正温差-23704150索梁负温差2370-4150

最不利荷载组合下，劲性骨架所承受的最大弯矩为-10735.1 kN·m，对应剪力-50.3 kN，对应轴力2058.9 kN。

3 合龙口24 h温度线形观测

随着温度的改变，合龙口之间的间距会发生变化。根据以往工程经验合龙口的间距会随着温度的升高而增大，随着温度的下降而减小[4]。监控方需要确定的是合龙口间距最大的时间点，合龙口间距最大时浇筑完混凝土，随着时间的推移，合龙口的间距变小，合龙口的混凝土在全天候24 h循环时间内只承受压应力。混凝土承受拉应力非常小仅有2.43 MPa,而压应力能达到13.5 MPa,这是合龙是否成功的关键所在。

在2 m合龙口两端焊接Φ12的钢筋，中间留出2 cm的间距，用游标卡尺测量间距的变化，温度计测量温度的变化，测量数据如图2、图3。

图2 游标卡尺读数随时间的变化

图3 温度随时间的变化

根据图2～图3的24 h观测数据， 可以看出早上6点温度最低2.3 ℃，中午14点温度最高12.5 ℃。温度曲线随时间的变化规律：从早上6点到中午14点温度逐渐升高，然后到次日的早上6点温度逐渐下降。 2 m合龙口间距随时间的变化曲线与温度的变化相反，从早上6点到中午14点间距逐渐变小，然后到次日的早上6点间距逐渐变大。说明间距变化曲线符合混凝土结构热胀冷缩的原理，又因为两塔斜拉桥边跨的刚度要比中跨的刚度大，在同样温度荷载作用下中跨向边跨侧移动，也会造成2 m合龙口随温度降低间距变大现象。

在早上6点(温度最低点)2 m合龙口游标卡尺读数为19.4 mm,7点游标卡尺读数为19.6 mm,8点为19.4 mm[5]。2 m合龙口间距最大的时间点与一天中温度最低的时间点并不重合，说明混凝土两塔斜拉桥合龙口间距的变化比温度荷载的变化要滞后1 h，早上7点为2 m合龙口间距最大的时间点。

4 合龙方案

4.1 边跨合龙方案

施工方首先提出利用边跨挂篮作为支架进行边跨合龙，通过迈达斯计算数据，200 t的挂篮加上230 t的混凝土湿重总共430 t的荷载重量，造成零号块附近出现6.7 MPa的拉应力，零号块主梁有很大开裂的风险。因此放弃挂篮作为支架的合龙方案，改用吊架进行合龙。

通过2.2.1节中边跨劲性骨架的计算数据，单个边跨合龙段共设置18 个临时刚性支撑，其中顶板10个，底板8个，顶板刚性支撑通过埋设的预埋件连接两端主梁，由于主梁底板预应力的影响，底板刚性支撑直接埋置在主梁混凝土内部。所有刚性支撑均采用[40a 的型钢组成。劲性骨架的焊接需要2 h，由于焊接点在高温状态下遇水极易出现脆断现象，在混凝土浇筑前焊接点至少需要1 h的时间进行冷却。

浇筑200 t位的混凝土需要2 h，混凝土初凝时间一般在48 min，根据3节中24 h温度线性的观测数据，早上7点是合龙口间距最大的时间点，所以混凝土浇筑时间在早上4点开始浇筑，劲性骨架的焊接时间在早上1点开始焊接。

边跨2 m合龙口混凝土的重量为200 t，通过迈达斯模拟计算压重，160 t的压重即可达到浇筑混土加载的效果。通过现场观测标高，混凝土压块达到150 t时，与模拟混凝土浇筑压重位移一致，在混凝土浇筑过程中要把等比例的混凝土压重置换出边跨。

合龙施工顺序： ①11#块最终张拉完成；②边跨挂篮下落；③边跨架设临时支架，调整标高、架设模板；④合龙口劲性骨架施工；⑤中跨12#挂篮前移到位；⑥边跨浇筑混凝土，边跨合龙，张拉合龙钢束；⑦对Z12(中跨拉索)进行第1次张拉165 t；⑧边跨最低正常养护7 d；⑨拆除边跨支架；⑩对中跨12#梁段浇筑混凝土，回到设计正常施工程序。

施工工艺如下：

安装预埋件：对照施工图校对预埋件尺寸和位置，防止预埋件位置出现错误；采用手工焊接时，贴角焊缝的高度要符合标准规定；预埋件划线使用水平仪确定其每排高度尺寸线位置偏差±1.5 mm，根据轴线和控制线确定左右位置尺寸位置偏差±1.5 mm及顶面位置尺寸位置偏差±1 mm，并用油笔清楚的标明。在技术部门及质量部门验线合格方可安装预埋。

张拉11号索： ①混凝土养生到强度后，先完成预应力施工，再次张拉斜拉索，旋紧梁底锚具上的螺母，使其与锚垫板密贴；②索力转换装置中的千斤顶活塞前行5 cm左右后，旋紧千斤顶前端拉杆上的张拉螺母，千斤顶再次进油张拉，使弧形板上的锁定螺母脱离弧形板，并将其外旋出7 cm左右；③千斤顶回油，则索力由弧形板上的锁定螺母转加到混凝土梁体上，完成索力转换工作。

转压重、挂篮下落：张拉完11号索，边跨转90 t压重，用吊车转移。

放松底模平台前段吊挂，解除底模平台后段吊挂，解除内模系统，将底模及内模系统放置滑梁上。

拆除挂篮大臂，连接精轧螺纹，用千斤顶慢慢下落，注意一次下落的高度应保证尽量相等，如不相等，及时调整。

安装支架，张拉吊杆：边跨安装分配梁、贝雷梁、工字钢以及底模；每根吊杆张拉力为25 t，使模板与合龙段两端主梁密贴，克服错台现象，防止漏浆。

模板安装：按下列顺序进行底模安装→(梁体底腹板钢筋安装、纵横向预应力管道、竖向预应力筋等安装完毕)→侧模安装。梁段模板安装的尺寸允许偏差和检验方法，符合表3的规定。

钢筋绑扎及预应力安装：所有进场钢筋、钢绞线、锚具等材料均须按规定抽检合格方准使用。钢筋绑扎按图纸要求进行，波纹管安装除插芯棒外，曲线段每50 cm、直线段每1.0 m设置一道定位U型钢筋，定位后的管道轴线偏差要求不大于0.5 cm。波纹管接头用大一号波纹管套接。接头波纹管长度30 cm，两头伸入15 cm，接头处波纹管切平，不能有卷曲翘起现象，防止穿钢绞线时钩挂。波纹管应有良好的水密性，并在施工中注意保护，如有烧伤现象，及时用胶带缠包，以免造成漏浆堵管，锚垫板与波纹管连接要稳固，接头要包缠封死，防止漏浆堵塞压浆孔。

表3 边跨梁段模板尺寸允许偏差和检验方法序号项目允许偏差/mm检验方法1梁段长±10尺量2梁高+10，03平整度31m靠尺测量不少于5处4垂直度每米不大于3吊线尺量不少于5处5孔道位置1尺量6梁段纵向旁弯10拉线测量不少于5处7梁段纵向中线最大偏差10测量检查8梁段高度变化段位置±109底模拱度偏差3测量检查10底模同一端两角高差211桥面预留钢筋位置10尺量

劲性骨架焊接：合龙劲性骨架事先按设计图纸预留调整尺寸下料，并焊接成半成品，条件许可的情况下应提前焊接一端，以减少锁梁时合龙劲性骨架的焊接工作量，缩短焊接工作时间，另一端安排18个焊接工人和电焊机在01:00同时加焊，确保所有支撑架应在规定的合龙时段内完成。合龙支撑与预埋件之间的焊缝最小高度不小于12 mm，焊缝长度不小于对接件接触的可焊范围，并需要连续施焊。

浇筑混凝土： 混凝土浇筑应在一天气温最低时(半夜4点)进行，采用水平分层两侧同时对称的方式浇注,由于预应力筋及预应力管道周围钢筋密集，尽量减少混凝土与钢筋的碰撞，以免影响混凝土浇注质量，振捣采用直径50 cm的插入式振动捧，水平分层宜控制在40 cm左右，保证振捣质量。振捣时特别注意振动捧不要抵紧波纹管振动，防止振破波纹管漏浆，并应遵循对称浇注的原则，混凝土浇注时，应注意标高、横坡及整体平整度的控制。在混凝土的振捣过程中，应特别注意把预应力钢筋锚具下和斜拉索锚箱的混凝土振捣密实。

混凝土养护： 混凝土浇注完成后，箱梁面应收浆抹面，并在初凝后终凝前进行第2次收浆并拉毛,防止表面收缩裂纹的产生，根据气候条件，最迟不超过6 h即覆盖或洒水养护，混凝土每天洒水次数以能保持混凝土表面经常处于湿润为准。

4.2 中跨合龙方案

中跨合龙是整个斜拉桥施工过程中最重要的一个环节，关系到整个工程的成败。利用挂篮作为支架对合龙段进行合龙，但在解除临时固结与焊接劲性骨架的先后顺序上，在专家会议上引起了争议。先解除临时固结再焊接劲性骨架，临工大桥是半漂浮体系，临时固结解除后整个桥梁成了机动体系，会对劲性骨架的焊接带来困难。先焊接劲性骨架后解除临时固结，传统临时固结解除方法施工方计算需要24 h，这样温度荷载的作用下主梁会产生很大应力，应力得不到释放，会对合龙口带来开裂的风险。

提出用灼烧法对临时固结进行解除，将临时固结的解除时间控制在1 h之内，这样温度荷载对主梁应力的增幅就控制在合理范围之内。临工大桥采用钢管混凝土代替硫磺砂浆作为塔梁临时固结的垫层，垫层的拆除极为方便，利用中跨合龙压块摆成水槽代替焊接水箱来置换混凝土浇筑重量。

合龙施工顺序： ①20#墩挂篮移到0#块；②19#墩挂篮移到合龙段，挂篮中心即为合龙段的中心；③加合龙段压重360 t,两边对称放置，每侧挂索处放90 t；④混凝土压块摆成4个25 t水箱内置塑料袋，对称放置，加水调整标高，并测量水的流速；同时注意水温控制，防止结冰，并将流出的水导流至桥下，严禁将水直接排放在桥面上；⑤观测主梁线形，塔的偏位，温差；⑥焊接临时锁定及劲性骨架；⑦解除塔梁固结；⑧浇筑混凝土；⑨解除临时锁定；⑩张拉中跨合龙束；拆除中跨合龙压重，包括挂篮。

5 结论

斜拉桥合龙施工方案应综合考虑结构特性、受力特点以及外在施工环境等多种因素，对温度线形进行24 h观测，确定了合龙的关键时间点，依次进行展开确定合理的施工顺序，保证了合龙正常进行，将施工风险降到最低。本文提出了灼烧法解除临时固结，采用钢管混凝土代替硫磺砂浆作为塔梁临时固结的垫层，用游标卡尺测距的方法确定合龙口温度线形随时间的变化，用临时压块摆成水箱代替传统焊接水箱，运用试算刚臂单元弹性模量的方法计算劲性骨架，这些方法适用于传统的混凝土斜拉桥合龙，对合龙口的顺利进行起到了关键作用。

[1] 项海帆. 21世纪世界桥梁工程的展望[ J ]. 土木工程学报, 2000, 33 (3) : 126.

[2] 山东省交通规划设计院.临沂市临工大桥施工图[Z].2012.

[3] 王存国，刘兆丰，赵人达.甬江斜拉桥索塔锚固区应力分析[J].公路工程，2009(6):140-144,157.

[4] 陈海兵，曾国良，陈明芳.混合梁斜拉桥钢混结合段的局部应力分析[J].公路工程，2009(6)：99-103.

[5] 张通，欧进萍.大跨度连续刚构桥悬臂施工期间温度场实验及分析[J].公路工程，2008(1)：23-27.

1008-844X(2017)03-0125-04

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2017-01-11

刘传奇(1985-)，男， 硕士研究生,主要从事桥梁施工研究。