沌口长江公路大桥主桥钢箱梁架设关键技术

罗航 ，郑建新

1　工程概况

沌口长江公路大桥是武汉市四环线的重要组成部分和跨越长江的关键性控制工程之一。跨江主桥为双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，跨径布置（100+275+760+275+100）m。索塔为钻石形结构，塔高233.7 m。主梁为PK断面钢箱梁，含风嘴顶板全宽46 m，不含风嘴顶板宽43.2 m，中心线处梁高4 m，共127个节段，标准节段长12 m，标准横梁间距3.0 m，采用1 860 MPa平行钢丝斜拉索。桥型布置如图1所示。主梁标准横断面如图2所示[1]。

2　钢箱梁架设总体施工方案

2.1　总体施工工艺

钢箱梁安装分8个类别：塔区支架上0—2号梁段、临时墩顶梁段、辅助墩支架上梁段、过渡墩支架上梁段、过渡墩和辅助墩之间的支架上的存梁段、标准梁段。

图1　沌口大桥主桥桥型布置图(m)Fig.1　Overall layout of Zhuankou main bridg(m)

图2　主梁标准横断面图（cm）Fig.2　Standard cross section of the main beam(cm)

1）临时搁置在支架上的梁段（辅、过渡墩之间支架梁段和墩顶梁段、塔区支架上0—2号梁段及临时墩顶梁段）均采用大型起重船临时吊装在支架上存放。

2）除塔区支架上0—2号梁段、墩顶梁段在支架上调位安装外，其余梁段均采用桥面吊机悬臂拼装。

3）中跨采用顶推辅助合龙方案。

2.2　施工特点

1）上部结构钢箱梁除塔区及墩顶节段采用支架施工外，其余采用全悬臂吊装，悬臂长，影响线形及内力控制的因素较多。

2）钢箱梁吊装施工及安装精度控制难度大。

3）中跨采取顶推辅助合龙施工，需精心组织。

4）结构跨度大，几何非线性效应明显。

3　钢箱梁架设施工关键技术

对结构的施工过程、构件制造、匹配、张拉措施等进行全面分析，以实现控制的目标状态。

3.1　塔梁临时约束体系设置

沌口大桥跨江主桥施工过程中，为便于对悬臂拼装状态的梁体进行约束，以及基于中跨合龙的考虑，在塔梁间分别设置了纵向、横向、竖向临时约束。

通过有限元分析，施工过程塔梁临时铰接竖向最大压力为10 951 kN，最大拉力912 kN；施工过程纵向最大不平衡力4 079 kN，纵向同时考虑中跨合龙时顶推的需要，最大不平衡力5 740 kN；横向最大受力3 092 kN。

纵向约束布置在阻尼器安装的位置，北塔边跨纵向约束兼顾作为后续的顶推合龙辅助措施。北塔纵向约束结构由钢箱梁阻尼纵向约束底座、纵向约束支撑杆、撑脚、牛腿等部分组成。钢箱梁阻尼纵向约束底座用于阻尼器安装，为永久性结构，各项受力性能均满足塔梁纵向约束要求。纵向约束支撑杆采用φ426 mm×16 mm无缝钢管，撑脚及牛腿为钢板焊接件。根据有限元分析，在纵向力作用下，撑杆最大应力为146.1 MPa，撑杆连接件耳板最大应力为96.2 MPa，强度满足要求。弯矩作用平面内撑杆应力为164.9 MPa，稳定性满足要求。在纵向应力作用下，撑脚的最大应力为62.9 MPa，牛腿的最大应力为114.2 MPa，强度满足要求。焊缝最大应力83.4 MPa。纵向约束和顶推结构满足施工过程及中跨顶推辅助合龙施工需求。

横向约束由横向抗风支座提供，横向抗风支座的设计水平力为8 000 kN，并在塔柱与钢箱梁塔区梁段边腹板间单侧设置4个φ800 mm×8 mm钢管限位。

索塔处竖向支座设计为球形支座，单个支座设计竖向力12 500 kN，考虑竖向支座的承载力及施工便利性，施工过程中塔梁临时铰接竖向压力由永久支座承担。为克服施工过程中塔梁处竖向拉力，在下横梁与0号钢箱梁间设置12根直径36 mm的精轧螺纹钢，单根精轧螺纹钢张拉力为150 kN，理论上共可提供1 800 kN的预紧力，能够满足平衡上拔力及安全储备的需要。同时在支座两侧布置8个临时支墩作为保险措施。

塔梁临时约束总体布置如图3所示。

图3　塔梁临时铰接总体布置图Fig.3　Overall layout of tower-beam temporary hinge

3.2　塔区钢箱梁架设技术

塔区梁段共计5榀钢箱梁。岸侧S01及主塔处T00梁段采用起重船（起重船采用苏航工868，最大起重量800 t）吊装在岸侧存梁支架后，滑移至目标位置，S02梁段直接采用浮吊存放至目标位置；江侧M01、M02梁段受施工塔吊的影响，先采用起重船存放于支架上，待主塔钢锚梁安装完成且拆除江侧施工塔吊，将梁段滑移至目标位置。T00梁段重388.9 t，滑移摩擦力为388.9 kN，滑移距离12 m，采用60 t千斤顶及φ32 mm精轧螺纹钢进行牵引施工。

图4　塔区梁段支架布置图Fig.4　Layout of beam section support in tower area

0号块梁段存梁支架主要由钢管桩（立柱）、平联、斜撑、主横梁、轨道梁、附墙等部分组成。钢立柱采用φ1 000×10的钢管，平联为φ600×8，斜撑采用2[25a，立柱上设3HM700×300主横梁，主横梁上根据坡度设垫块，垫块上搁置2HN900×300轨道梁，轨道梁上设临时滑道。塔区梁段支架布置如图4所示。

每个钢箱梁节段在横隔板底部布置4个存梁及滑移垫墩，在垫墩旁布置三向千斤顶，千斤顶用于钢箱梁平面位置及高程的调整，调整完成后千斤顶卸压，由垫墩承受钢箱梁荷载。T00梁段调位完成后，在梁段两侧增加临时垫墩，再安装竖向精轧螺纹，用于固定梁段，再依次调节1号、2号梁段与T0梁段匹配，逐片焊接钢箱梁。之后进行纵向临时约束、斜拉索牵引及张拉、吊机安装及试验作业。

3.3　悬臂钢箱梁架设技术

悬臂钢箱梁采用双桥面吊机吊装施工，全桥共需8台桥面吊机。根据现场实际情况及现有桥面吊机资源，南北岸中跨及北岸边跨采用225 t钢绞线提升系统桥面吊机，南岸边跨采用250 t卷扬机提升系统桥面吊机。桥面吊机主要由构架、提升系统、行走系统、调位系统、扁担梁及工作平台等组成。

钢箱梁悬臂安装控制的重点为梁段的匹配和斜拉索的张拉。

梁段起吊后，经粗匹配、精匹配最终达到目标安装位置。匹配流程为：

1）用变幅桥面吊机纵向调位油缸推动提升到位箱梁节段至已安装箱梁节段边缘。

2）利用扁担梁上的调平油缸调整吊装钢箱梁的纵坡与已安梁段相匹配。

3）用单台桥面吊机升、降调整箱梁节段与已安装箱梁节段横向相匹配。

4）用卷扬机调整待安装梁段标高，使其与已安装梁段连接端口位置处于同一标高上。

5）用变幅机构中纵向调位油缸推动提升到位箱梁节段至与已安装好箱梁节段止顶板相接触[2]。

6）温度稳定时进行悬臂前端3个梁段控制点的相对平面位置及高程局部测量。

7）调整匹配梁段上、下游控制点相对高差及轴线。

8）复测悬臂前端局部线形与轴线，满足精度控制要求后，焊接固定止顶板处交叉限位板，拧紧匹配件螺栓，锁定吊机。

9）腹板和顶板局部残余高差用马板配合千斤顶调整。

梁段焊接完成后即进行斜拉索的挂设和张拉。受现场条件影响和施工便利性的需要，施工中临时荷载或方案会有调整，张拉索力则需及时修正。采用传统的梁段匹配焊接、斜拉索挂索一张、吊机前移、斜拉索二张、梁段吊装施工流程，悬臂标准节段施工周期约6 d。

考虑钢箱梁结构材料的允许应力幅较大[3]，经方案分析及计算综合考虑，沌口大桥斜拉索实施“一次到位”的张拉方案，同时，在梁段精匹配过程根据误差及参数识别结果对索力进行微调，以消除架设过程中的累计误差。标准节段施工及控制优化流程如图5所示。

图5　标准节段施工及控制优化流程图Fig.5　Construction and control optimization flow chart of standard section

理论计算及现场实施时，斜拉索一次到位张拉即控制斜拉索至成桥状态下的无应力索长。采用上述施工及控制优化流程，可以在节段焊接完成、斜拉索挂索完毕后即刻进行一次到位张拉，不受温度等因素限制，索力的微调和精匹配可以在同一温度稳定时段进行。且施工过程主梁最大应力为-98.0 MPa，斜拉索安全系数大于2.50，结构受力处于合理范围。

通过流程的优化，现场实施过程中，悬臂标准节段施工周期缩减至4 d，累计节省工期约30 d。

3.4　中跨合龙技术

沌口长江公路大桥中跨合龙设计基准温度为15℃，在该温度状态下进行中跨合龙，对永久结构不会产生不利影响。在实际施工中，受合龙时机及自然条件的影响，合龙时的环境和结构温度均将与基准温度存在差异。根据施工进度安排，主桥中跨合龙时间在6月上旬，整体温度较高，且昼夜温差较大，温度变化1℃时合龙口间距影响量约9 mm。为尽量减少温度对结构状态的影响，同时方便施工，选择顶推辅助合龙作为本桥的中跨合龙实施方案。

合龙方案思路为，根据实测的温度、合龙口间距确定基准温度下合龙段长度，由南岸桥面吊机单侧起吊合龙段，北岸侧塔梁纵向临时约束兼顾作为纵向顶推装置单侧顶推北主桥进行合龙。采用顶推辅助合龙可修正悬臂梁长误差，确保主梁基准温度下无应力总长度不变，对成桥结构内力与线形影响小[4-7]。合龙段起吊如图6所示。

图6　合龙段起吊示意图Fig.6　Lifting sketch of the closure section

合龙段起吊需要的操作间隙按50 mm控制，喂梁选择在阴天或者白天下午钢箱梁顶底板平均温度在31℃以下时进行，温度对合龙口宽度的影响约150 mm。为满足顶推施工的要求，顶推装置的顶推行程按20 cm设计，所需顶推力为572 t。

沌口长江公路大桥主桥中跨合龙施工步骤：

1）S30、M30斜拉索一张后，进行梁面施工临时荷载清理，南岸桥面吊机吊具更换为MH梁段吊装吊具。北岸桥面吊机向岸侧回行6 m后锚固、南岸桥面吊机向江侧前移9 m后锚固。

2）南北岸中跨各配置1/2MH梁段重量，模拟合龙段安装工况。通过M29、M30斜拉索索力或临时配重等措施对南北岸合龙口标高、转角进行调整。

3）解除塔区横向临时约束及北岸竖向临时约束，北岸仅保留纵向约束及永久支座，进行南北岸轴线调整。

4）进行合龙口量测，确定北侧主梁向岸侧的顶推量及顶推力，保证合龙段的吊装空间，同时确定中跨合龙段钢箱梁长度。

5）M31梁段1/2MH配重拆除，北半桥向北侧纵向顶推，保证MH梁段吊装空间，南岸桥机起吊MH合龙梁段。

6）使MH梁段顶面与NM31梁段顶面持平，将MH梁段、NM31梁段通过匹配件栓接，使顶底板、边腹板对齐，在合龙段安装支撑型钢。

7）桥面吊机缓慢落钩，平均分配合龙梁段重量到NM31、SM31梁段，吊具钢丝绳松弛，对MH梁段初调。

8）晚上气温恒定时，通过索力、配重、手拉葫芦对拉和北半桥向中跨回顶等辅助措施对MH梁段缝宽、轴线和标高进行精确调整。焊缝宽度及梁段匹配满足要求后，迅速将MH梁段与NM31，SM31钢箱梁匹配、打码作业。

9）解除北塔顶推辅助装置，合龙段两侧焊缝同时开始焊接，完成后解除南塔塔梁间临时约束。

3.5　施工控制技术

针对沌口大桥结构及施工特点，施工控制采取全过程几何控制理念，即通过对结构构件制造和安装等关键环节的全过程高精度控制，从而实现结构最终控制的目标状态。具体思路为：1）以几何控制为指导原则；2）制造阶段中，严格按照主梁及斜拉索等构件的无应力构形进行结构构件的制造；3）架设阶段中，根据施工全过程仿真分析得到主要结构参数误差因素，确定初始架设参数，加强监测，并依靠索力等主动调节悬臂架设线形，消除架设过程中累计误差。主梁匹配过程中，由无应力制造线形确立的梁段间夹角，控制匹配梁段在局部坐标系下相对关系，保证了线形的平顺性。根据实测的温度、合龙口间距确定基准温度下合龙段长度，最终满足无应力合龙要求。

4　结语

沌口大桥主桥通过临时结构的合理布置、施工方案的优化、过程的精心组织和严格控制，有效实现了钢箱梁双桥面吊机悬臂拼装施工。为大跨钢箱梁斜拉桥的施工提供了参考。该桥于6月5日下午进行了纵向顶推及合龙段吊装，根据吊装时温度及合龙段喂梁安全需要，实测顶推量约14 cm。6月6日凌晨顺利实现了全桥合龙，合龙段轴线5 mm，标高与目标值的误差为2 mm，取得了良好的实施效果。

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