刚性主桁梁柔性箱拱架设施工关键技术

彭鹏 ，覃宗华 ，毛昌庆

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040）

1 工程概况

沪通长江大桥是国家沿海铁路大通道中沪通铁路的控制性工程，上层为双线6车道锡通高速公路，下层为双线沪通铁路和双线通苏嘉城际客运专线，大桥全长11.072 km，跨江部分约5.8 km。大桥北侧跨越天生港专用航道，跨径布置为（140+336+140） m，为目前世界上最大跨径的公铁两用刚性梁柔性拱桥。天生港航道桥桥跨布置见图1。

图1 天生港航道桥桥跨布置（m）Fig.1 Bridge span arrangement of Tiansheng Port channel bridge(m)

主梁为带竖杆的华伦式桁架[1]，横向3片主桁结构，桁间距为17.25 m，边桁桁高15.7 m，中桁桁高16 m，节间距14 m，全桥共44个节间，最大杆件质量88 t。上层公路桥面和下层铁路桥面均采用正交异性钢桥面板的整体桥面，最大质量75 t，主梁断面为三主桁双层板桁结构，其结构如图2所示。拱肋为钢结构箱形截面，拱矢高60 m，吊杆为平行钢丝拉索。桥墩最高达51 m，常水位水面至拱顶高度达130 m。边墩（2号、5号）各设置2个多向活动边支座和1个纵向活动中支座；3号主墩设置2个横向活动边支座和1个固定中支座；4号主墩设置2个多向活动边支座和1个纵向活动中支座。

图2 三主桁双层桁板结构Fig.2 Three main truss double deck truss structure

2 上部结构总体施工方案

目前，刚性主桁梁柔性拱桥的总体架设方案一般为先架设主梁再架设拱肋的总体方案。钢桁主梁通常采用从两边跨同时向跨中单悬臂拼装架设方案[2]，即先在支架上安装架设边跨钢桁梁，后过主墩单悬臂向跨中架设直至主梁合龙，如果悬臂长度过大采取吊索塔架或临时支墩辅助架设。柔性拱通常采用在主桁梁上搭设钢支架，拱肋分节段直接在支架上拼装的方案。

天生港航道桥钢桁主梁底距常水位水面55 m，拱肋最高处距离钢桁主梁顶面约60 m。如果采用常规的支架法架梁边跨钢桁梁和支架法安装拱肋的方案，边跨支架和拱肋支架较高，临时工程量巨大。又由于拱肋节段重量大，对起吊安装设备要求高。同时，由于单悬臂架设主梁，导致架设工期长，影响后续的施工。通过技术、经济和工期综合比选，钢桁主梁采用从两主墩双悬臂对称吊索塔架辅助拼装的方案[3]。通过设置吊索塔架和双层扣锚索辅助，控制钢桁梁大悬臂时的杆件应力、悬臂端挠度及合龙前合龙口位移调整；柔性拱采用先在合龙后的主梁上搭设矮支架拼装成2个半拱，利用吊索塔架竖向转体的方案。即总体采用“先梁后拱，主梁双悬拼，拱肋竖转”的新工艺。

2.1 钢桁主梁施工

在主墩（3号、4号）两旁设置墩旁托架，浮吊配合塔吊安装墩顶4个节间钢桁梁[4]。每个墩顶4节间安装完成后，在4个节间钢梁上拼装2台75 t全回转桥面吊机。然后，每个主墩2台桥面吊机分别自主墩向边跨、中跨方向双悬臂对称拼装钢桁主梁。架设至相关节间挂设扣锚索，待边跨钢桁梁上边墩并支垫后，边跨末端三节间公路和铁路桥面安装配重，解除钢桁主梁与墩旁托架的连接，中跨单悬臂继续架设，挂设并张拉第二层扣锚索，调整安装合龙口杆件，形成三跨连续梁结构体系。钢桁主梁最大双悬臂对称拼装总体布置如图3所示。

图3 钢桁主梁最大双悬臂对称拼装总体布置Fig.3 General arrangement of maximum double cantilever symmetry assembly for steel truss main beam

2.2 柔性拱肋施工

主梁合龙后，在钢桁主梁上搭设矮支架，分两半拼装拱肋[5]。然后，利用吊索塔架和扣锚索钢绞线提升拱肋，沿拱脚处转轴竖向转体就位，最后安装拱肋合龙段。拱肋合龙后，安装吊索，完成全部上部结构安装。拱肋拼装如图4所示。

图4 拱肋拼装Fig.4 Arch ribbed assembly

3 架设施工关键技术

3.1 大跨钢桁主梁双悬臂对称拼装整体稳定性控制技术

双悬臂对称施工多见于混凝土连续梁或斜拉桥主梁施工[6]，在大跨钢桁梁架设施工中不多见。天生港航道桥钢桁主梁最大双悬臂架设长度达到140 m，边跨不设置水中抗风临时支墩，架设过程中的整体抗倾覆稳定性必须保证。借鉴混凝土连续梁或斜拉桥主梁双悬臂施工墩顶临时固结思路，采用在主墩两旁设置墩旁托架和墩顶纵向水平限位相结合的措施保证大悬臂状态下架设施工的整体稳定。

常规的墩旁托架[7]既考虑承受竖向又考虑承受横向不平衡弯矩，即“以刚克刚”。本桥钢桁梁底距离承台面接近55 m，如果依然采用此理论，墩旁托架结构的刚度和强度几乎与钢桁梁相当，托架结构与墩身必须固结，既不经济，也不合理。经研究，确定采用墩旁托架仅承受双悬臂状态下的竖向不平衡荷载弯矩，墩顶两个边支座纵横向限位抵抗双悬臂状态下的不平衡横向风荷载弯矩的方案，“柔性”的托架竖向支撑和“刚性”的水平限位相结合，即“刚柔并济”。达到了稳定钢桁梁的目的，同时简化了墩旁托架的结构，充分利用了主梁支座的纵横向限位作用。

为此，采用迈达斯计算软件对钢桁梁架设全过程进行施工流程分析计算，为仅得到墩旁托架的竖向反力，钢桁梁临时杆件与墩旁托架顶端采用弹性连接模拟。为得到边支座顺桥向的水平力，墩顶支座约束采用正式支座，中支座约束竖向、横桥向及顺桥向自由度，不约束相应转角，边支座约束竖向、顺桥向平动自由度，不约束相应转角，横桥向自由度和相应转角不约束。

模型中限制钢桁梁与墩旁托架、主墩约束，通过对钢桁梁大悬臂状态下钢桁梁结构恒载、扣锚索张力、临时施工荷载、风荷载、钢桁梁整体升降温、上下弦杆温差等单项荷载效应分析，确定了对整体稳定性影响较大的荷载依次为结构恒载、风荷载、临时施工荷载。计算分析考虑正常风荷载和极限风荷载2种施工状态，正常施工标准组合、极限风速状态标准组合、正常施工抗倾覆组合、极限风速状态抗倾覆组合共4种荷载组合，选取最不利荷载组合，其计算结果作为墩旁托架和边支座纵向临时限位结构设计及其稳定性计算的依据。

3.1.1 墩旁托架结构布置

根据钢桁梁悬臂拼装流程计算分析，设计墩旁托架和临时杆件。强度和刚度结合双悬臂架梁过程中吊索塔架扣锚索索力协调受力考虑，满足钢桁梁整体抗倾覆要求。墩旁托架采用格构柱结构与墩身扶墙连接，格构柱支撑设置于每片主桁的临时杆件下方，底部支撑在承台上。墩旁托架结构布置示意见图5。

图5 墩旁托架结构布置Fig.5 Structure arrangement of pier side bracket

3.1.2 边支座纵向限位结构布置

3号墩主墩边支座是纵向约束固定支座，能利用边支座抵抗双悬臂状态下的不平衡横向风荷载。4号墩主墩边支座是多向活动支座，对边支座上座板进行限位，以抵抗不平衡横向风荷载。边支座纵向限位结构布置如图6所示。

图6 边支座纵向限位结构布置Fig.6 Layout of longitudinal limit structure of side support

3.2 双层板桁结构三主桁相对高差控制技术

天生港航道桥的主梁为双层板桁结构，三片主桁之间上层公路面板和下层铁路面板均采用正交异性整体钢面板，钢面板与主桁箱形上、下弦组合共同受力。钢面板横梁腹板与主桁采用高强度螺栓连接，其余纵横向均采用现场对接焊缝。单块公路桥面板最大质量约70 t，单块铁路桥面板最大质量约85 t。

国内目前采用三主桁且公、铁路全是钢面板的大跨钢桁主梁结构较少，大多为双主桁结构。桁板结构主梁的架设顺序一般为先主桁片，后桁片之间的钢面板。对于双主桁结构，两片主桁共同分担钢桥面板的重量，桥面板安装后两片主桁的变形几乎一致。但对于三主桁结构就有很大不同，在三主桁刚度差异、桥面吊机支腿反力差、三主桁片安装不对称及施工偏载等因素的影响下，三主桁变形会产生较大的偏差。天生港航道桥的钢桥面板质量占节间总质量的51%，自重大，中桁承担自重荷载约为边桁2倍，导致钢面板安装后中桁变形大于边桁，单节间约3 mm，若不予修正，钢面板焊接时该高差和相对角度将被固化累加，因相对角度的存在，后续节间安装时三桁高差将呈不断扩大趋势，经过计算模拟最终将会达到约130 mm的三桁高差趋势。因此架设过程中必须采取措施控制三桁相对高差，最终达到设计要求的线形和标高。

经过理论计算与现场调整比对，采取了以下的控制技术：1）调整主桁杆件与桥面板安装焊接顺序，即在边桁超前中桁一节间条件下，进行上一节间桥面板焊接，实现对上一节间边桁压重的效果，适当调小冲钉等措施，控制三桁高差在规范允许范围内；2）桥面板横缝待主桁及联结系安装完毕在本节间施焊，纵缝可滞后1或2个节间施焊，采用对称同向焊接；3）通过调整架梁吊机三支点反力均衡，控制支点反力差对钢梁前端高差影响；待高强螺栓终拧后吊机前移至本节间工作；4）安装钢桁梁杆件时，利用桥面吊机微调钢梁杆件前端标高至监控计算值，严格控制钢梁安装线形。

3.3 双层板桁结构三主桁跨中合龙技术

钢桁梁中跨合龙是由单悬臂体系转换成连续体系的过程，合龙特点是要精确调整钢桁梁合龙口的轴线位置和转角。由于在大悬臂状态下，钢桁梁前端竖向变形较大，必须先采取措施调整其变形和转角，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。将跨中合龙口两侧钢桁梁上、下弦杆的三维相对转角均调至为0，实现在跨中合龙口无轴力、无弯距、无剪力的无应力状态下合龙杆件的对接。目前采用的方式主要有：1）抬高主墩处支点标高或升降边支点处标高；2）跨中辅助墩调整标高；3）吊索塔架扣索张拉力调整。对于大跨重载的钢桁梁合龙调整措施，由于悬臂端竖向变形大、自重大，单独的采用一种方式调整，都存在诸多的困难和风险，一般都是几种方式的结合。经过分析计算，结合拱肋竖转用吊索塔架，天生港航道桥需采用吊索塔架扣索张拉力调整、升降边支墩、主墩水平顶推等方式改变边、中支点相对高差，达到调整的目的。

3.3.1 三钢桁主梁跨中合龙的难点

1）钢桁梁刚度大。三主桁双层板桁结构比普通的两桁结构或三桁桁片结构的刚度大，合龙点坐标调整难度大[8-9]。

2）合龙点多、精度要求高。钢桁梁杆件合龙点为15处，其中6根弦杆、6根斜杆和3根竖杆，要保证15个点都能精确对位，施工控制难度大；合龙口结构示意如图7所示。

图7 合龙口结构示意图Fig.7 Structure of closure

3）合龙点空间坐标的变化因素多。顺桥方向受温度、钢梁制造与安装偏差的影响；竖向方向受安装荷载、三主桁变形不同步、日照的影响；钢梁中线上下游方向受日照、钢梁安装顺序及起吊荷载的影响。顺桥向和竖向方向相互制约，合龙点的位置难以控制。

4）结构体系转换频繁。经过计算，钢桁梁边跨上墩后，边跨配重4 000 t方可向中跨单悬臂拼装并在此阶段完成托架落架施工。合龙段施工前需要调整扣索索力、调整2号和5号边墩墩顶高程及解除4号墩纵梁约束，结构体系转换较为频繁。

3.3.2 双层板桁结构三主桁快速合龙创新技术

合龙的总体思路首先是进行敏感性分析，它是保证所采用调整措施符合工程实际的重要方法。在实际的施工过程中，钢梁调整有多种方式，如升降边支点的粗调、温度变化的影响、合龙口横向对拉精调等，这些方法中，有些是主动措施，有些则属于被动措施，钢桁梁在合龙之前应分析不同调整措施的敏感性水平，确定各调整措施的作用力效果和大小。其次是合龙前48 h连续详细测量合龙口两侧钢梁的纵横竖偏移及转角和温差、日照影响，根据测量资料认真分析研究调整方法与步骤。目前，三主桁合龙较多采用先贯通中主桁，再合龙两边主桁的原则。针对双层板桁结构的跨中合龙难点，本工程首次提出了钢桁梁分步合龙技术，即先合龙两边主桁，贯通后再合龙中桁的工艺，将三主桁合龙简化为两主桁合龙，改变常规三桁桁梁的先中桁后边桁的合龙原则，缩短了合龙周期。

3.3.3 跨中合龙的方法及措施

根据敏感性分析计算和合龙口两侧钢桁梁的测量数据，研究采用如下的调整方法和措施：

1）取消常规钢桁梁预先纵移使合龙口节点间距满足“长圆孔铰接”合龙要求，直接实现高栓孔合龙，完成精确合龙，一步到位，减少了合龙调整的步骤和时间。

2）采用调整边墩支点、张拉吊索塔架第二层扣索及主墩（4号墩）钢梁整体往跨中顶推等措施粗调，同时，上下弦杆杆件合龙口设撑拉杆、手拉葫芦及温度变化等措施精调；跨中合龙口调整示意如图8所示。

图8 跨中合龙口调整示意Fig.8 Adjustment of closure in the midspan

3）为减小合龙口杆件刚度，合龙段的前一个节间公路、铁路桥面板暂不安装；

4）将合龙口斜杆、竖杆插入式接头变更为拼接式接头，减小合龙杆件的安装难度。

3.4 柔性三拱肋同步竖转控制技术

天生港航道桥拱肋为箱形截面，跨度大、刚度小，目前常规的施工方法是在主梁上搭设高支架拼装拱肋节段，由于拱肋距桥面高达60 m，且拱肋节段重，常规工艺无法实现，经研究采用转体施工。拱肋的转体施工目前国内外有很多成功案例，但对于箱形柔性拱肋三主桁转体案例极少。就“柔性拱”而言，因拱肋跨度大、刚度小，转体过程易产生较大变形，并出现受扭或局部应力过大情况。就“三主桁”而言，须在拱肋转体全过程中保持三片拱肋同步性，若不同步，将给拱肋横联受力造成不利影响，必须先开展竖转敏感性和施工流程分析计算，进行理论研究和实际操作。经敏感性分析，将拱肋不同步严格控制在50 mm以内，保证拱肋间平联应力处于可控范围内。首次提出了“主辅牵引同步提升的柔性拱肋转体施工方法”，转体过程中，在每片拱肋上设置2束牵引索，前端作为主牵引索，承担拱肋转体牵引功能，后端索作为辅助索，既保证转体过程中的拱肋整体稳定性，又用以调整拱肋线形，改善拱肋应力状态。

为了竖转的安全可控，研发应用多主桁柔性拱多点同步提升设备与控制系统，首次实现三片主桁同步提升竖转。多点同步提升设备与控制系统由提升油缸、钢铰线、拉索锚固系统、液压泵站传感检测及计算机控制和远程监视系统等组成。通过计算机控制和液压驱动来实现组合和顺序动作，以满足施工要求。

为实现拱肋竖转全程实时监控，研发了三拱肋竖向转体实时监控平台，监控人员可以在计算机上实时查看各拱肋的转体进度、拱肋间高差值、关键部位受力情况等数据，确保转体过程全面受控。

4 结语

天生港专用航道桥的三主桁刚性梁柔性拱结构，钢桁主梁跨度大，结构复杂，双悬臂拼装跨度长，结构刚度大，合龙对位点多。柔性三拱肋跨度大，刚度小，竖转同步及变形难度大。在主梁拼装稳定性控制、三主桁相对高差控制、钢桁主梁合龙、三拱肋竖转等施工环节采用诸多创新性的关键技术，为施工安全提供了可靠保证，将我国钢结构桥梁的创新之路又向前推进了一步，也为今后类似钢桥架设提供了借鉴。