瓯江北口大桥双层钢桁梁吊装施工新技术

付文宣，江晓阳，彭志辉，刘晓欢，杨苏海

(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； 3.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430040)

1 概述

温州瓯江北口大桥位于温州市瓯江海口，连接瓯江两岸，是甬台温高速公路复线和温州市南金公路两大项目跨越瓯江的控制性工程。项目全长7.913 km，其主跨瓯江主桥2 090 m。主桥采用三塔四跨连续双层钢桁梁悬索桥(见图1)，上层高速公路(双向六车道，桥面宽33 m)，下层一级公路(双向六车道，桥面宽34.5 m)。其主缆跨度为(230+800+800+348)m=2 178 m，梁跨布置为(215+800+800+275)m=2 090 m[1]，三塔均采用钢筋混凝土结构。塔顶主缆理论交点高程151 m，主缆最低点高程71 m，矢高80 m，矢跨比1/10。

图1 瓯江北口大桥主桥立面布置图(单位：m)

主桥钢桁梁为板桁组合式整体加劲梁(见图2)，桥面板参与主桁共同受力。单个加劲梁节段主要由两片间距为36.2 m的主桁、一个上层公路桥面板节段、一个下层公路桥面板节段，以及吊索牛腿组成。通过专业制造厂家整节段制造，在工厂试拼组装完成后发运到施工现场，再采用栓焊结合的方式连接成桥。全桥加劲梁划分为110个吊装节段，吊装总重约8万t，节段长分6种类型(8.4、10、18.45、19.35、20、20.2 m)，标准节段吊装重量约707 t，边跨端部梁段最大吊装重量约796 t。

图2 主桥加劲梁构造图(单位：cm)

2 加劲梁吊装施工难点及特点

瓯江北口大桥加劲梁吊装施工因质量要求、工作条件、环境等影响因素，其工程难点及特点如下：

a.桥址区域航运繁忙，加劲梁安装需占用部分主航道，施工工期紧张，且全桥加劲梁吊装处于台风高发期，气温高、降雨量大，施工风险大[2]。

b.三塔四跨悬索桥结构受力复杂，中塔采用的A型框架混凝土刚性塔，为国内三塔悬索桥结构首次采用，主缆为非线性大变形体系，加载时存在滑移风险[3]，加劲梁吊装前需制定合理的施工顺序，选择合适的吊装位置。

c.加劲梁包含压重段在内最大吊重为813 t，国内现有缆载吊机无法满足梁段吊装需求[4]，采用的吊重1 000 t 缆载吊机是世界最大吊重缆载吊机(见图3)，为国内首创设计。另外，为了满足吊装稳定性要求，主跨跨中单节间梁段与相邻节段拼接后起吊，两个梁段一起吊装最大吊重为1 050 t。

图3 1 000 t缆载吊机构造示意图

d.两主跨跨中主缆和加劲梁相交300 m范围内，主缆高度低于加劲梁(见图4)，梁段提升高度较高，无法采用常规缆载吊机一次性吊装到位。

图4 主跨跨中缆梁相交段示意图

e.南、北两侧过渡墩及边跨位置为陆上浅滩区，大型船舶及水上起重设备无法进场，运梁船不能直接就位[5-6]，梁段吊装需通过滑移支架或运梁车多次转运，工艺繁杂。

f.两岸滩区滑移支架为高于地面或水面40多米超高结构，施工时起重吊装频繁，且与主缆施工存在交叉作业，吊高空间受限，存在安全风险。

g.桥址两岸滩区地质条件为表层30余米的淤泥层地质，承载力差；梁段尺寸大、自重大，支架的钢管桩单桩竖向承载力大，桩长较长，钢管桩施沉与拔除存在较大难度[7]；两岸存在抛石区，需要提前处理，保证钢管桩施沉质量。

h.本项目共分为4个标段，其他单位已完成的塔柱没有提前安装预埋件，两岸滩区滑移支架和塔区存梁支架的附墙需要重新植筋，高空植筋质量控制难度大。

3 加劲梁整体吊装方案

主桥的桥跨布置及梁段编号从南到北依次分为：南边跨(NB01～NB13)、南塔(NT03～NT01)、南主跨(NZ01～NZ39)、中塔(ZT03～ZT01)、北主跨(BZ39～BZ01)、北塔(BT03～BT01)、北边跨(BB10～BB01)，总计 110个吊装节段。加劲梁通常采用整体阶段提升法架设[8]，结合本项目大桥所处地理环境、加劲梁吊装条件、工期要求、施工安全和经济技术指标等因素，综合统筹选定4台1 000 t 缆载吊机(两主跨各两台)、6台1 400 t分体式缆载吊机(两主跨各两台，两边跨各一台)、2辆14轴液压模块车(北主跨)等关键施工设备。另搭设南岸滩区滑移支架、南塔存梁支架、中塔存梁支架、北塔区滑移支架、北塔存梁支架、北岸滩区滑移支架辅助安装(见图5)，为后续加劲梁吊装提供条件。整个主桥加劲梁吊装工艺复杂，根据加劲梁结构特点、安装位置、所处环境等因素，加劲梁梁段分区域采用不同的安装工艺，如表1所示。

表1 各个部位加劲梁吊装工艺

图5 加劲梁吊装方案及支架位置示意图

加劲梁吊装前需做好相应的施工准备：安装南、北边塔主索鞍时，根据监控指令往边跨侧预偏；搭设施工各区域滑移、存梁支架，完善北岸陆上运梁道路；安装索夹及吊索，安装用于分体式缆载吊机吊装的临时索夹；猫道改吊，悬挂于主缆之上；通过塔顶门架和塔吊相互配合，安装缆载吊机并完成荷载试验，调试、取证后行走至对应位置。

加劲梁整体吊装施工工艺流程如图6所示。

图6 加劲梁吊装工艺流程

4 加劲梁吊装施工关键技术

4.1 主跨加劲梁吊装

两个主跨共计39×2=78个节段(包含4个合龙梁段)。通过对主跨加劲梁不对称加载分析，为保证中塔处主缆钢丝与鞍座槽间抗滑移安全要求，需严格控制两个主跨加劲梁吊装的同步性，两个主跨梁段按200 t进行分级加载，并采取北主跨先加载、南主跨后加载的顺序。跨中缆梁相交300 m范围内，加劲梁顶面距主缆底面小于3 m，共32个吊装节段，无法采用缆载吊机直接吊装到位，采用“1 000 t缆载吊机+接长吊索+1 400 t分体式缆载吊机”竖直接力提升(如图7)，接力提升工艺复杂、难度大；其余位置梁段用1 000 t缆载吊机直接吊装到位。所有杆件在工厂制作完成后，通过大型运梁船舶将钢梁整节段运输至桥位区，由跨中向两侧对称同步吊装。其中首节段NZ19、NZ20梁段和BZ19、BZ20梁段采用厂内栓焊，整体进行抬吊。

(a)1 000 t缆载吊机

4.2 南边跨加劲梁吊装

4.2.1南岸滩区吊装方案及滑移支架设计

南边跨共13个节段，采用分体式缆载吊机吊装，与主跨匹配进行竖直提升。其中，南岸180 m范围浅滩区有8个吊装节段，端部NB01、NB02梁段为无索区(见表2)，船舶吃水深度不够，运梁船无法将梁段运输到指定位置吊装，故在水中搭设南岸滩区滑移支架来满足滩区梁段吊装要求[9]。NB01、NB02梁段两侧无吊点，需在底部增设托梁来搁置、提升梁段，托梁在全桥加劲梁吊装完成后和支架一同拆除。托梁重量约150 t，考虑托梁重量后梁段最大吊重约950 t。梁段自重考虑不均匀系数1.2和冲击系数1.05。

表2 南岸滩区梁段参数表

南岸滩区滑移支架结构分为下滑道、提升支架、存梁支架这3部分，支架端头设有附墙与边墩连接，附墙埋件为植筋，支架整体结构如图8所示。其中钢管桩(∅820 mm×10 mm)、钢桁架2(HN800 mm×300 mm)、主横梁(3HN800 mm×300 mm)、主纵梁(2/3HN800 mm×300 mm或321 mm贝雷)、平联(∅600 mm×8 mm)、及斜撑(2[28a)采用Q235B材料，轨道梁(4HN800 mm×300 mm)、钢桁架1(HN900 mm×300 mm)、部分主/纵横梁(2HN800 mm×300 mm)采用Q345B材料。

(a)支架总平面布置图

采用分体式缆载吊机荡移卸船边跨NB01～NB08梁段到下滑道，并滑移至指定吊装位置存梁。提升支架位于NB03梁段下方，作用是提升NB01、NB02梁段，且可以临时存放NB03梁段。存梁支架用于存放无索区端梁NB01、NB02梁段，根据监控指令进行栓焊和吊索连接施工。NB03梁段与永久吊索连接后，拆除提升支架处钢桁架，保证NB04梁段提升空间，最后完成南岸边跨其余梁段及合龙口加劲梁架设。其中NB11梁段为合龙段，NB13梁段在架设过程中与北塔区梁段进行体系转换施工。南岸滩区加劲梁存梁及吊装示意如图9所示。

图9 南岸滩区加劲梁存梁及吊装示意

受上方主缆施工影响，塔吊难以满足施工支架的要求，选用180 t履带吊施工支架，即在下滑道上搭设贝雷梁桥面系作为履带吊行走辅助施工平台，履带吊“钓鱼法”施工下滑道钢管桩以及分块吊装施工提升支架及存梁支架。提升支架处钢桁架1(长27 m，重110 t)、钢桁架2(长55 m，重105 t)和存梁支架处大平联(长32.2 m)重量大，施工时需要在下方搭设辅助钢管桩，并增加分节数量，减少单次最大起重量。支架全部搭设完毕后，将影响施工的辅助桩拆除；大平联处辅助桩不影响施工，可不拆除，参与支架整体受力。

4.2.2南岸滩区滑移支架计算

根据支架受力最不利原则，主要工况考虑如下：①非工作工况：支架搭设完成，在水流力、波浪力和最大风速(12 级风))条件下，还未进行提梁、梁段滑移拼装；②小风存梁工况：在水流力、波浪力和工作风速(8级风)条件下，NB01～NB08进行梁段存放；③大风存梁工况：在水流力、波浪力和最大工作风速(12级风)条件下，仅在支架下滑道79.5 m范围内存梁，且每片梁之间的净间距不小于7 m；④滑移工况：在水流力、波浪力和工作风速(8级风)条件下，进行提梁、梁段滑移拼装。

经有限元软件分析计算，滑移支架Q345构件最大组合应力бmax=263 MPa

根据屈曲分析原理对结构进行屈曲分析：屈曲荷载=不变荷载(自重)+屈曲系数×可变荷载(梁段重量、施工荷载、风荷载、水流量、波浪力)，计算得屈曲模态特征值系数最小为13.7>4，支架整体稳定性满足使用要求。

4.3 北边跨加劲梁吊装

4.3.1北岸滩区吊装方案

北边跨在陆地上，共10个节段(BB01～BB10)，采用缆载吊机荡移卸船+北塔区滑移支架滑移+模块车转运+分体式缆载吊机提升+北岸滩区滑移支架存梁的方式来吊装。首先采用缆载吊机荡移卸船边跨梁段到北塔区滑移支架进行滑移上岸，再通过2辆14 轴液压模块车将梁段转运至对应位置进行临时存放，最后根据主跨吊装进度及监控指令进行分体式缆载吊机竖直提升施工，其中 BB09 梁段为合龙段，BB10梁段在架设过程中与北塔区梁段进行体系转换施工。北边跨加劲梁吊装示意如图10所示。

图10 北边跨加劲梁吊装示意

4.3.2北岸滩区滑移支架计算

北边跨端部无索区梁段(BB01～BB03)参数与吊装工艺与南边跨端部梁段相同，北岸滩区滑移支架为陆地上落地支架，钢立柱下设扩大基础，支架结构分为提升支架、存梁支架两部分。由于钢立柱扩大基础埋深浅，提升支架处设置风揽来抗倾覆，计算时仅考虑单侧风揽受力。支架端头设有附墙与边墩连接，附墙埋件为植筋，支架所用材料和南滩滑移支架一致。支架整体结构如图11所示。

图11 北岸滩区滑移支架整体结构图(单位：mm)

北岸滩区滑移支架主要考虑以下工况：①非工作工况：支架搭设完成，最大风速(12 级风)条件下，还未进行提梁、梁段滑移拼装；②小风存梁工况：在工作风速(8级风)条件下，BB01～BB03进行梁段存放；③滑移工况：在工作风速(8级风)条件下，进行提梁、梁段滑移拼装。

经有限元软件分析计算，滑移支架Q345构件最大组合应力бmax=251 MPa4，支架整体稳定性满足使用要求。

4.4 塔区加劲梁吊装

中塔以及南、北边塔塔区皆有3个无吊索节段，需借助存梁支架辅助吊梁施工[11]。梁段分两种类型，其中单榀梁段最大吊重为520 t，梁段参数见表3。

表3 塔区梁段参数表

4.4.1中塔塔区加劲梁吊装

中塔为“A”型塔，下横梁为“回”型结构，下横梁上设有存梁支架，用以存放中塔区3个无吊索节段。采用缆载吊机吊装时，若直接从运梁船荡移到下横梁存梁支架，荡移角度单次过大，需要在承台上搭设存梁支架，作为二次荡移平台(见图12)。下横梁存梁支架设置滑移轨道，将3个梁段拖拉到位。中塔有两台塔吊(上、下游各 1 台)，塔区存梁支架量较少，驳船将存梁支架材料运输至现场后，利用现有塔吊进行吊装作业。

图12 中塔塔区梁段二次荡移图

4.4.2南、北塔区加劲梁吊装

南、北塔区 3 个梁段无吊索，需在承台上搭设塔区存梁落地高支架，施工南塔支架在现有主栈桥上进行；施工北塔支架在硬化区域上进行。主缆架设阶段，塔区塔吊吊装作业频繁，需要另外配置吊车进行支架搭设。吊装工艺和中塔塔区无索区梁段类似，南塔塔区梁段采用缆载吊机荡移到塔区附近现有栈桥上，再二次荡移到南塔存梁支架上并滑移到位进行存放，后续根据监控指令调整线形并栓焊成整体，进行体系转换施工。北塔塔区梁段经运梁船运到北岸边后，采用缆载吊机荡移卸船，经北塔区滑移支架滑移至北塔与北塔区滑移支架之间的模块车上，再荡移到北塔存梁支架上。

4.5 塔区梁段体系转换

为了保证全桥线形以便配合合龙梁段施工，塔区梁段先与相邻有索梁段进行体系转换，将荷载转移至吊索上，形成全漂浮体系。塔区梁段的体系转换分别在加劲梁BZ01和 BB10(北塔)、NZ39和BZ39(中塔)、NZ01和NB13(南塔)吊装完成后进行。各塔区梁段体系转换工艺基本相同，仅是梁段预抬高高度略有差别[12]，具体步骤为：

a.根据计算，采用高滑座将塔区3个梁段进行预抬高。

b.吊装设备同时提升塔区两侧有索梁段到指定高度，连接吊索，与塔区梁段匹配连接后进行高栓连接。

c.提升设备卸载，将两个有索梁段荷载转换至塔区千斤顶(4台>1 000 t)上。

d.千斤顶逐渐卸载，使加劲梁处于全漂浮状态，荷载转换至吊索，完成体系转换。

4.6 合龙段加劲梁吊装

根据加劲梁整体吊装方案，全桥共设置 6 个合龙口，南、北主跨各两个，南、北边跨各1个，并按照边塔主跨侧(NZ-03、BZ-02)→中塔区(先 BZ-37、后 NZ-37)→边塔边跨侧(NB-11、BB-09)的顺序进行合龙。

各合龙梁段与已架梁段主要存在竖向偏位、转角和沿桥向的纵向偏位，需提前考虑牵引系统的布置，主要为10 t卷扬机和200 t千斤顶。竖向偏位、转角采用临时压重等措施有效调整合龙口姿态；纵向偏位利用牵引系统拽拉已架设梁段形成缺口，并通过吊装设备预偏站位进行调整。

在一天当中温度最低时段对合龙口吊装，按照已架梁段整体预偏→吊装设备预偏站位→钢梁吊装→吊索安装→临时铰接→嵌补段安装的流程进行施工。

合龙口钢梁临时铰接分两次进行：①第一次铰接：在自重、吊索及吊装设备共同作用下，节段逐步向设计位置进行偏移，配合辅助措施完成与相邻钢梁的对接施工(NZ37合龙口自身采取10 t/m压重)。②第二次铰接：一侧临时连接完成后撤去牵引力，节段会自行抵拢，需采取压重配载+手拉葫芦实现与相邻梁段的临时铰接(NZ37合龙口旁边3榀梁采取17 t/m压重、BZ37合龙口通过千斤顶反顶)。合龙施工完成后，通过下层桥面完成斜腹杆嵌补段的安装。

5 结论

瓯江北口大桥是现有大桥中技术难度最大、建造工艺最为复杂的桥梁之一，其结构及施工等多项技术均为世界范围内首创。大桥已于2022年5月底正式通车，成为我国大型桥梁建造技术的又一标志性成果。

a.瓯江北口大桥主桥加劲梁吊装包含分体式缆载吊机、缆载吊机垂直起吊、荡移、模块车运输、支架轨道滑移等多项工艺，其复杂、多样式的梁段吊装施工方式对后续跨度大、自重大的悬索桥加劲梁吊装施工具有很好的借鉴作用。

b.在全桥加劲梁吊装过程中，辅助无索区梁段施工的支架因地制宜地采取了不同形式的存梁方式，降低了施工风险。其中南滩滑移支架包含下滑道支架、提升支架、高存梁支架等多个功能区，实现边跨浅滩及端部无索区梁段水中运输、滑移、吊装施工等工序无缝对接(见图13)，在浅滩区淤泥层较差地质情况下，支架承载能力大、稳定性好，可用于1 000 t梁段吊装施工，也方便后续梁段线性调整，具有很高的实用性和适用性，确保了整个梁段吊装施工流程顺畅快捷，加快了大吨位梁段吊装施工进度。

图13 南岸滩区梁段吊装

c.缆载吊机是大跨度悬索桥大吨位梁段提升安装的专用设备，随着悬索桥跨度和梁段吊装重量的增大，本项目所采用千吨级缆载吊机及分体式缆载吊机为未来缆载吊机等设备的设计、施工和发展提供了可靠的技术参考，可加速设备技术的革新。

d.全桥无索区梁段施工支架用量大，多达七千多吨，且滩区高支架安拆难度大，相关施工工艺复杂，现场需对支架钢立柱及钢管桩垂直度复核，并严格按施工图要求施工和验收。无索区梁段高支架在超过八级风(20.7 m/s)存梁时不能满足受力要求，需增加抗风措施，减少支架存梁风险。