大跨度组合梁斜拉桥中跨合龙技术

孔艺达, 郑万山

(1.重庆市设计院有限公司, 重庆 400015; 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067)

大跨度组合梁斜拉桥中跨合龙方案的选择直接影响结构成桥线形和结构受力,需根据结构特点以及现场实际条件选择合适的合龙方案。目前,国内外中跨合龙方案主要有顶推合龙和温度配切合龙2种,主要区别是:顶推合龙不改变合龙段的设计制造长度,但需提前解除塔梁临时固结,易造成结构变形释放[1];温度配切合龙需根据实测合龙口宽对合龙段进行配切,改变了合龙段的理论长度。在实际的斜拉桥合龙时,需根据现场实际情况选择合适的合龙方案,如主梁结构特点、现场温度变化情况、施工条件等[2-3],其中温度和施工工艺是影响钢主梁斜拉桥中跨合龙的关键因素。

双河大桥为半飘浮体系斜拉桥,主梁采用双“工”字型边主梁与混凝土桥面板共同受力的组合梁,桥址地处云南山区,昼夜温差大,合龙方案直接影响大桥能否顺利合龙。本文根据国内近10年来大跨度斜拉桥梁合龙技术,结合本桥结构特点、现场条件等确定中跨合龙方案,并分析了合龙温度的影响,优化了原合龙方案,减少了施工措施,介绍该大桥的合龙施工技术,供同类工程参考。

1 工程概况

双河特大桥为(56+152+356+140)m高低塔组合梁斜拉桥,如图1(a)所示。桥面全宽28.7 m,主梁采用双“工”字型边主梁与混凝土桥面板共同受力的组合梁,如图1(b)所示。斜拉索采用无粘结钢绞线拉索,标准索距为12 m,巧家侧边跨尾索索距为8 m。两岸索塔高度不同,其中P2塔高度为229 m,P3塔高度为170 m,辅助墩采用双柱式空心薄壁墩。大桥主梁在每个索塔、辅助墩以及桥台处横向约束,纵向活动。每个塔梁连接处顺桥向安装粘滞阻尼器,主梁两端各设置1道1 200 mm伸缩缝。根据桥位的地形条件,塔区梁段采用托架施工,巧家侧边跨梁段采用支架施工,其余梁段均采用悬臂拼装施工。

2 中跨合龙方案

2.1 合龙方案的确定

1) 国内同类合龙方案调研

调查了国内部分典型斜拉桥中跨合龙方案,如表1所示。从表1可知,对于大跨径钢箱梁斜拉桥,当施工温度与设计合龙温度相差较大时主要采用顶推施工[4-8],温度较为稳定时一般采用温度配切法[9-10],现场环境较差时需采用辅助合龙措施[11-12]。桥梁施工条件较好时,可采用整体吊装施工,但均需临时配重和调索,增加了施工难度和工作量。

(a) 立面

(b) 主梁断面

2) 双河特大桥合龙方案

双河特大桥设计合龙温度为20 ℃,根据施工计划,大桥预计合龙时间为2019年11月24日—2019年11月30日,根据前期昼夜气温观测、气象预报和历史温度记录,桥位区11月下旬夜间温度预计在15 ℃左右,风力1级,无降雨,计划合龙时间内桥位处夜间温度稳定,略低于设计合龙温度。大桥中跨合龙段为长4 m的工字梁,单侧合龙段重量7.5 t,重量小,现场配有2套配切装置,合龙段钢梁可现场配切,预估配切时间约4 h。综上可见,双河特大桥合龙预期环境良好,气温较为稳定,配切施工准备充分,确定采用温度配切合龙方案。

表1 国内典型斜拉桥合龙条件和合龙方案

2.2 合龙温差分析

采用温度配切合龙时,合龙温度与理论合龙温度不一致,对成桥受力状态、线形和塔偏有一定影响,因此须对成桥后的结构状态进行预分析,确定合理的合龙温度范围。合龙温差主要表现为整体升降温的影响,不同温差的计算结果均是线性关系,因此取整体升温5 ℃进行分析,计算模型如图2所示。塔顶纵向偏位计算结果如表2所示。由表2可见,整体升温5 ℃时,东川侧塔顶偏位-27.0 mm(偏边跨侧),巧家侧塔顶偏位-4.1 mm(偏中跨),同成桥状态相对影响较小。主梁竖向挠度结果如图3所示。由图3可知,东川侧边跨挠度变化最大值为11 mm,中跨东川侧下挠约3 mm,中跨巧家侧上挠最大值为6.5 mm,巧家侧边跨最大下挠为2.5 mm。索力最大变化值为28 kN,钢主梁最大应力变化值为3.5 MPa,混凝土板最大拉应力为0.1 MPa。综上分析可见,整体升温5 ℃对结构线形、塔偏和受力的影响相对较小,不会影响结构安全。

图2 有限元计算模型

表2 不同状态下塔顶纵向位移 mm

图3 整体升温5 ℃对主梁线形的影响

2.3 合龙方案的优化

双河大桥位于山区,运输条件差,现场场地狭小,很难采用整体吊装施工,需将构件离散化,需使用回转吊机,吊机重量150 t,这远大于常规的固定式吊机。因此,在合龙过程中,吊机的拆除对结构受力有较大影响。在原设计合龙方案中,完成工字梁合龙和体系转换后,安装中跨桥面板并浇筑湿接缝混凝土,最后拆除中跨合龙临时压重和桥面吊机。该方案合龙前需临时压重,增加了施工工作量和难度,同时大桥主梁采用叠合梁,合龙完成后取消压重和吊机会致使跨中混凝土板承受拉应力。为此,需对原合龙方案进行优化,分2种工况进行计算分析,计算结果如表3所示。

表3 合龙施工结束后应力计算结果 MPa

由表3可见,按工况1计算,合龙施工结束后,桥面板存在2.2 MPa拉应力,钢梁底部压应力为58.9 MPa;按工况2计算,合龙施工结束后,桥面板拉应力为0 MPa,钢梁底部压应力为38.9 MPa。由此可见,工况2的结构受力更为合理,确定采用工况2的工艺措施进行合龙施工。

3 合龙施工技术

3.1 合龙施工步骤

跨中温度配切合龙施工步骤为:1) 连续观测合龙口梁端标高和宽度,分析梁端标高、合龙口宽度与温度的关系,统计历年同时期的天气状况确定合龙时间;2) 根据目标合龙段长度和预估温度,对合龙段进行切割;3) 吊装合龙段和锁定,拆除塔梁临时固结措施;4) 吊装横梁和桥面板,拆除吊机,浇筑湿接缝。

3.2 测点布置和结果分析

连续观测合龙口梁端标高、宽度和大气温度,测量时间为23:00—07:00,测量频率为1次/h。1) 采用全站仪分别对合龙口两侧4个测点进行连续观测;2) 采用钢卷尺对合龙口顶板、腹板(梁高的中心)、底板处宽度进行连续测量;3) 测量时同时记录当时大气温度和钢梁温度。在观测期间以及合龙前不得进行其他施工以及临时荷载的调整。2019年11月26日夜间合龙口标高和宽度测量结果如图4和表4所示。根据图4和表4的观测结果可知,气温在15.5 ℃～16.7 ℃时,合龙口两侧标高与目标标高比较接近,但考虑到吊装过程中回转式吊机起吊合龙段会在梁端产生附加弯矩,以及为防止现场可能出现的临时荷载引起合龙口标高偏低,实际配切采用02:00(15.0 ℃)的合龙口数据。

3.3 合龙段配切长度

合龙段巧家侧螺栓孔按设计在工厂预制,东川侧采用磁力钻现场开孔。合龙段巧家侧与相邻梁端部预留间隙为1.5 cm,考虑到合龙段要在傍晚预先吊装到位,对巧家侧连接板进行预紧,以及防止间隙过小不能喂入合龙段,根据合龙口宽度变化情况和存在的测试误差,上、下游侧合龙段东川侧间隙分别取2.0 cm和2.5 cm,最后计算得到的合龙段配切长度如表5所示。

(a) 东川侧DZ16梁端

(b) 巧家侧QZ11梁端

表4 气温变化对合龙口宽度的影响

表5 合龙段配切长度 cm

3.4 合龙段吊装和锁定

1) 吊装

钢箱梁斜拉桥合龙段吊装主要有2种吊装方式[6]:单侧架梁机单独起吊和两侧架梁机同步起吊。双河特大桥合龙段为2段(上、下游),长度4 m,单个合龙段重量仅为7.5 t,吊机为回转式吊机。因此,采用两侧吊机分别起吊1片合龙段,保证两侧受力一致。在合龙段入口后,合龙段主梁与巧家侧QZL11号梁段用拼接板栓接。待温度趋于稳定时,对气温和梁端标高进行连续观测。

2) 锁定

待温度稳定在预计合龙温度左右时,复核合龙标高,在标高满足要求时,合龙段主梁与DZL16梁端部采用临时码板临时锁定,同时测量支座变形,码板焊接在边主梁顶底板翼板边上。临时锁定时上、下游应同时进行,且同时安装合龙段与东川侧DZL16号梁段永久拼接板,在合龙段拼接板四角打孔,用冲钉或高强螺栓固定,用永久拼接板作为模板对边主梁进行打孔。合龙口高强螺栓终拧完成前开始解除塔梁临时固结体系,进行结构体系转换施工。23:00(16 ℃)合龙口标高如表6所示。由表6可见,4个测点标高与目标标高误差不超过1 mm,符合合龙要求。

表6 中跨合龙口锁定时标高测量结果(温度：16 ℃)

4 结束语

通过对不同钢主梁斜拉桥中跨合龙技术的总结分析,结合双河特大桥的合龙施工过程,得到以下结论:

1) 合龙温差在5 ℃以内时,对结构线形和受力的影响相对较小,不会影响结构安全。

2) 通过对中跨合龙施工顺序进行了局部优化,减小了混凝土板的拉应力,使得组合梁机构受力更为合理。

3) 实施结果表明,温度配切方案在环境气温稳定、合龙口姿态测试数据详实的条件下能保证大桥中跨的顺利合龙。