上壩夾江大橋鋼箱梁施工方案比選及關(guān)鍵技術(shù)

田雨金，周勝國，李 亮

(1.中交第二航務(wù)工程局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000；2. 南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210000)

0 引言

分體式鋼箱梁有著良好的抗風(fēng)顫振穩(wěn)定性能[1]，多次應(yīng)用于獨柱型索塔斜拉橋結(jié)構(gòu)中，左右幅箱梁布置在索塔兩側(cè)。比較典型的有香港昂船洲大橋、上海長江大橋、嘉紹大橋、蕪湖長江公路二橋。以上橋梁索塔均為混凝土塔。

斜拉橋邊跨一般位于淺水區(qū)或陸上，邊跨鋼箱梁一般采用懸臂吊裝或支架法施工。施工方案的選擇需結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)本身和橋位水文、地質(zhì)、氣象特點綜合考慮。

浦儀公路西段上壩夾江大橋采用獨柱鋼塔分離式鋼箱梁設(shè)計，該結(jié)構(gòu)為國內(nèi)首次，國際上也未見先例。主橋鋼塔較常規(guī)混凝土索塔剛度弱；超寬分幅鋼箱梁橫向剛度較弱；項目邊跨位于淺水區(qū)，枯水期運輸船無法駛達邊跨水域，這些都給項目施工帶來挑戰(zhàn)。

對獨柱型索塔斜拉橋鋼箱梁雙懸臂拼裝過程中的塔梁臨時錨固，葉華成、曲洪春等[2-3]結(jié)合上海長江大橋塔梁固結(jié)體系展開研究。豎向臨時錨固通過在塔區(qū)梁段下設(shè)置大剛度支架和施加豎向預(yù)應(yīng)力的方式實現(xiàn)，橫向臨時錨固通過在塔柱與鋼梁之間設(shè)置混凝土限位支座來實現(xiàn)，在主橋邊跨設(shè)置臨時墩以應(yīng)對可能出現(xiàn)的落梁、地震或不對稱橫橋強風(fēng)工況。本項目邊跨需設(shè)置支架在汛期存梁，塔區(qū)支架和邊跨存梁支架需結(jié)合上部結(jié)構(gòu)施工工藝統(tǒng)籌設(shè)計。主橋橫向抗風(fēng)支座間距9 m，在懸臂拼裝過程中抗橫風(fēng)力臂較小。對于邊跨選擇高支架還是低支架存梁，需重點研究。

對梁段大節(jié)段組拼，劉鵬、賀拴海等[4]依托港珠澳大橋青州航道橋邊跨展開研究，對頂?shù)装瀛h(huán)縫的焊縫收縮量和收縮率進行測量監(jiān)控，其研究結(jié)果對本項目高支架上梁段整體焊接、調(diào)整有一定參考意義。本研究在此基礎(chǔ)上提出通過恢復(fù)箱梁自由狀態(tài)下支承反力的方式消除環(huán)縫內(nèi)引起的梁段內(nèi)附加應(yīng)力。

鋼箱梁懸拼節(jié)段和起吊節(jié)段因受力不一致存在橫向錯縫問題，且箱梁越寬、箱梁剛度越小，錯縫越大。文獻[5]述及潤揚大橋北汊斜拉橋2個梁段最大變形差有38 mm，黃埔大橋北汊橋2個梁段最大變形差有29.5 mm，傳統(tǒng)梁段錯縫的調(diào)整方法是“邊腹板到中心的順序逐步拼接, 過程中橋面吊機逐步釋放吊裝力”。文獻[6]述及上海長江大橋箱梁懸拼過程中梁段錯縫最大48 mm，施工過程中采取先調(diào)平內(nèi)腹板，焊接馬板鎖定，后通過外腹板位置反力架和千斤頂?shù)姆绞秸{(diào)整錯臺。王凌波、劉 鵬等[7]針對港珠澳大橋青州航道橋箱梁懸拼匹配展開研究，提出“先連接邊腹板，橋面吊機部分卸載，后匹配內(nèi)腹板”的調(diào)梁方式。本項目在總結(jié)以上經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，最終選擇先調(diào)平、鎖定外腹板，后調(diào)整內(nèi)腹板位置錯臺的方式，并總結(jié)出一套梁段接口調(diào)整工裝，可為類似項目提供參考。

1 工程概況

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)形式

浦儀公路西段上壩夾江大橋采用主跨500 m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，箱梁為分離式結(jié)構(gòu)。橋梁立面如圖1所示。

圖1 主橋立面布置圖(單位：m)

主梁劃分為65個節(jié)段，均采用全斷面焊接方式。主梁節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度16 m、邊跨尾索區(qū)節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長度為9.6 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段最大起吊重量約393 t，非標(biāo)準(zhǔn)梁段最大起吊重量約517 t。主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面總寬54.4 m，鋼箱梁斷面分幅布置在索塔兩側(cè)，外腹板外側(cè)設(shè)置行人與非機動車道，單幅箱梁(含人非系統(tǒng)挑臂)寬22.05 m[8]。橋梁橫斷面如圖2所示。

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

1.2 水文條件

橋位所在八卦洲汊道屬長江下游南京河段，位于長江下游感潮區(qū)內(nèi)，非正規(guī)半日潮型，以雨水徑流為主，每年5—10月為汛期，11月至次年4月為枯水期，洪峰出現(xiàn)在6—8月份。跨江大橋設(shè)計最高通航水位+10.103 m，最低通航水位+1.613 m。

主橋邊跨水域泥面標(biāo)高+1.5～+2.5 m，枯水期船舶無法到達該水域。

2 鋼箱梁施工方案比選

根據(jù)總體施工進度計劃，上部結(jié)構(gòu)鋼箱梁涉枯水期施工，枯水期運輸船無法到達邊跨水域，需考慮提前存梁。參考同類型橋梁的施工經(jīng)驗，提出“邊跨低支架存梁+主塔兩側(cè)橋面吊機對稱懸拼鋼箱梁”和“邊跨高支架存梁+中跨單懸臂拼裝”兩種施工方案[9-13]。對兩種方案進行比選。

2.1 方案1

邊跨搭設(shè)存梁低支架，在汛期高水位采用浮吊將梁段吊裝至支架上，臨時固定，完成邊跨淺水區(qū)存梁。在塔區(qū)搭設(shè)0#塊支架，完成塔區(qū)梁吊吊裝、調(diào)位、焊接后，在主塔兩側(cè)安裝橋面吊機，后向兩側(cè)對稱懸拼鋼箱梁。過程中為保證結(jié)構(gòu)安全，設(shè)置塔梁臨時固結(jié)系統(tǒng)。因獨柱塔無下橫梁，豎向臨時錨固依托塔區(qū)支架設(shè)置，并施加預(yù)應(yīng)力。橫向臨時錨固通過提前安裝橫向抗風(fēng)支座的方式實現(xiàn)。通過在塔區(qū)梁段和鋼塔之間設(shè)置縱向固定型鋼的方式實現(xiàn)上構(gòu)鋼箱梁里程方向限位。

對稱懸拼方案見圖3。

圖3 “邊跨低支架存梁+主塔兩側(cè)橋面吊機對稱懸拼鋼箱梁”流程圖

2.2 方案2

邊跨和塔區(qū)高支架參照成橋標(biāo)高整體設(shè)計，在基礎(chǔ)和橋塔施工階段進行支架搭設(shè)。汛期采用浮吊將梁段吊裝至高支架上，按照監(jiān)控指令對箱梁標(biāo)高和平面位置調(diào)整，將塔區(qū)和邊跨側(cè)梁段提前焊接成整體。后安裝中跨側(cè)橋面吊機，向中跨側(cè)單懸臂拼裝鋼箱梁，過程中兩邊對稱掛設(shè)、張拉斜拉索。在邊跨側(cè)當(dāng)前梁段斜拉索安裝完成后，取出梁底支墊，完成“落架”。在單懸臂拼裝過程中邊跨高支架上已焊好的梁段起到“配重”效果，在落梁、地震等不利工況時能較好保證結(jié)構(gòu)安全。相比方案1，塔區(qū)梁段底部無需設(shè)置強度較大的豎向錨固，僅需臨時固定即可。另參照方案1設(shè)置橫向和縱向臨時錨固。

單懸臂拼裝方案見圖4。

圖4 “邊跨高支架存梁+中跨單懸臂拼裝”流程圖

2.3 方案比選

在施工階段受力及安全性方面，方案1雙懸臂拼裝需對兩側(cè)不平衡重量加強控制，在大懸臂狀態(tài)下突遇落梁、強風(fēng)或地震對結(jié)構(gòu)影響大。獨柱鋼塔無下橫梁、剛度較小，設(shè)置的塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)在大懸臂拼裝階段面臨巨大考驗，結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性問題突出。而方案2提前將邊跨側(cè)梁段焊接形成整體，自重較大的邊跨在主跨單懸拼過程中能夠很好地起到壓重和錨固作用，施工階段結(jié)構(gòu)更可靠。

在經(jīng)濟性方面，方案1邊跨低支架工程量較少，但塔區(qū)支架為給梁段提供可靠的豎向錨固，材料使用量較大。對兩種方案支架分別設(shè)計，方案1邊跨低支架鋼結(jié)構(gòu)重量2 000 t，塔區(qū)支架重量900 t，合計2 900 t；方案2邊跨高支架鋼結(jié)構(gòu)重量2 800 t，塔區(qū)支架重量500 t，合計3 300 t。而方案1中跨和邊跨側(cè)各需投入2臺250 t橋面吊機，方案2僅需中跨側(cè)投入2臺250 t橋面吊機。綜上所述，兩種方案經(jīng)濟性相當(dāng)。

在施工組織方面，方案1鋼箱梁懸拼過程中邊跨和中跨同時施工，在懸臂狀態(tài)下需做好塔梁固結(jié)，邊墩墩頂節(jié)段安裝完成后需向箱梁內(nèi)安裝配重塊，使得上構(gòu)重量整體向邊跨側(cè)偏移，保證中跨大懸臂狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安全。方案1涉及工序轉(zhuǎn)換較多，部分工序占用關(guān)鍵線路。方案2提前在高支架上將邊跨梁段焊接形成整體，懸臂拼裝過程中僅中跨一個作業(yè)面，且邊跨配重塊可提前安裝，施工組織上方案2優(yōu)于方案1。

對起重設(shè)備要求方面，起重船需利用汛期在邊跨完成梁段逐節(jié)段存放作業(yè)，避免箱梁縱向滑移，減小施工風(fēng)險。鋼箱梁寬度54.4 m，高支架存梁需將梁段提升至水面32 m以上，邊跨梁段和吊索具合計最大重量約570 t，方案2對起重船吊高、吊幅要求較高。

對于梁段線型控制，根據(jù)同類橋梁監(jiān)控經(jīng)驗，在懸拼梁段對接環(huán)縫焊接完成后，由于主梁頂?shù)装迨湛s值不同，焊接前后懸臂端標(biāo)高會發(fā)生變化。懸拼施工時逐節(jié)段對箱梁標(biāo)高進行修正。斜拉橋邊跨多節(jié)段在支架上整體焊接工程經(jīng)驗較少，頂?shù)装宀痪鶆蚴湛s對線型的影響需修正。

綜合以上分析，高支架存梁方案較低支架存梁方案安全優(yōu)勢明顯且中跨懸拼階段更利于施工組織，最終主橋鋼箱梁選擇“邊跨高支架存梁+中跨單懸臂拼裝”工藝，對浮吊的選型和支架上梁段焊接線型控制需重點研究。

3 邊跨高支架存梁施工關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 超寬鋼箱梁高支架存梁吊裝

為避免箱梁縱向滑移，浮吊需順江方向拋錨作業(yè)，將梁段直接吊放至已經(jīng)搭設(shè)完成的高支架上。存梁施工需將寬達54.4 m鋼箱梁吊裝至水面以上32 m 高度，對浮吊吊高和吊幅要求較高。項目在南京長江大橋上游，受大橋24 m的通航凈高限制，許多大型浮吊船無法到達橋位，經(jīng)比選，最終選擇主鉤最大起吊高度達74.5 m的800 t浮吊現(xiàn)場吊裝施工。經(jīng)施工模擬，部分梁段吊裝至支架高度時，浮吊大臂與4 m寬的箱梁挑臂沖突，考慮此部分箱梁下游側(cè)挑臂現(xiàn)場安裝。

分幅式鋼箱梁橫向剛度較弱，邊跨側(cè)箱梁長度分為16 m，9.6 m，6.7 m，吊點縱向間距也不同，針對此設(shè)計可適用多種吊點間距的鋼結(jié)構(gòu)吊具輔助吊裝[14]。主吊索(吊具與吊鉤連接的吊索)和次吊索(吊具與鋼箱梁連接的吊索)在吊具上掛接同一塊吊耳板，保證在吊裝過程中吊具桿件結(jié)構(gòu)只承受拉力和軸壓力，不產(chǎn)生彎矩。吊具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 吊具平面布置圖(單位：m)

3.2 邊跨支架梁段主梁全焊高程控制措施

梁段間連接的焊接可能導(dǎo)致梁段間夾角發(fā)生變化，這個夾角變化具有較大的隨機性，懸拼施工時可以通過逐段測量對其進行逐段補償，誤差不會累積。當(dāng)鋼箱梁位于支架上時，由于支架的約束作用，誤差將會被累積。如果不采用補償措施，落架后約束釋放，鋼梁的線形將完全偏差[15-17]。以往的鋼箱梁斜拉僅在輔助跨采用支架焊接施工，邊跨其余部分均采用懸拼施工，此變化可以根據(jù)定位測量和連接后測量來獲得，并在下一個梁段懸拼過程中予以補償。本項目是首次大跨徑斜拉橋邊跨鋼箱梁全支架焊接施工，支架焊接長度達到230 m，針對超長距離的全支架焊接，研發(fā)了基于支反力測量的焊接變形補償技術(shù)，通過測量和調(diào)整支墊反力對焊接變形量進行修正，總體思路如下：

(1)焊接前記錄新節(jié)段支頂千斤頂?shù)暮奢d。

(2)焊接后將新節(jié)段支頂千斤頂荷載恢復(fù)至焊接前。

(3)測量焊接引起的高程變化，并在下一個節(jié)段定位時予以修正。

修正方式如表1所示。

表1 焊接變形高程調(diào)整措施

續(xù)表1

在支架上梁段高程控制過程中除了采用測支承力并恢復(fù)的措施外，對焊縫頂?shù)装迨湛s的情況進行同步測量，根據(jù)頂?shù)装迨湛s率推算梁段間夾角變化，從而為節(jié)段高程定位補償提供更為可靠的數(shù)據(jù)支持。

4 鋼箱梁懸臂架設(shè)施工關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 橋面吊機選型

中跨側(cè)橋面吊機懸拼節(jié)段均為標(biāo)準(zhǔn)梁段，重393 t，采用2臺250 t橋面吊機吊裝。對分幅式鋼箱梁，上下游橋面吊機施工同步性是關(guān)鍵。2臺橋面吊機由一套操作系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)吊機的聯(lián)動和單動，保證吊裝過程中上下游的同步性。

4.2 梁段起吊有無臨時橫撐對比分析

鋼箱梁節(jié)段的橫梁位于前端，在起吊過程中，由于橫梁的不對稱布置，吊裝過程中如果出現(xiàn)兩側(cè)吊點的不同步，勢必造成中間橫梁的受彎扭耦合效應(yīng)，這是比運營階段更不利的工況，也是橫梁的最不利受力工況，因此考慮在后方對稱位置設(shè)置臨時橫梁，改善鋼箱梁吊裝時的受力。選取中跨標(biāo)準(zhǔn)梁段為研究對象，對其起吊過程中的空間力學(xué)狀態(tài)進行仿真分析，探討有無臨時橫撐兩種情況下標(biāo)準(zhǔn)梁段的變形及應(yīng)力分布，分析臨時橫撐對鋼箱梁受力的影響。

圖6～7計算結(jié)果表明：有臨時橫撐方案吊點局部有最大1 mm的變形，梁段邊緣有最大-7 mm的變形。梁段應(yīng)力在吊點處局部有25 MPa，其余部位應(yīng)力水平較低。臨時橫撐最大應(yīng)力9.4 MPa，斜撐和橫撐的總體應(yīng)力水平較低。有、無臨時橫撐方案的梁段整體變形及應(yīng)力分布大致相同，差異不大。因此采取不設(shè)臨時橫撐的吊裝方案，有效的指導(dǎo)施工并減少了施工措施的投入。

圖6 梁段整體變形(單位：m)

圖7 梁段應(yīng)力狀態(tài)(單位：Pa)

4.3 橫向調(diào)整工藝

在斜拉橋鋼箱梁吊裝過程中，懸拼節(jié)段和起吊節(jié)段之間存在相對變形。超寬分離式鋼箱梁這個特征表現(xiàn)較明顯。經(jīng)分析，對懸拼節(jié)段橫向變形的影響主要因素有吊機前支點反力、斜拉索索力、梁段自重、吊機自重等；起吊節(jié)段的橫向變形主要決定因素為梁段自重和吊點設(shè)置。兩種梁段接口的變形趨勢如圖8所示。

圖8 懸拼節(jié)段和起吊節(jié)段的接口斷面變形

鋼箱梁在懸拼初始階段，懸拼長度較短且受塔區(qū)支架約束，懸拼節(jié)段變形相對較小，經(jīng)測量初始階段梁段間相對橫向變形26 mm。隨著懸臂長度增加，懸拼節(jié)段橫向剛度減小，吊梁過程中橫向變形增大，梁段間相對橫向變形最大達到52 mm。

為了實現(xiàn)梁段的匹配，矯正梁段間的橫向變形差，設(shè)計一套調(diào)整工裝，其總體布置如圖9所示。圖中，各數(shù)字序號代表的構(gòu)造分別為：1為內(nèi)腹板反壓橫梁；2為反壓立柱；3為千斤頂；4為錨箱；5為拉桿；6為手拉葫蘆；7為外腹板固定工裝；8為連接桿。

圖9 調(diào)整工裝總體布置三維圖

對于上述的鋼箱梁吊裝橫向調(diào)整，進行了有限元模擬分析，通過施加集中力的形式來調(diào)整橫向變形(施加力500 KN左右)，如果反力加載在梁段中部，會導(dǎo)致頂板產(chǎn)生較大的局部變形及較高的局部應(yīng)力，故將集中力加載在內(nèi)側(cè)腹板上。

有限元模擬結(jié)果如圖10所示。梁段向下最大位移為50.6 mm，最大向上位移在梁端橋面板外角位置處，為13.9 mm。箱梁直腹板與底板連接面豎板邊緣有凹凸變形，橫向凸出約11 mm。故需要在直腹板與底板交界區(qū)域增設(shè)加勁板，以控制直腹板橫向畸變。

圖10 梁段豎向變形(單位：m，僅示1/2梁段)

已安裝梁段應(yīng)力如圖11所示。結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力在122 MPa之內(nèi)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足施工要求。直腹板加載區(qū)域的最大應(yīng)力在150～170 MPa之間。

圖11 梁段應(yīng)力狀態(tài)(單位：Pa)

綜上所述，在內(nèi)側(cè)腹板布置集中力荷載，可以有效控制待安裝梁段和已安裝梁段的橫向變形差，保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)論

(1)斜拉橋懸拼過程中結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性是施工控制重點，針對本研究的獨柱鋼塔斜拉橋，“邊跨高支架存梁+中跨單懸臂拼裝”工藝能夠較好應(yīng)對落梁、強風(fēng)或地震等不良工況，且施工組織合理。大橋在2019年汛期完成邊跨高支架存梁，2019年12月31日開始中跨側(cè)懸拼，2020年5月底完成合龍。

梁段橫向錯縫調(diào)整如圖12所示[18]。

圖12 吊裝梁段的約束及施加作用力的位置

(2)對支架上多個梁段焊接線型控制，量測并恢復(fù)梁段支承力的方式可行，通過并對頂?shù)装宀痪鶆蚴湛s量測量，推算出高程補償數(shù)據(jù)可對調(diào)整量進一步驗證。

(3)隨著懸臂長度增加，懸拼節(jié)段橫向剛度減小，在吊裝鋼箱梁時懸拼節(jié)段橫向變形增大，使得鋼箱梁懸拼節(jié)段和吊裝節(jié)段之間的錯縫值增大。通過先鎖定外腹板，后反壓調(diào)整內(nèi)腹板的方式可較好完成梁段匹配，需要的支頂反力不會隨著錯縫值的增大而明顯增加。