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    特大桥钢箱梁合龙施工控制要点分析

    时间：2023-07-01 16:45:06来源：百花范文网本文已影响人

    刘凯

    （山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006）

    对于大跨径桥梁，使用单一材料通常较难在结构力学稳定性和经济性之间实现平衡，为此，20 世纪70年代涌现出钢筋混凝土组合梁形式，其边跨混凝土梁能起到压重作用，确保弯矩分布更加合理，避免边跨边支座表现出上拔倾向，同时又能发挥钢梁跨越能力大的性能优势。钢筋混凝土混合梁因充分发挥了钢材、混凝土材料的性能，故在受力、跨越性能及经济性方面具有很大优越性，在桥梁建设中的应用也日益广泛。国内外学者也对该桥型展开理论研究、试验分析及数据仿真，形成许多研究成果。

    某特大桥全长为2045.45m，主桥跨径为（35+40+60+300+60+40+35）m，为混合梁斜拉桥形式，且主梁包括组合梁、混凝土箱梁、钢筋混凝土组合段。组合梁中心线处梁高为4.5m，桥面宽为16.5m。中跨跨中为钢箱梁，其余主梁均为混凝土结构、单箱单室斜腹板截面形式；
    主梁纵向采用全预应力混凝土结构变高梁，钢箱梁部分则采用等高梁。该特大桥主桥为大跨径混合梁连续刚构桥，与常规连续体系梁桥相比存在诸多结构形式方面的特征：主跨并非全部为钢箱梁设计，主跨钢箱梁两端所存在的钢筋混凝土结合段构造复杂，并设置有局部预应力钢束；
    主跨采用大节段钢箱梁后结构自重减轻，为改善主跨受力、提升结构刚度，边跨应小于主跨的1/2，该桥梁边中跨比为0.42，而常规混凝土连续刚构桥边中跨比取值在0.55～0.59 之间。

    钢筋-混凝土混合梁斜拉桥合龙施工时，合龙口必然存在偏差，根据误差控制方法的不同，混合梁斜拉桥中跨钢梁合龙可以采用加载合龙和配切合龙两种处理方式[1]。加载合龙主要对梁体施加外力，促使合龙口宽度满足设计要求，并在确保合龙段状态不变的情况下保证合龙口匹配，该技术不会引发结构内力改变，但必须在施工过程中将梁体临时约束解除，并借助顶推设备向梁体施加推力，施工过程颇为复杂。配切合龙则是根据合龙口实际长度预制加工合龙段，待达到预定温度时，便开始合龙段施工，施工过程较为简便；
    合龙后构件会因温度变化的影响而出现无应力状态，进而影响成桥效果。

    结合该特大桥钢箱梁实际情况，因加载合龙施工过程中外力的施加会引起斜拉索角度改变，甚至使整个过程处于不可控、不确定状态，且施工过程较为烦琐，故该桥梁最终选用配切合龙施工方案。

    该特大桥钢箱梁合龙段预制桥面板及标准段桥面板设计长度分别为7.5m 和11.5m，均超出合龙段长度，故很难从合龙口上桥吊装，为此，必须在合龙前将合龙段和合龙前段预制桥面板吊装至桥面放置，并待安装完钢梁后通过桥面吊机进行对应安装。具体而言，通过2 台桥面吊机分别从东西两侧对称安装钢箱梁和桥面板至M11 和M12 节段，再将合龙段桥面板吊装至M12 节段，将M12 节段桥面板吊至M11 节段；
    此后更换吊具，通过2 台桥面吊机一起吊装M12 节段钢箱梁；
    东侧M12 节段桥面板安装完毕后张拉钢绞线。对合龙口展开48h 持续观测，并通过钢尺测量和坐标观测两种方式加强合龙口间距测量及测点高程控制。在得出观测结果的基础上，进行合龙施工时间和合龙段下料长度的确定，此后通过西侧桥面吊机展开节段匹配连接，结束后调平钢梁、固定环缝。最后将临时固结装置全部拆除。

    为保证吊装合龙施工效果，采用整机重量为77t、最大额定起重量为180t、起升幅度为6.59～8.85m、最大起升速度为20m/h、液压千斤顶提升的纵向小变幅桥面吊机以及分离式双机抬吊的施工工法。桥面吊机整机工作级别为A3，机构工作级别为M4，电源为AC380V/50Hz；
    设计起升高度为70m，钢绞线容量为16m×80m，钢绞线提升长度为80m，支点反力不大于96t×4，锚点反力不大于74t×2。

    该特大桥上部结构施工由悬臂浇筑、边跨现浇段支架现浇、边跨合龙、中跨钢混结合段施工、中跨合龙段钢箱梁吊装等阶段组成，工序较为复杂，在顺利完成以上工序并达到线形控制目标后进行合龙，存在较大难度。该特大桥线形控制主要包括钢箱梁线形控制和混凝土梁线形控制两个方面，两者施工工序存在区别，前者主要采用整体吊装，而后者则采用节段悬臂浇筑。

    3.1 钢箱梁线形控制

    该特大桥主桥合龙段长度大，合龙口吊装存在诸多难点，必须加强大节段安装后桥梁整体线形控制，具体如图1 所示。为保证钢箱梁安装阶段线形合格，必须确保准确安装钢筋混凝土结合段，并保证合龙段安装过程中钢筋混凝土结合段实际标高与预测标高相一致。

    图1 钢混结合段施工节段（单位：cm）

    为进行钢箱梁加工阶段线形控制，必须严格按照设计线形加工预制，其线形加工包括工厂无应力状态加工和现场吊装两个阶段，线形控制也主要基于此两个阶段的位移累计。钢箱梁在工厂胎架上以无应力状态组拼，线形控制相对容易。此后，在施工现场，主要通过提前设置在合龙口两端的桥面吊机现场吊装，在这种两头起吊的过程中，钢箱梁基本处于简支梁状态，对应的位移即为起吊阶段必须考虑的位移，同时也是构成钢箱梁加工线形中预拱度的主要部分。待完成钢箱梁吊装后，张拉体外预应力，必须将二期恒载施工时对应的位移作为预拱度予以考虑和控制。

    对于常规性连续刚构桥而言，通常直接从模型中提取不同节段位移累计值，进而预测结构变形量[2]。因该特大桥钢箱梁合龙段较长，在采用特殊施工方法后，在计算合龙段累计位移时，激活单元边界条件和起吊状态下边界条件存在较大差异，故无法按照常规连续刚构桥计算合龙段位移累计值；
    也会因结构体系转换而引发较大的模型计算误差，故在施工期间必须准确识别并予以修正。

    3.2 混凝土梁线形控制

    特大桥钢箱梁主梁线形控制分为高程线形控制和平面线形控制两个方面。因该桥梁主桥位于直线段，故其平面线形控制方法与悬臂浇筑混凝土梁完全一致，故应将控制重点放在标高控制方面。具体而言，采用自适应控制法展开该特大桥主桥上部混凝土梁标高控制，其中，理论立模标高计算是其高程线形控制的关键所在[3]。设计图纸中将该特大桥钢箱梁主桥分成左右两幅，且沿中心线对称布置，故只进行单幅桥有限元分析。分别应用Midas Civil 2020 和桥梁博士V3.03 程序进行该特大桥单幅结构校核计算，单幅桥共分成152 个单元，包括128 个主梁单元和24 个桥墩单元；
    并将主要施工阶段划分成66 个，同时展开结构累计位移量的计算，结果如图2 所示。由图2 可以看出，Midas Civil 2020 和桥梁博士V3.03 程序的计算结果具备较好的吻合度；
    中跨钢箱梁合龙期间，钢筋混凝土结合段累计位移存在突变，这一点也与普通悬臂连续刚构桥累计位移变化存在差异。混凝土连续刚构桥中跨合龙段通常较短，合龙期间即使出现体系转换也不会出现累计位移突变现象，更不会增大立模标高处理难度。

    图2 主梁累计位移

    为加强该特大桥线形控制，保证中跨钢箱梁精确合龙，必须妥善应对和处理该特大桥钢筋混凝土结合段所出现的累计位移突变，并准确确定钢混结合段安装标高。为此，该特大桥钢箱梁和中跨15#块混凝土梁全部在工厂预制，在施工现场通过桥面吊机吊装，并通过劲性骨架固定钢混结合段，再进行劲性骨架后浇带现场浇筑；
    待钢混结合段施工完成后，移动吊机，吊装钢箱梁。

    因该桥梁主桥为混合料连续刚构桥设计，且主跨合龙段长度、合龙时中跨悬臂长度等均较大，故温度效应对长悬臂混凝土梁段立模标高、合龙段合龙精度等均存在较大影响。具体而言，温度变化会造成单悬臂状态下合龙口大小改变以及吊装状态下中跨钢箱梁长度的伸缩。施工过程中，实际温度与设计温度必然存在差异，准确把握温度可能产生的影响，加强观测，并寻求最佳合龙时机，以保证该特大桥钢箱梁合龙施工精度。

    钢箱梁合龙温度效应分析的侧重点不同于悬臂施工，悬臂施工时重点关注结构变形及温度应力受温度变化的可能影响，而合龙时则重点考虑温度变化对合龙精度的影响。结合该桥梁工程所在地气温情况，待主墩处在合龙前单悬臂状态时分析温度效应，系统温度升高及降低10℃和20℃时合龙口及钢箱梁位移变化分析结果如表1 所示。整体而言，合龙口位移变化及钢箱梁伸长量均与温度变化呈线性关系，在钢箱梁配切期间必须准确观测关键施工阶段环境温度，根据理论分析修正配切量，确保精确合龙。

    表1 随温度变化的合龙口前端水平位移值

    在温度变化过程中，合龙口标高也随之发生改变，必须准确计算吊装前、合龙后合龙段钢箱梁接缝处竖向位移，具体如图3 所示。由图3 结果可以看出，由于体系转换的原因，吊装前及合龙后同一点在温度改变后的位移量存在较大差异。吊装前高程只会随环境温度的改变而改变，而中跨钢箱梁合龙后，连接合龙段的断面便无法按照既有变形规律而变化，必定会遵循新的变化规律，继而引发高程线形误差。总之，在钢筋混凝土结合段定位过程中必须加强气温观测，保证安装标高的准确性；
    在合龙段钢箱梁安装期间，尽可能确保其气温与钢筋混凝土结合段安装时气温相一致，以便将误差降至最低。

    图3 合龙段钢箱梁接缝处竖向位移

    综上所述，特大桥钢箱梁合龙施工控制存在诸多要点和难点，在控制过程中必须加强模型计算及其与实际施工状态差异的分析，保证线形控制的精确性。在大节段钢箱梁合龙过程中，合龙口存在明显的突变现象，对其进行合理处理可有效保证钢筋混凝土结合段安装高程线形控制精度及成桥后中跨钢箱梁线形控制精度，且Midas Civil 2020 和桥梁博士V3.03 程序所得到的结果基本一致。该特大桥钢箱梁合龙采用劲性骨架自然温度配切合龙施工方案后，主梁于2021年年底完成合龙，施工过程十分顺利，且钢箱梁成型后线形完全符合设计及规范要求，结构整体受力可控，合龙质量有保证。由此可见，该施工技术具有极大的推广应用价值。

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