三官堂大桥及接线工程位于宁波市东部, 是连接高新区院士路与镇海区明海大道的主要过江通道, 南起高新区江南路、中跨甬江、北至镇海区中官西路, 路线全长约3.3km。三官堂大桥主线按城市主干路双向8车道设计, 采用一跨过江方案, 跨江主桥中跨设人非通道^[1,2]。主桥上部结构为3跨连续钢桁梁, 跨径布置为160+465+160=785m (见图1) , 桥面系采用正交异性钢桥面板, 板桁结合。采用变高桁架, 桁式采用“N”形, 跨中桁高14.5m, 边墩墩顶桁高15m, 中墩墩顶桁高42m, 桁架基本节间距15m, 在中墩墩顶附近为18.75m, 主墩处桥面下设置V撑。该桥建成后将成为世界上跨径最大的连续钢桁架桥^[3]。

钢桁梁桥施工方法根据不同桥梁结构形式及工程特点, 通常有支架法、门吊法、浮吊法、悬臂拼装法、纵向拖拉法、钓鱼法、缆索吊机法、浮运架设法、横移法、顶推滑移法等^[4,5,6]。本桥主桥为全焊钢桁架结构体系, 为减少现场焊接工作量, 保证结构安装精度, 主桥尽量采用大节段、大块件拼装, 从而提高施工效率, 缩短全桥总体工期。

三官堂大桥钢桁梁采用“边跨支架拼装+中跨悬臂拼装”施工方案^[7,8,9]。钢桁梁共划分为51个节段, 由两端边跨向主跨拼装。根据边跨钢桁梁、安装线形及节段划分位置, 首先搭设边跨及三角区钢桁梁安装支架、临时码头, 同时施工钢桁梁、安装门式起重机轨道基础及轨道, 安装并调试好门式起重机。边跨钢桁梁采用支架法施工:利用门式起重机起吊, 按从岸侧至江侧顺序依次分节段安装;三角区钢桁梁采用支架法施工:利用门式起重机起吊, 按先下后上的顺序, 分榀逐步安装。具体边跨及三角区钢桁梁支架法施工如图2所示。而钢桁梁中跨节段采用运输船运送至桥位安装点正下方, 利用1台2×325t桁上吊机逐段对称安装, 合龙段则采用2台2×325t桁上吊机抬吊。合龙后顶升边墩横梁, 恢复预偏至设计位置。具体中跨钢桁梁悬臂吊装及其合龙段施工如图3, 4所示。

1) 三角区钢桁梁是本桥结构体系最复杂部位, 不但杆件数量多、空间尺寸大, 且下三角区诸多杆件为空间体系, 安装定位精度控制难度大。如何确保安装精度和空间位置准确无误是需解决的难题。

2) 边跨大节段钢桁梁质量大, 钢桁梁滑移过程中, 由于构件重心移动, 会使船舶出现倾斜, 从而使滑块受力不均, 影响结构安全;且对于主墩附近的钢桁梁节段, 高宽比较大, 滑移过程中易倾覆。

3) 桥址江心处流速大、水又深, 自航驳船自身体积较大, 抛锚难度大。如何进行抛锚且实现精确定位也是难点之一。

4) 对于采用悬臂拼装的超大跨径连续钢桁梁桥, 悬臂跨度大, 存在悬臂端挠度过大问题。另外, 由于安装线形与施工过程密切相关, 不同的施工过程及施工方法会得出不同的安装线形。因此, 安装线形和精度控制难度大。

5) 合龙时主梁悬臂长度大, 合龙口的几何位置对温差和外荷载等因素敏感度大^[10,11], 在合龙调整时, 纵向偏差、横向偏差和竖向偏差互相影响, 变化不定, 较难掌控。合龙点较多, 主桁杆件有4个合龙接点、斜撑杆件有4个合龙接点, 此外还有桥面系。合龙精度要求高, 属全焊合龙, 在合龙时, 合龙接口互相影响, 难度较大。杆件制造误差及杆件安装误差的累计对合龙影响较大, 基本无法预测该值, 从而增加合龙难度。

6) 焊接会造成桥梁整体与局部的焊接变形和残余应力较大, 对于大跨度全焊接桁架桥, 焊接对变形和应力的影响会尤为突出^[12,13,14], 因此焊接变形控制和残余应力的消除措施也是施工难点。

7) 中跨钢桁梁安装时采用桁上吊机进行吊装。其存在桁上吊机如何锚固有利于控制桁架的局部受力与变形以及吊点如何随钢桁梁上弦杆曲线调整问题。

钢桁梁节段采用A类四氟滑板滑块进行滑移施工。采用10t慢速卷扬机进行牵引, 卷扬机布置在内侧滑移轨道后端, 每个轨道上设置3套滑块。滑块应置于下弦杆横隔板正下方, 现场施工时, 根据不同节段横隔板位置对滑块位置进行调整, 具体如图5所示。

钢桁梁节段运输至现场后, 将滑车组与构件上耳板进行连接, 启动码头上10t卷扬机进行牵引施工。牵引过程应缓慢进行, 2套卷扬机应同步进行牵引, 牵引应保持匀速前进。钢桁梁滑移过程中, 应密切观察钢桁梁在轨道上的姿态, 保证滑移时不侧滑、不摆动, 并保证钢桁梁与滑块不滑脱。钢桁梁滑移前, 为确保钢桁梁滑移过程中安全, 防止滑移过程中钢桁梁节段产生倾覆, 在节段两端端头设置防倾覆扣件。防倾覆扣件采用[20, 通过高强度螺栓与下弦杆匹配件连接, 底部设置钢板牛腿, 当钢桁梁节段产生倾覆时, 钢板牛腿通过滑移轨道翼缘限位, 从而起到防止梁段倾覆的作用。

下三角区钢桁梁由水路运至现场后, 采用滑块滑移或履带式起重机吊装进行卸船, 然后采用ME A4 300/50+300t门式起重机进行安装施工。具体安装示意如图6所示。

由于下三角区杆件截面高、宽尺寸较大, 因此支架固定时考虑侧向约束, 需固定各杆件位置, 防止偏移, 保证安装精度。安装时, 各节段杆件之间采用临时匹配件固定, 待焊接完成并经检测验收合格后予以拆除。钢桁梁整体节段下弦杆匹配件位置需根据需要适当调整。

钢桁梁节段临时匹配件示意如图7所示。

边跨钢桁梁采用分段拼装方案, 对于悬挑杆件采用临时杆件进行固定。梁段安装顺序为:从边跨向中跨侧安装, 每节梁段先调整控制位置满足设计要求后, 临时固定, 暂不焊接, 焊接顺序由三角区的X11向两侧逐段焊接。

边跨钢桁梁段B10, B11号安装前, 应先在一次性浇筑的边墩盖梁上安装好临时竖向支座与横桥向限位支座 (见图8) : (1) 临时竖向支座高程根据桁梁预偏高度确定 (按设计要求, 边墩处向下预偏80cm, 但考虑到为合龙前钢桁梁线形留出一定调整余地, 因此按90cm调整空间设置) ; (2) 在临时竖向支座正上方对应端横梁底部固定上支垫滑移槽 (可沿顺桥向滑动, 但须采用限位块暂时约束其顺桥向移动) 。

三角区及边跨钢桁梁安装完成后、中跨钢桁梁安装前, 须依次进行边墩临时支座约束解除、钢桁梁安装支架拆除和边墩锚固、顶升体系施工3项工作, 其中张拉边墩锚固体系有助于中跨钢桁梁安装的结构稳定, 是保证中跨钢桁梁安装安全的一项重要保障措施。边墩锚固体系布置如图9所示。

中跨钢桁梁安装分为Z5～Z6号梁段安装和一般梁段 (Z7～Z14号) 安装。根据实际施工情况, 如果临时栈桥与码头能及时拆除则Z5, Z6号节段无须滑移上岸, 运梁船直接运送至桁上吊机正下方起吊, 否则采用钢桁梁先滑移再起吊方案。而一般梁段钢桁梁通过运输船装运至桥区, 在待安装位置下放进行抛锚定位, 同时在南岸滩涂区及北岸堤岸上设计2个辅助锚, 确保运输船舶定位误差控制在40cm以内。桁上吊机提升梁段时, 当梁段85%以上自重由千斤顶承载后, 调整千斤顶油缸行程, 同时启动千斤顶连续提升, 将梁段脱离滑移平台, 此时再次检查梁段是否处于水平状态、吊点连接和吊机工作状况。若状态正常则继续提升梁段至安装高程, 否则缓慢下放梁段, 找出原因并调整到位, 然后再继续提升。钢桁梁起吊后的后续工序为钢桁梁姿态调整、临时连接、钢桁梁焊接、吊机卸载 (见图10) 。

宁波三官堂大桥合龙工艺是通过边墩支点下降, 以及利用钢结构自身强度、主桁架梁预抬加工线形满足钢桁架梁合龙条件。结合理论分析计算, 通过对合龙前悬臂节段的过程安装控制, 在不同温度条件下, 对合龙口宽度及高程进行连续观测, 配切合理的合龙段尺寸, 并在合适时段内完成合龙焊接工作, 再通过边墩支点顶升, 钢桁梁结构绕主墩支座转动归位, 最终实现桁架梁跨中合龙。合龙段吊装示意如图11所示。

当中跨南、北侧钢桁梁完成Z14号钢桁梁安装后, 对两端的控制点高程进行联合测量, 并收集数据, 重点测量夜间温度稳定后至日出前 (一般为1:00—5:00) 的结构温度。根据南、北侧高程, 利用边墩千斤顶调整合龙口桁架标高及位置, 再连续全桥联测合龙口尺寸, 查找最佳合龙时机规律, 确定合龙段尺寸。在最佳合龙时机, 用2台桁上吊机同时起吊合龙段就位后, 先临时锁定一侧, 待温度升高, 合龙缝隙达到要求后, 再锁定另一侧;调整边墩千斤顶, 达到设计线形条件。

合龙段施工若继续采用整体吊装的施工方法, 合龙时需同时对位的合龙口较多, 难以精确控制, 所以考虑将整体吊装方式改为分部分吊装合龙。吊装采用先同时合龙左、右幅2个桁片 (含斜腹杆, 但斜腹杆与下弦杆吊装时先不焊接, 而是采用临时匹配件临时连接固定) , 再吊装焊接水平斜杆, 最后吊装桥面系的顺序合龙。为保证合龙段顺利吊装就位, 上弦杆长度、斜腹杆悬臂端的顺桥向水平距离、下弦杆长度应依次增加, 以便使合龙口形成上小下大的“八”字形开口。临时杆件加固合龙段示意如图12所示。

合龙口在进行轴线调节时采用100t横向调整螺旋千斤顶进行顶推。调节到位后及时安装80钢拉杆, 用2个螺母一前一后夹住连接牛腿板实现定位。调节好轴线后先上好一部分螺杆做临时连接, 在腹板内侧焊接限位挡板, 拆除横向顶推千斤顶。利用临时连接牛腿架设纵向调节千斤顶, 确定调节量。若需向外顶, 则放松钢拉杆利用千斤顶顶推;若需向内拉, 则调节钢拉杆螺母实现向内调节;使得最终焊缝宽度为10mm, 误差为±5mm。

边跨及三角区拼装时, 事先对边跨桁架梁向边跨进行预偏转, 中跨悬臂端相应预抬高, 则可消除部分挠度影响。预偏方式采用B11号梁段在边墩支座处降低0.8m进行安装, 其余梁段相应绕主墩支座向边跨偏转, 其中北岸支架须根据北侧中墩支座向中跨侧偏移28.4cm。

在边墩处留出适当 (100mm) 预压调整空间, 如果安装线形同计算模型分析结果出入较大, 在合龙前通过边墩预压或顶升实现合龙线形调整。

严格控制悬臂拼装过程中中跨悬臂的施工荷载, 严格控制各安装梁段安装线形、监控端横梁位移情况, 使之尽量与计算模型相吻合。在中跨安装过程中, 不断根据已安装梁段在安装过程中线形的变化推导待安装梁段的安装位置与理论线形安装位置对比, 保证安装梁段与已安梁段的线形按安装设计线形变化。

宁波三官堂大桥地处东南沿海, 经常受大风天气影响。为平衡钢梁在横向风作用下的扭矩并保障悬臂结构安全性, 需对该桥采取以下措施: (1) 通过主墩处支座临时固定措施及边墩处增设临时竖向支座、临时竖向约束系统与侧向限位挡块, 对钢桁梁形成有效约束, 防止在大风作用下使悬臂梁倾覆或发生偏转而导致破坏。 (2) 在江堤上设置地锚, 在台风来临前在悬臂端设置风缆, 并锚固于地锚上, 从而约束大悬臂钢桁梁在超强大风作用下发生大位移偏转, 保证悬臂钢桁梁安装。

宁波三官堂大桥主跨465m, 是世界上跨径最大的连续钢桁梁桥。其钢桁梁节段自重大, 杆件结构数量多且复杂, 悬臂长度大, 这使得该桥施工难度大, 精度要求高。在充分考虑现场施工条件和主梁的结构特点后, 边跨与中跨桁梁杆件与桥面系在工厂组装成整体运输到现场并进行吊装;三角区钢桁梁杆件尽量组装成大型块件进行安装。其中, 边跨及三角区桁梁采用支架法分节段、分块拼装, 而中跨钢桁梁采用悬臂拼装法进行架设。中跨合龙段施工考虑将整体吊装方式改为分部分吊装合龙, 由此可减少对接的合龙口, 合龙精度易于控制。结果表明, 依据此施工方法可将施工最后的精度控制在一定范围内, 如高程偏差为±5mm, 轴线偏差为±2mm, 钢桁梁架设过程中质量安全可控, 架设后钢桁梁的线形满足设计要求, 可为同类桥梁施工提供参考。