随着经济的高速发展与施工技术的成熟, 具备自重小、跨度大、施工方便等优点的钢-混结合梁斜拉桥逐渐受到桥梁设计者们的青睐。对于大跨钢-混结合梁斜拉桥, 由于钢梁对温度的敏感性使得中跨合龙成为施工中的关键问题。顶推合龙^[1,2,3]与配切合龙^[4,5]是目前主要采用的两种中跨合龙工艺, 而在此基础上衍生出的顶推辅助的配切合龙方案成为了斜拉桥中跨合龙的新型工艺, 并已成功应用于苏通大桥^[6]和厦漳跨海大桥^[7]。为研究配切-顶推合龙工艺, 以西固黄河大桥为工程背景, 研究其在大跨钢-混结合梁斜拉桥中的应用, 并对合龙口状态的影响因素进行敏感性分析, 为此类桥梁设计、施工提供借鉴作用。

西固黄河大桥位于甘肃省兰州市, 是甘肃省高等级公路建设史上的首座斜拉桥, 也是我国Ⅷ级高烈度震区最大跨度的斜拉桥。主桥为双塔三跨半漂浮体系结合梁斜拉桥, 桥跨布置为 (67+110+360+110+67) m, 桥型布置如图1所示。

斜拉桥桥塔采用钢筋混凝土菱形塔, 斜拉索为空间双索面, 每个塔柱两侧14对索, 全桥共112根斜拉索, 主梁采用工字钢-混凝土结合梁, 如图2所示, 结合梁全宽27.5m, 由边主梁、横梁、小纵梁及钢筋混凝土桥面板组成。结合梁梁高2.83m (钢主梁中心处) 、3.06m (桥梁中心处) 。跨中梁段以及边跨梁端部分边主梁采用2 500mm×1 000mm×36 (60) mm×20mm工字形截面, 其余部分采用2 500mm×1 000mm×36 (80) mm×28mm工字形截面, 钢横梁采用2 330mm×700mm×20 (28) mm×16mm工字形截面。桥面板厚度25cm。

西固黄河大桥主梁采用桥面起重机对称悬拼施工工艺、再中跨跨中合龙的施工方案。主梁共分为50个标准节段 (12m) +2个0号节段 (12m) +4个1号节段 (16m) +2个边跨合龙节段 (10.6m) +1个中跨合龙节段 (4m) , 总计59个节段。斜拉索的挂设在主跨钢梁悬臂架设时同步进行, 每悬臂安装完成1个钢梁节段, 即挂设张拉1对斜拉索, 张拉端设置在塔端。

西固黄河大桥结合梁对称悬拼架设共分为4个步骤: (1) 主塔上的附壁起重机吊装0号支架, 垫块完成后吊装0号块钢梁并拼装第1台35t桥面起重机; (2) 第1台桥面起重机吊装1号节段, 拼接完成后在桥塔上安装第2台桥面起重机, 进行对称悬拼架设钢梁; (3) 悬臂对称过辅助墩、过渡墩时, 浇筑压重混凝土, 安装各墩墩顶正式支座; (4) 先进行边跨合龙, 其后进行中跨合龙。

西固黄河大桥为主跨360m结合梁斜拉桥, 施工控制具有以下特点与难点: (1) 桥梁结构跨度较大、刚度小、变形大, 非线性效应的影响较为明显, 恒荷载偏差对施工监控的影响较大; (2) 对于钢-混结合梁斜拉桥, 由于斜拉索水平分力作用, 主梁承受很大的恒荷载压力, 混凝土桥面板的收缩与徐变将使得钢结构部分的应力增加, 混凝土部分的应力减小, 且钢结构部分的应力增加幅度较混凝土部分的应力增加幅度大, 因此对钢主梁应力影响很大; (3) 桥面板安装工序将影响主梁内力状态, 不合理的工序将会造成桥面板开裂; (4) 高强螺栓连接的钢主梁调整余量较小, 众多的安装节段使得误差累积; (5) 主梁采用结合梁, 钢梁对温度较敏感, 中、边跨合龙难度较大; (6) 下塔柱、辅助墩、过渡墩较高, 横向及竖向振动易影响现场结构变形测试结果。

西固黄河大桥主桥采用无应力状态控制法进行监控计算, 以成桥状态下斜拉索的无应力长度作为目标, 根据无应力长度计算斜拉桥主梁安装过程中的初张拉索力及后续的索力调整值, 避免了倒拆法等方法在施工监控时耗用机时多、索力张拉次数多、影响工程进度等缺点。

主梁悬臂施工过程中, 其应力不作为主要控制因素, 经计算分析综合考虑后, 西固黄河大桥斜拉索采用2次张拉, 初张拉仅为斜拉索安装, 并为前移起重机做内力储备, 第2次张拉将其张拉到成桥时两锚固点间的无应力长度。悬臂拼装时拉索张拉力会大于主梁自重以此来承担成桥状态时的二期恒荷载, 钢-混结合梁截面将要承担拉索产生的额外弯矩。

目前针对斜拉桥合龙主要有以下2种施工工艺: (1) 顶推合龙中跨合龙段的实际长度采用理论设计长度, 根据合龙温度的变化借助外力顶推主梁调整合龙口实现中跨合龙。顶推合龙克服了合龙段的装配应力问题, 符合几何控制法的基本原理。 (2) 配切合龙考虑合龙时温差的影响, 通过连续观测梁长和温度变化来获得合适的主梁长度, 切割后完成合龙, 尽量降低其对成桥状态的影响。

合龙工艺对于悬臂施工斜拉桥至关重要, 将会影响施工进度、内力线形甚至施工安全性。根据现场实际施工进度情况, 结合梁中合龙时间拟定在2016年8月31日前后。为确定合理合龙工艺, 对近5年全天历史气象资料进行汇总, 得到时间-温度变化曲线, 如图3所示。

由图3可知, 在23:00—07:00, 共8h, 温度相对稳定, 变化较小, 且持续时间较长。最大温差约6℃, 平均温度约15℃, 选取此时段为合龙时间区间。此外, 最低温度约10℃, 最高温度约30℃, 因此中跨合龙方案以采取配切等措施调整合龙段的形状来适应合龙口的长度为主要方法、采取顶推等措施调整合龙口的形状来适应合龙段的长度为辅助方法。

施工过程中温度变化对钢-混结合梁线形有着显著影响, 主梁线形、索力、塔偏位及应力则需要加强监测, 对不满足要求的部位应及时调整。根据西固黄河大桥主桥结构特点, 当钢-混结合梁合龙段两侧梁段线形出现异向偏差时, 设置轴线调整对拉系统, 轴线调整系统固定点设置在主纵梁靠近横梁位置, 以保证合龙口两侧主梁不出现轴线偏差。轴线调整系统由耳板、滑轮组、手拉葫芦以及钢丝绳组成, 合龙口对拉如图4所示。两侧梁段相对高差利用斜拉索和运梁小车前后移动完成配重, 通过调整斜拉索索力和运梁小车位置, 使得合龙口两侧梁段上对应的标高控制点的相对高差满足要求。

主跨合龙梁段主纵梁在晚上较低温度时开始吊装。吊装时, 合龙口两侧的2台起重机分别吊起1根合龙段主纵梁, 合龙段主纵梁平行于两侧钢梁, 从钢梁外侧向合龙口移动, 穿过连接板就位。安装4号塔侧其他连接板, 并进行冲钉和高强螺栓连接, 随后安装4号塔侧其他连接板及对拉装置螺栓。待合龙温度到来时, 迅速将主纵梁另一端与南塔侧主梁匹配并迅速进行冲钉和高强螺栓连接。底板、腹板、肋板冲钉及高强螺连接完成后, 拆除对拉装置更换连接板, 并迅速完成顶板冲钉和高强螺栓连接。温度自然合龙如图5所示。

钢梁合龙后在日出前, 同时解除2个塔的纵向临时固结, 然后先后解除2个塔的竖向临时固结。

当温度合龙误差较大, 达不到合龙要求时, 采用顶推方法辅助合龙。中、边跨斜拉索的水平向不平衡力约1 900k N (往中跨方向) 。采用顶推方法时, 为了平衡斜拉索的水平不平衡力、控制合龙口间距, 在边跨纵向限位位置增加千斤顶, 利用调整千斤顶行程变化达到调整合龙口间距的目的, 如图6所示。根据计算结果, 采用250t千斤顶完成顶推合龙。

由上述分析可知, 通过调整索力及运梁小车位置对主梁高程进行纠位, 故本小节针对索力和运梁小车进行主梁敏感性分析。

合龙高程可利用中跨14号斜拉索进行调整, 14号斜拉索索力变化对合龙口状态的影响如表1所示。

合龙口状态调整过程中, 除采用斜拉索索力调整外, 可利用运梁小车的前后移动快速地对主梁合龙口的高程进行调整, 结合实际工程, 选用15t运梁小车进行高程调整, 其对合龙口高程影响曲线如图7所示。

由表1可知, 当14号索力张拉100k N后, 合龙口线形变化明显, 主梁高程增加了23.31mm, 受弯矩作用, 顶底板缝宽变化1.58mm, 主梁纵向也产生较小变形。由图7可知, 运梁小车在靠近合龙口的12号梁时主梁高程变化最大, 达到13mm, 随着小车驶离合龙口, 高程变化越来越小。顶底板缝宽差值变化趋势与高程相异, 曲线呈拱形, 小车位于12号梁时最小, 在10号梁时达到最大值, 约为0.15mm。

由此可见, 索力调整对主梁高程影响更为显著。

斜拉桥作为高次超静定结构, 温度变化对主梁标高有着显著的影响, 对于钢-混结合梁斜拉桥则更为明显。对于温度影响的计算, 采用结构整体升温10℃查看其对合龙口的影响, 结果如表2所示。

由表2可知, 在整体结构升温10℃的作用下, 合龙口变化明显。相比于索力调整, 结构升温对主梁高程及顶底板缝宽影响相对较小, 而对水平纵向位移影响显著, 单侧位移变化值达17.2mm, 因此在环境温度稳定时才能进行斜拉桥合龙。

西固黄河大桥中跨合龙采用顶推辅助的配切合龙方案, 因此需要进行顶推力对主梁的敏感性分析。顶推力敏感性分析主要根据中跨斜拉索的水平向不平衡力, 主塔、辅助墩、过渡墩墩顶支座摩阻力来确定。通过模型计算得出, 西固黄河大桥主梁往中跨方向约有1 900k N的斜拉索水平向不平衡力。支座支反力、摩阻力值如表3所示。

经计算, 主梁往边跨移动时, 顶推力增加100k N主梁移动约6mm。

为调整轴线偏位, 在合龙口两侧钢梁采用轴线调整系统对拉手拉葫芦, 手拉葫芦对拉的对拉力增加1t (10k N) , 合龙口相对位移10mm。

当中跨合龙完成后, 需要解除两主塔的纵向以及横向临时锚固, 体系转换完成后墩梁处释放的内力将对斜拉索索力及主梁线形产生一定的影响, 因此对临时锚固的拆除进行了灵敏度分析, 以5号主塔为研究对象, 索力及主梁线形如图8所示。

从图8中看出, 索力变化最大值发生在靠主塔最近的S1拉索, 变化值为60k N, 此外, 由于S9拉索处为主梁辅助墩, 体系转换后该处内力变化明显, 索力变化约为50k N。内力释放后, 主梁线形在中跨、边跨1/4处变化较为明显, 挠度最大值达7mm。受索力影响主梁呈下挠趋势, 边跨呈上挠趋势, 跨中合龙段上升了2mm, 且边跨辅助墩有效地减少了边跨的挠曲变化。临时锚固的拆除对全桥索力、线形的影响量较小, 均在可控范围内。

1) 结合西固黄河大桥主梁为钢-混结合梁的结构特点与当地气候条件, 主梁跨中采用顶推辅助的配切合龙方案, 其中顶推力增加100k N主梁可移动6mm。并通过设置轴线对拉装置来处置梁段异向偏差, 手拉葫芦拉力增加1t (10k N) 可调整10mm的相对位移。

2) 索力调整与运梁小车对主梁高程影响显著, 能有效地进行主梁高程调整, 其中索力调整更为明显。温度变化对主梁水平纵向位移影响最大。临时锚固的拆除对全桥索力、线形的影响量较小, 均在可控范围内。