飞云江跨海特大桥中跨合龙关键技术
1 工程概况
飞云江跨海特大桥主桥设计为(50+110+380+110+50)m双塔双索面叠合梁斜拉桥,叠合梁边中跨比为0.42,辅助墩位置选择在距桥塔110m处。采用5跨连续半漂浮体系,空间密索型布置;斜拉索采用平行钢丝斜拉索。斜拉索在主梁上的基本索距为12m,边跨尾索区为7.1m,塔上索距为2.0m,全桥共120根斜拉索,最大斜拉索长度为205.4m,单根斜拉索最大质量约19.5t。主梁采用钢梁与混凝土桥面板组合梁,二者通过剪力钉相结合。钢梁部分由纵梁、横梁及小纵梁共同组成钢梁格体系,如图1所示。主塔为A形钢筋混凝土结构,由上、中、下塔柱及下、中、上横梁6组成,塔高140m。22,25号辅助墩及21,26号过渡墩均为框架墩,墩柱横向向外侧倾斜为V形,倾角约为7.545°,墩身高度分别为30.20,29.15m。
2 合龙方案比选
斜拉桥合龙段涉及结构受力体系转换,是斜拉桥施工过程中的关键部位,同时也是施工难度较大的部位。斜拉桥合龙过程实则为将斜拉桥从施工期结构体系转换为成桥结构体系的过程,一般包括合龙口准备(位置、高程调整)和合龙段吊装、临时锁定和焊接、主梁施工期内临时约束解除及主要施工荷载撤除等。合龙施工方案的选定对于成桥质量有着重要的影响。目前国内外斜拉桥中跨合龙方法可分为顶推法合龙和温度配切法合龙。顶推法合龙施工需要较大的顶推力和移动距离,顶推过程对结构线形和斜拉索索力存在影响,且需提前释放部分塔梁临时固接,释放过程对结构的影响无法预见,同时,合龙接缝匹配困难。温度配切法合龙段配切长度较大,温度变化对合龙口尺寸影响较大,合龙段可能无法嵌入合龙口,或嵌入后接缝宽度过大而导致焊缝过宽或偏小,影响焊接质量。斜拉桥跨度较大时多采用顶推法,中小型跨径斜拉桥多采用温度配切法,如表1所示。飞云江跨海特大桥主跨为380m,经比较选用温度配切法进行中跨合龙,施工流程如图2所示。
3 合龙关键技术
3.1 梁段加固及位置调整措施
3.1.1 合龙段加固
由于合龙段中间只有1道横梁,为防止MHB钢梁不均匀起吊,造成合龙段扭曲变形,需提前对MHB钢梁进行加固,加固工作安排在钢梁制造基地,然后运至施工现场,提前卸除中跨合龙段小纵梁;待中跨合龙完成后将加固用的临时钢管拆除,进行小纵梁安装,加固构造如图3所示。
3.1.2 平面位置及高程调整措施
1)轴线偏差调整在中跨MB15梁段顶面设置单束2根钢绞线交叉斜向布置,钢绞线斜向对拉进行合龙口轴线调整,确保合龙梁段与相邻梁段之间平顺连接(见图4);斜向对拉前及过程中注意观察塔梁横向限位是否松动,防止大悬臂情况下全桥钢梁轴线偏位。
2)高程调整在合龙口两侧梁段上设置测量点,测量合龙口间距和合龙口两侧主梁高程,提前将高程控制到位,合龙口观测点之间距离变化规律一致。起吊前,将两端斜拉索张拉油泵保持正常状况,以便在起吊或合龙过程中两侧高程发生变化时及时通过斜拉索调整。
3.2 合龙时间及温度
根据现场施工组织情况,提前5d确定合龙日期,连续3d不间断观测合龙口温度及宽度,根据潮汐时间确定具体起吊时间。依据观测数据及气象部门提供的数据确定合龙温度及相应时间内合龙口宽度,合龙时间选择在0:00—5:30进行(具体依据合龙当日温度监测情况),此段时间温度相对稳定,2013—2017年4月20日48h温度变化趋势如图5所示。
3.3 合龙配切长度
3.3.1 配切断面选择
为便于合龙梁段吊装时嵌入合龙口,提前将南、北岸2个匹配端口MB15切成斜断面,同时将合龙段按梯形配切,如图6所示。
3.3.2 合龙段配切长度
合龙前,连续3d观测中跨合龙口温度及合龙间隙变化,合龙前安排24h连续温度观测,观测频率一般为:20:00—8:00为1次/h,其余时间段为1次/2h。主要采集数据为采用温度计测量大气温度、采用点温计测量钢梁温度、采用钢尺测量合龙口宽度。测量组按观测频率同步记录合龙口宽度实际测量数据,整理汇总,作为合龙温度选定的依据。
在MB15梁段完成精确定位后开始记录数据。合龙段长度根据两悬臂端顶底口对应测点之间的长度变化实测数据进行取值,预留焊接焊缝长度(理想焊缝预留宽度8~15mm,钢梁实际施工为20mm左右)。在确定配切长度后及时通知钢梁制作单位进行配切,采取现场同等环境温度下配切,确保配切精度。

式中:Lh为合龙段配切长度;L为南、北岸侧MB15净距(依据观测数据);Lf1,Lf2分别为南、北岸侧MB15与MHB预留焊缝宽度;ΔL为竖曲线修正量。
3.4 合龙临时锁定装置
3.4.1 锁定装置设计
经多方考虑,借鉴其他多个类似项目的临时锁定经验,为节省合龙过程中临时锚固的作业时间,提出采用耳座板和炮弹销形式进行锁定,在MB15钢梁顶、底板和腹板场内完成焊接锁定装置,在合龙施工过程只需焊接另一半耳座板,耳座板焊接完成后安装连接板和销轴,即完成临时锁定。锁定装置构造如图7所示。
采用连接板及销轴固定的方式大幅减少现场安装锁定时间,方便现场施工,节省人力。避免主梁之间焊缝定位精度受温度影响大,减少合龙过程中受温度的影响。
3.4.2 主要构件计算
1)主梁在合龙当天产生的温度应力

式中:F为温度变化1℃钢梁内引起的应力;Δl为钢梁变化1℃引起的长度变化;E为钢材弹性模量;A为钢梁横截面积;l为两侧钢梁长度之和。
合龙全过程考虑温差变化为5℃,计算得主梁温度引起应力为7 800kN,取8 000kN。合龙段共设计8个锁定装置,则每个锁定装置受力为1 000kN,为防止8点不均匀受力,取1.2倍安全系数,得结构抗力[f]≥1 200kN。
2)耳板焊缝轴向力

式中:fw为角焊缝抗拉强度设计值(N/mm2);lw为焊缝计算长度(mm);tw为焊缝计算宽度(mm)。
3)销轴抗剪

式中:τ为销轴抗剪强度(N/mm2);nv为受剪面数量;d为销轴直径(mm)。
4)耳板抗拉

式中:σ为耳板抗拉强度(N/mm2);t为耳板厚度
5)耳板局部承压

耳板及销轴均满足要求。
4 临时约束解除及工效分析
解除顺序为:松掉临时横向限位,解除横向抗风支座纵向锁定板→割除临时支座垫石旁纵向型钢限位→割除拉压杆→轴线对称割除竖向锚固钢绞线→拆除钢管混凝土支撑楔形块及钢管支撑→辅助墩及过渡墩纵向锁解除。
塔梁约束解除时采取逐步放松的方式逐步释放预先施加的锚固力。由于钢绞线钢束受力较大,在时间允许的情况下,可以单根钢绞线割除逐步释放,直至所有钢绞线钢束全部不受力。需对称逐根割除竖向锚固且及时监控合龙段标高变化情况,防止发生梁段上抬风险。
合龙过程各工序衔接有序,有条不紊,且在临时锁定过程中提前1.5h完成,为后续施工提供作业时间保障,保证高精度合龙,同时也取得了良好的社会效益。
5 结语
飞云江跨海特大桥叠合梁中跨采用温度配切法合龙,并设计连接板和销轴作为临时锁定装置,为合龙提供时间保障,同时采取系列辅助措施,保证主桥中跨顺利合龙,避免主梁之间焊缝定位精度受温度影响大,减少合龙过程中受温度的影响。施工过程中制定详细的合龙施工步骤及分工表,采取现场同环境配切合龙段长度,提高精度。最终实现悬臂施工与合龙之间各道工序有序、紧密衔接,确保温度变化及焊缝定位精度均处于允许误差范围内,实现主桥中跨高精度合龙。
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