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摘要：斜拉桥的合龙一般有温度合龙和几何合龙两种方式，本文针对重庆轨道交通环线高家花园大桥的施工环境及特点，对两种合龙方式进行了定性分析，并提出了该半漂浮体系混合梁斜拉桥在低于设计合龙温度环境下几何合龙所采取的技术措施。
关键词：混合梁斜拉桥 低温 合龙 几何合龙 措施
1、概述
1.1、研究背景
半漂浮体系斜拉桥是指在塔墩位置设置支座以竖向支承主梁，混合梁是指主梁沿梁的长度方向由钢和混凝土两种材料组成，主跨的梁体为钢梁，边跨（部分连结或全部连结或深入主跨一部分）的梁体为混凝土梁。混合梁斜拉桥边跨一般采用支架现浇，之后边跨箱梁上安装桥面吊机逐节段吊装中跨钢箱梁，边中跨对称挂索，最后吊装合龙段。近年来我国修建的半漂浮体系混合梁斜拉桥有鄂东长江大桥、永川长江大桥等。
斜拉桥合龙一般有温度合龙和几何合龙两种方式。温度合龙是指最大悬臂状态时，进行不少于48小时的合龙口宽度和形状的连续观测，根据合龙口宽度观测结果和合龙时可能达到的温度条件，指定合龙温度，并根据该温度时的合龙口宽度作为合龙段长度。在合龙温度时间区段内起吊合龙段，进行合龙锁定，最后焊接合龙缝。
几何合龙是指合龙温度低于设计合龙温度时，在最大悬臂状态时，解除塔梁临时固结，通过对梁体施加外力，调节合龙口宽度，使其合龙口宽度减小合龙温度相对于基准温度差导致的梁体收缩量，这时完成合龙锁定，并焊接合龙缝，之后卸除顶推梁体的外力。
几何合龙中，合龙口宽度通过外力来调节，因此无论在何种温度下均可实施，对环境条件基本无要求，能从根本上消除实际合龙温度与设计合龙温度不一致带来的温度效应。
1.2、工程概况
重庆轨道高家花园大桥全长594m，除A0、P0间一跨17m引桥外，其余主桥为52+68+340+66.5+50.5m双塔双索面混合梁斜拉桥，中跨为钢箱梁，边跨、辅助跨混凝土箱梁，全宽19.6m，五跨连续半漂浮体系。
全桥钢箱梁划分为A～D共4种节段类型29个梁段。其中A为标准梁段；B为跨中合龙段；C为加强段；D为钢混结合段。主梁标准节段长度12m，合龙节段长8m。主梁在P2索塔下横梁顶设置QZ 22000 GD支座，P3索塔下横梁顶设置QZ 22000 DX支座；在P0和P1墩顶分别设置QZ 10000 DX、QZ 18000 DX支座；在P4墩顶和A5台帽顶分别设置QZ 18000 DX、QZ 10000 DX支座。P2处设置固定支座的目的是为了消除列车水平冲击荷载对索塔位移的疲劳作用。
根据设计要求，为消除边、中跨斜拉索水平分力的合力对梁体造成平动，在钢箱梁安装阶段P3处设置了塔梁临时固结装置；为减小对支座的影响，P2位置也设置了同样的固结装置。
根据施工计划，该桥将要在2016年元月份合龙时，此时温度较低，如果直接合龙，合龙后解除临时固结，成桥后中跨梁体将有一个合龙温度相对于基准温度差导致的梁体收缩量的强迫位移。本桥P2处是固定支座，P3处是单向滑动支座，成桥后P2处梁体支承中心相对于塔中心没有位移，只有P3处梁体支承中心相对于塔中心有位移，因此虽然本桥主跨是340m，但从位移量的变化来说，相当于主塔全部是单向滑动支座的一座主跨680m的桥。而且本桥斜拉索平行布置，1#索索长小，其无应力索长才16.565m，梁体偏移导致的索力增加量将有可能超限，从而危及成桥安全。
2、不同温度条件下合龙后梁体升降温的定性分析
2.1、设计温度下合龙
大桥设计在20℃环境下合龙，如果实际也是20℃环境下合龙，则在20℃时，P3索塔处梁体支承中心和索塔中心重合，如图2所示。升温时，由于P2处是固定支座，全部中跨钢箱梁将连同北岸边跨箱梁一起往桥台处膨胀，P3索塔处梁体支承中心将要往桥台方向偏移，如图3所示；降温时，P3索塔处梁体支承中心将要往江中心偏移，如图4所示。
2.2、低温下合龙
在钢箱梁安装阶段，P3处一直是临时固结的，P3处梁体支承中心也一直和索塔中心重合。在2016年元月份合龙时，此时温度比较低，如果直接合龙，合龙后解除临时固结，则P3处梁体支承中心依然和索塔中心重合，这就跟20℃环境下合龙后降温时P3处梁体支承中心将要往江中心偏移不吻合。如果低温时不采取措施直接合龙，后续升温时P3处梁体支承中心将要往桥台方向偏移，而且偏移量将要超过在设计合龙温度合龙后的偏移量，如图5所示，Δ3>Δ1。
图5 低温环境下合龙后在升温时梁体支承中心和索塔中心相对位置
2.3、低温下合龙对成桥影响
合龙后因为升温缘故，P3处梁体支承中心往桥台方向偏移，从而导致北岸边跨斜拉索伸长，进而导致北岸边跨斜拉索索力增加。在设计温度合龙后，温升导致的斜拉索索力增加量不会超限；在低温环境下直接合龙后，对于2#索往后的长索来说，温升导致的索力增加量也不会超限；但对于1#索来说就不行，因为它自身索长小，其无应力索长才16.565m，温升导致的索力增加量将要超限，从而危及成桥安全。
3、几何合龙的概念
对于一般斜拉桥，几何合龙进行如下定义：假定在设计合龙温度（20℃）时，合龙口宽度为D，则在低温条件下，由于悬臂端梁体收缩，合龙口宽度将变化为（D+Δ），通过施加外力的方式调节合龙口宽度至D，并在此时进行合龙锁定。
对于高家花园大桥，大桥设计在20℃温度环境下合龙，如果实际也是20℃温度环境下合龙，则在20℃时，P3索塔处梁体支承中心和索塔中心重合，如图2所示；成桥后升温时，由于P2处是固定支座，全部中跨钢箱梁将连同北岸边跨箱梁一起往桥台处膨胀，P3索塔处梁体支承中心将要往桥台方向偏移Δ1，如图3所示。假定在低温环境下直接合龙，成桥后升温时，P3索塔处梁体支承中心将要往桥台方向偏移Δ3，如图4所示。在低温环境下合龙时，通过施加外力的方式调小合龙口宽度（Δ3-Δ1），并在此时进行合龙锁定。
4、梁体预偏顶推方案
4.1、梁体预偏顶推装置
预偏顶推装置一般可设置在索塔支承位置，即在对梁体纵向限位的挡块之间设置千斤顶，对千斤顶加压，索塔下横梁不动，从而推动梁体预偏位移。
本桥P3索塔下横梁顶和P4辅助墩顶均未设置挡块，只好将目光投向A5桥台，但A5桥台设置的是对梁体横向限位挡块，利用限位挡块做顶推装置，需要在挡块前后各设置一根大分配钢梁，并且分配钢梁之前需要对拉好，然后在台帽侧分配钢梁和梁体挡块之间布置千斤顶，对千斤顶加压推动梁体预偏位移。这种方式构造相对复杂，且台帽和梁底之间空间较小，不方便操作，故放弃。
最后将目光投向桥台后，由于桥头直接接隧道，台后即为基岩，可以作为顶推的着力点。顶推装置布设在A5桥台后侧，纵断面图及平面布置图如图6和7所示。将砼基座范围内岩土体凿除至设计标高，基座采用C40混凝土浇筑，控制基座受力面和梁端平行；承压面内部设置3层钢筋网片，层间距12cm，采用Φ16钢筋，网眼尺寸12cm；基座端部预埋30×50cm钢板。在基座预埋钢板上焊接三角托撑，其上搁置传力柱，传力柱采用钢板制作。采用500t千斤顶，千斤顶和梁体之间设置钢垫板。
图7 梁体预偏顶推装置平面布置图
4.2、顶推力计算
边跨、中跨斜拉索水平分力之合力F0=413.4×2=826.8kN，其对梁体的作用力是朝桥台方向的，则预偏顶推需要克服的第一个水平力F1=826.8kN。
北岸混凝土箱梁自重G0=26×2798.3=72755.8kN，北岸边跨斜拉索竖向分力N0=13907.4×2=27814.8kN，混凝土箱梁自重和北岸边跨斜拉索竖向分力之和G= G0- N0=44941.0kN，假定G全部作用于P3下横梁、P4墩和A5桥台之上，则预偏顶推需要克服的第二个水平力F2=G×0.03=1348.2kN。
事实上上述G不是全部作用于P3下横梁、P4墩和A5桥台之上，还有一部分是作用在P3～P4和P4～A5跨内碗扣支架上的。如果支架体系水平刚度很大，则预偏顶推需要克服的支架摩阻力将很大；但实际上支架体系相对于桥墩，其水平刚度要小很多，因此在预偏顶推过程中，支架体系将要变形，将要有水平位移，需要克服的阻力也将要小很多。预偏顶推需要克服的第三个水平力F3具体多少，没法算出来，但数量级肯定在103kN级，暂估为5000kN。
因此预偏顶推需要克服的水平力F= F1+ F2+ F3=7175.0kN，在A5桥台处用两个500t千斤顶顶推，其总推力为10000kN，满足要求。
4.3、梁体试顶
因为顶推克服支架摩阻的水平力是估算的，实际两个500t千斤顶能否实现梁体顶推预偏将不能确定。为此对梁体进行试顶，即在12#斜拉索梁段吊装就位后（此时只差一节梁段就到最大悬臂状态），在A5桥台处装上千斤顶，P3处临时固结不解除，对千斤顶加压，看梁体能否位移，看施加多大的压力。提前算好千斤顶100t，150t，200t，250t…压力对应的压力表读数；在支座上垫石（梁底楔块）侧面做好位移观测标记（十字丝），并贴上刻度尺（每刻度2mm），使0刻度对准十字丝中心；在台帽顶架设水准仪，调整水准仪十字丝使其和观测标记十字丝中心重合，此后观测过程中不再触动水准仪。观测原理是，水准仪相对台帽静止，如果千斤顶能顶推梁体，则梁体将带着支座上板滑动（相对于台帽滑动），这样就能观测到梁底楔块侧面标记的实际位移。
梁体试顶，两个千斤顶同步加压到100t，即产生位移，位移量5mm，卸载后退回2mm；同步加压到150t，位移量9mm，累计12mm，卸载后退回5mm；同步加压到200t，位移量11mm，累计18mm，卸载后退回7mm。通过试顶可以确定两个500t千斤顶满足施工要求。
5、合龙施工
5.1、悬臂段钢梁安装及合龙观测
悬臂段最后一个节段钢梁安装同其它标准节段，也是起吊钢梁并定位，然后节段连接，最后穿斜拉索并张拉，之后就进入合龙阶段了。为保证合龙顺利进行，既要控制好悬臂端各自的标高和轴线偏位符合要求，还要控制好两悬臂端相对高差和相对轴线偏位。
为了使合龙段吊装前后悬臂端标高及合龙口上下宽度不变，在两悬臂端设置配重，每端配重重量为合龙段重量一半，配重上下游对称布置，配重重心距悬臂端部一致。具体配重采用水桶注水的方式，即在悬臂端摆放塑料水桶，每个水桶直径1.0m，高1.5m，每侧摆放50个水桶，然后往水桶内注水，控制好总的注水量。注水结束观测悬臂端标高变化情况，并与合龙段提升后悬臂端理论计算下沉量进行比较。
在13#斜拉索张拉完毕，两悬臂端标高和轴线偏位复核无误且悬臂端配重设置后，开始进入合龙观测阶段。观测内容为气温、合龙口宽度、悬臂端标高，观测时间2天。
气温观测方法：每个悬臂端放一支温度计，每整点观测并记录一次温度，昼夜不间断。观测人员由测量人员和现场技术员组成，每班三人，共两班，依次轮流值班。
合龙口宽度和悬臂端标高观测方法：在距悬臂端部约10cm位置顶板和底板布置好观测点位，顶板观测点位横向在两腹板顶和中线位置，共三个；底板观测点位横向在平斜底板交界往中心10cm位置和中线位置，共三点；每整点在观测温度的同时，进行各点位坐标和高程测量，并将数据记录好；连续2天观测后，将数据进行整理，确定在观测的2天内气温较高且气温恒定的时间区段内（中午11时～下午2时）和气温较低且气温恒定的时间区段内（夜间22时～次日6时）的合龙口的长度。
合龙观测结束后，通过气温、合龙口宽度和悬臂端标高观测，发现合龙气温较高且气温恒定的时间区段不能作为合龙时间区段。此前合龙方案评审时，与会专家一致认为，既然是冬季合龙，为尽量消除合龙温差影响，在气温较高且气温恒定的时间区段进行合龙锁定，也就是在下午2点～4点合龙。实际在该时间区段，由于气温相对较高，悬臂端标高偏低，不利于合龙标高控制，同时由于此时箱梁顶底板温差较大，合龙口上下相对宽度也失真。故确定在凌晨进行合龙锁定。通过两天观测，凌晨时间区段温度5℃，合龙口宽度恒定，悬臂端标高也跟控制标高相吻合。
5.2、合龙段钢梁最终长度确定及切割
由合龙观测确定合龙口宽度，但合龙口宽度不等于合龙段钢梁长度，需要把合龙口宽度减去两条合龙焊缝宽度及梁体预偏量才能得出合龙段钢梁长度，如图8所示。
根据施工监控指令，悬臂端总预偏量5.7cm，由于梁体试顶时已预偏1.1cm，还将需要预偏4.6cm；合龙焊缝宽度按1.2cm考虑；故合龙段钢梁长度按合龙口宽度数据减7cm进行切割。
5.3、合龙段钢梁起吊及合龙锁定
合龙段钢梁起吊后，对配重进行卸载，即将配重水桶内装的水全部放出，使悬臂端标高及合龙口上下宽度保持不变。至中午，合龙段钢梁就位完毕，先将其北岸侧端和北岸侧悬臂端打码板锁定。当天午后随着气温上升，南侧底板合龙缝几乎没变化，但顶板合龙缝缩小了4.5cm左右，悬臂端标高也有下降，这些都跟合龙观测的结论相吻合。
合龙口调整，也即对北岸边跨砼箱梁及北岸悬臂端钢梁整体进行顶推预偏。在合龙段钢梁提升到位且和北岸悬臂端部连接之后再进行合龙口调整。实际预偏顶推前先将P3处临时固结解除，然后启动预偏顶推装置千斤顶，左右两个千斤顶对称同步加压。实际顶推时控制梁体位移，但顶推时有可能会顶过头，为此必须进行限位，先把合龙段钢梁提升到位和北岸悬臂端连接正是为了限位需要。在梁体顶推产生位移后，使南岸悬臂端的匹配件和合龙段的匹配件靠近，直至被中间的限位厚钢板抵住，如图10所示。这时预偏顶推到位，千斤顶停止加压，但一直保持压力。
实际在合龙口调整时，北端可能会有往上或往下的位移，从而导致匹配困难。为解决该问题，合龙口调整之前在南悬臂端顶板、底板和腹板上焊接限位码板，以卡住合龙段端部，如图11所示。加强悬臂端竖向挠度观测，以确定限位码板底纵向坡度。这样在合龙口调整时，通过限位码板和合龙段就可以防止北岸悬臂端部带着合龙段上下位移。合龙口调整结束将所有匹配件螺栓全部打紧，再将第二条合龙缝的码板全部打好，合龙锁定完成。
5.4、合龙缝焊接
合龙缝焊接同钢箱梁悬臂拼装时环焊缝焊接。需要说明的是，钢箱梁悬臂拼装时环焊缝焊接都是在无应力状态下进行的。对于合龙焊缝，由于已经合龙锁定，在焊缝焊接过程中，由于气温的变化，梁体整体会压缩或伸长，从而对合龙焊缝产生应力，这将主要依靠合龙缝定位码板消除对合龙缝焊接过程中的应力效应。
6、结论
高家花园大桥在总结其他斜拉桥合龙经验的基础上，结合实际工况，在低于设计合龙温度环境下采用几何合龙，消除了实际合龙温度与设计合龙温度不一致带来的温度效应，提高了合龙的可靠性、降低了结构的安全风险。采用几何合龙施工工艺较常规温度合龙工艺具有适应性广，该技术的成功实施也为以后此类施工提供参考。
论文作者:袁迪
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/26
标签：龙口论文; 悬臂论文; 桥台论文; 温度论文; 钢梁论文; 宽度论文; 位移论文; 《基层建设》2017年第10期论文;