羅長維 翁方文，2 周成穗

1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430040

1 工程概況

斜拉橋作為跨越江、河、湖、海和高山峽谷的一種特殊橋梁結(jié)構(gòu)，主梁在懸臂拼裝施工過程中受結(jié)構(gòu)自重、環(huán)境荷載、斜拉索索力、橋面臨時施工荷載等影響，會在橋塔兩側(cè)產(chǎn)生縱向、橫向和豎向的不平衡力。通過在橋塔和主梁之間設(shè)置三向臨時約束裝置進(jìn)行主梁施工期的臨時固定，可保證主梁在整個懸臂拼裝施工期內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全。通過適時解除相關(guān)臨時約束裝置，在中跨合龍施工時完成主梁受力支撐結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換［1-2］，再借助縱向臨時約束裝置提供主動頂推力，可以降低環(huán)境溫度對合龍施工的影響，進(jìn)而提高主梁中跨合龍施工的精度和效率［3-4］。

泉州灣跨海大橋位于東海泉州灣海域，是我國首座時速350 km 的跨海高速鐵路橋，采用雙線設(shè)計。斜拉橋主橋位于海上74#—79#墩，為雙塔雙索面半飄浮體系結(jié)構(gòu)，橋跨布置為（70+130+400+130+70）m，見圖1。橋塔為混凝土結(jié)構(gòu)，塔高160.254 m，共設(shè)置上下2 道橫梁；主梁為鋼-混結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，共77 榀，標(biāo)準(zhǔn)梁高4.25 m，梁長10.5 m，梁寬（含風(fēng)嘴）21 m；斜拉索為空間雙索面體系，采用1 770 MPa 的環(huán)氧涂層平行鋼絲，共144根，呈扇形布置。

圖1 主橋立面布置（單位：cm）

福州側(cè)及廈門側(cè)鋼-混結(jié)合梁采用吊重為2 900 kN的橋面吊機進(jìn)行對稱懸臂拼裝，施工前先利用大型起重船將76#、77#橋塔0號塊存梁梁段（0號塊梁段共5榀梁）吊裝至存梁支架上，并及時完成0號塊梁段的定位拼裝施工，見圖2。隨即將橋塔與0號塊梁段采用三向臨時約束裝置進(jìn)行臨時錨固，再利用大型起重船將橋面吊機吊裝至0 號塊梁面，并與0 號塊梁段固定，進(jìn)行結(jié)合梁的懸臂拼裝施工。

圖2 存梁及主梁雙懸臂吊裝（單位：cm）

2 三向臨時約束裝置設(shè)計

泉州灣跨海大橋斜拉橋主橋76#、77#橋塔豎向臨時約束裝置采用鋼支墩、混凝土支墩和精軋螺紋鋼將結(jié)合梁底板與橋塔下橫梁進(jìn)行固結(jié)，主要克服豎向不平衡力，以及主梁與支座之間產(chǎn)生的摩擦力。同時，豎向精軋螺紋鋼和鋼支墩錨固螺栓的橫向抗剪力也可產(chǎn)生一定的縱向約束力。橫向臨時約束裝置主要采用橫向臨時支撐鋼管實現(xiàn)主梁橫向的限位固結(jié)，鋼管兩端分別與塔身預(yù)埋鋼板和結(jié)合梁邊腹板進(jìn)行滿焊連接?？v向約束裝置采用無縫鋼管將結(jié)合梁梁底的永久阻尼器耳座與下橫梁進(jìn)行縱向連接，主要克服溫度荷載、不對稱懸臂吊裝產(chǎn)生的縱向不平衡力，同時作為主梁在中跨合龍時的縱向頂推輔助裝置［4-6］。

2.1 豎向臨時約束裝置

對于半漂浮體系斜拉橋，國內(nèi)常見的豎向臨時約束裝置有混凝土墊石+鋼支墩+預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土墊石+鋼支墩+預(yù)應(yīng)力平行鋼絲索兩種形式［4，7］。通過對中跨合龍施工工藝和合龍精度標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場施工安全性與結(jié)構(gòu)安拆工作量、現(xiàn)場操作難易程度、結(jié)合梁梁底與橫梁施工凈空限制、施工成本等因素進(jìn)行綜合分析，提出了預(yù)埋精軋螺紋鋼+混凝土支墩+鋼支墩組合體系，并與其他兩種裝置進(jìn)行對比，見表1?？芍疚奶岢龅慕M合體系各方面更優(yōu)。確定該橋豎向臨時約束裝置采用預(yù)埋精軋螺紋鋼+混凝土支墩+鋼支墩。

表1 不同豎向臨時約束裝置特點及技術(shù)經(jīng)濟性對比

下橫梁施工期間，通過在橫梁兩側(cè)腹板位置澆筑8個混凝土支墩，每個混凝土支墩內(nèi)分別預(yù)埋8根規(guī)格為PSB830、長度1.95 m 的?32 mm 豎向精軋螺紋鋼，在0號塊梁段整體匹配精定位且栓焊完成后安裝豎向鋼支墩，每個鋼支墩的頂板與結(jié)合梁底板分別采用20 顆性能等級為10.9 s 的M24 高強度螺栓進(jìn)行連接并使用扭矩扳手緊固到位；再將鋼支墩與混凝土支墩的精軋螺紋鋼通過連接套筒連接為整體；最后在鋼支墩與混凝土支墩間隙處灌注M50 支座砂漿，從而形成剛性可靠的豎向臨時約束，見圖3。

圖3 豎向臨時約束裝置

2.2 橫向臨時約束裝置

在橫向不平衡力作用下梁體軸線會發(fā)生橫向偏位，對中跨合龍施工精度和最終成橋質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。為保證整個懸臂施工期主梁結(jié)構(gòu)的軸線不出現(xiàn)偏差，確保合龍精度，需在塔梁間設(shè)置一定的橫向臨時約束裝置進(jìn)行限位。常見橫向臨時約束裝置形式有抗風(fēng)支座+型鋼支撐、抗風(fēng)支座+混凝土支撐梁和鋼管支撐［4］。不同橫向臨時約束裝置特點及技術(shù)經(jīng)濟性對比見表2?？芍摴苤谓Y(jié)構(gòu)較型鋼支撐結(jié)構(gòu)簡單，安拆方便，結(jié)構(gòu)受力性能好，后期還可灌注砂漿和細(xì)石混凝土進(jìn)行加固補強，施工安全風(fēng)險低，且在主梁懸臂安裝與合龍施工時不會對橫向抗風(fēng)支座產(chǎn)生附加力。確定該橋橫向臨時約束裝置采用鋼管支撐結(jié)構(gòu)。

表2 不同橫向臨時約束裝置特點及技術(shù)經(jīng)濟性對比

通過在結(jié)合梁邊腹板與橫隔板的T形節(jié)點位置安裝4根?800 mm × 12 mm的支撐鋼管，將鋼管兩端分別與結(jié)合梁、橋塔塔身的預(yù)埋鋼板進(jìn)行滿焊連接，形成穩(wěn)固可靠的橫向臨時約束裝置，見圖4。

圖4 橫向臨時約束裝置（單位：mm）

2.3 縱向臨時約束裝置

縱向臨時約束常見的兩種結(jié)構(gòu)形式有柔性平行鋼絲索和鋼絞線軟牽引［4，7-8］，在后期中跨合龍工藝選擇時一般只能通過溫度配切進(jìn)行合龍。通過對施工技術(shù)難度、施工工效、安全風(fēng)險、施工成本等因素進(jìn)行綜合分析，提出剛性支撐鋼管結(jié)構(gòu)，并與其他兩種裝置進(jìn)行對比，見表3?？芍?，本文提出的剛性支撐鋼管各方面更優(yōu)。確定縱向臨時約束裝置采用該結(jié)構(gòu)形式。

表3 不同縱向臨時約束裝置特點及技術(shù)經(jīng)濟性對比

該橋76#、77#橋塔因在實現(xiàn)中跨頂推輔助合龍時的功能不同，縱向臨時約束裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計也不同。76#橋塔在結(jié)合梁懸臂施工和中跨輔助頂推合龍期間始終保持為固結(jié)狀態(tài)，縱向臨時約束采用?426 mm ×16 mm無縫鋼管將結(jié)合梁梁底永久阻尼器耳座與下橫梁處的永久阻尼器支座進(jìn)行剛性連接，永久阻尼器支座通過錨栓錨固于橫梁上，無縫鋼管梁端和塔端均采用銷軸進(jìn)行連接固定，如圖5（a）所示。77#橋塔在結(jié)合梁懸臂施工期間保持為固結(jié)狀態(tài)，在中跨輔助頂推合龍期間需確保能實現(xiàn)雙向頂推活動。縱向臨時約束采用?426 mm × 16 mm 無縫鋼管將結(jié)合梁梁底永久阻尼器耳座與反力牛腿進(jìn)行連接，反力牛腿通過錨栓固定于橫梁上的永久阻尼器支座墊石上。無縫鋼管梁端采用銷軸連接固定，塔端通過千斤頂撐腳支撐于反力牛腿上，如圖5（b）所示。為防止在中跨頂推輔助合龍時因強大的不平衡力導(dǎo)致支撐鋼管發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形，可在鋼管內(nèi)灌注細(xì)石混凝土形成鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，保證支撐鋼管的強度、剛度和穩(wěn)定性。

圖5 縱向臨時約束裝置（單位：mm）

3 結(jié)構(gòu)計算分析

斜拉橋主梁在懸臂拼裝施工過程中，主梁受結(jié)構(gòu)自重、靜風(fēng)荷載（橫向風(fēng)荷載、豎向風(fēng)荷載）、溫度荷載、施工臨時荷載等影響［6，9-10］，塔梁臨時約束裝置的受力情況會隨之產(chǎn)生較大變化。尤其該橋位于東海泉州灣海域，受海上季風(fēng)、臺風(fēng)風(fēng)荷載影響較大，文獻(xiàn)［11-12］對泉州灣跨海大橋主橋進(jìn)行了橋梁抗風(fēng)研究和模型風(fēng)洞試驗。在最不利工況下，該橋塔梁臨時約束裝置在設(shè)計計算分析時充分考慮了風(fēng)荷載的影響。

3.1 靜風(fēng)荷載

根據(jù)泉州灣跨海高速鐵路斜拉橋設(shè)計文件，橋址處地表類別為A 類，地表粗糙系數(shù)α=0.12；主梁處設(shè)計高程Z1=58.925 m。橋位處的基本風(fēng)速V10（標(biāo)準(zhǔn)高度10 m、平均時距10 min、重現(xiàn)期100 年）為34.0 m/s，則設(shè)計風(fēng)速Vs10=34.0 × 1.174=39.9 m/s。

1）主梁橫向靜陣風(fēng)荷載（最大單懸臂狀態(tài)，即邊跨合龍或中跨合龍狀態(tài)）

泉州灣跨海高速鐵路橋主梁橋面高度處設(shè)計基 準(zhǔn)風(fēng)速Vd=VS10（Z1/Z10）α=39.9 ×（58.925/10）0.12=49.4 m/s，Z10為基準(zhǔn)高度。施工階段設(shè)計重現(xiàn)期為20年，則施工階段設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速Vsd=49.4 × 0.88=43.472 m/s。在橫風(fēng)作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載FH為

式中：ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速；CH為主梁阻力系數(shù)；H為主梁投影高度，在計算豎向風(fēng)荷載下，取主梁豎向投影寬度；GV為靜陣風(fēng)系數(shù)，最大單懸臂狀態(tài)取1.22；VZ為基準(zhǔn)高度Z處風(fēng)速。

2）橋墩、橋塔和斜拉索橫向靜陣風(fēng)荷載F'H為

式中：An為橋梁各構(gòu)件順風(fēng)向投影面積，采用直徑（0.15 m）乘以投影高度可求得該值。

其中，Vg按地面及水面以上65%墩高或塔高處的風(fēng)速確定。

3.2 溫度荷載

因東海泉州灣海域?qū)倌蟻啛釒夂?，夏少酷暑，冬無嚴(yán)寒，海洋性氣候特點較為突出。每年7—9月為氣溫最高月，平均氣溫為27.4 ℃，晝夜溫差小于10 ℃。橋梁體系溫度按照結(jié)構(gòu)整體升降溫±15 ℃計算。

3.3 錨固力

建立大橋有限元空間模型進(jìn)行施工階段的模擬分析。在考慮橫向靜風(fēng)荷載、豎向靜風(fēng)荷載及溫度荷載條件下，最不利施工階段以及施工關(guān)鍵控制階段的三向臨時約束裝置受力計算結(jié)果如下。

1）豎向受拉錨固力。豎向臨時約束裝置受力為拉力，最大值為1 570.6 kN，出現(xiàn)在不對稱吊裝18#梁段+橫向風(fēng)+升溫15 ℃工況下。采用8 根?32 mm 精軋螺紋鋼，單根抗拉力667 kN，抗拉承載力為5 336 kN，安全系數(shù)為3.4。

2）縱向受拉錨固力?？v向臨時約束裝置受力為拉力，最大值為3 769 kN，出現(xiàn)在不對稱吊裝11#梁段+豎向風(fēng)荷載+升溫15 ℃工況下。采用2 根?426 mm ×16 mm 無縫鋼管，單根抗拉力為4 600 kN，抗拉承載力為9 200 kN，安全系數(shù)為2.44。

3）橫向受壓錨固力。橫向臨時約束裝置受力為壓力，最大值為4 775 kN，出現(xiàn)在不對稱吊裝18#梁段+橫向風(fēng)荷載+降溫15 ℃工況下。采用2 根?800 mm ×12 mm 鋼管，單根抗壓力為6 480 kN，抗壓承載力為12 960 kN，安全系數(shù)為2.71。

通過計算分析可知，該橋塔梁豎向、縱向和橫向臨時約束裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計在各項荷載作用下能滿足施工全過程的承載力需求。

4 中跨合龍期臨時約束裝置施工控制

0 號塊梁段在匹配精定位并栓焊完成后立即安裝塔梁臨時約束，以保證0 號塊梁段的平面位置和高程不因長時間受環(huán)境因素影響而發(fā)生變化。在中跨合龍時76#橋塔的塔梁臨時約束裝置不解除，解除77#橋塔的塔梁豎向臨時約束裝置并完成結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)77#橋塔縱向臨時約束裝置的主動頂推輔助功能。

4.1 中跨合龍施工工藝

斜拉橋在設(shè)計基準(zhǔn)溫度下實現(xiàn)全橋合龍，對結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)線形最有利。該橋合龍設(shè)計基準(zhǔn)溫度為20.7 ℃，合龍施工時溫度為36.0 ℃，與設(shè)計基準(zhǔn)溫度存在一定差異。為了保證順利實現(xiàn)合龍，提出該橋中跨合龍施工工藝具體實施如下：由北側(cè)76#橋塔橋面吊機單側(cè)起吊合龍段［13］，南側(cè)77#橋塔單側(cè)頂推南半橋向中跨移動至合龍梁段進(jìn)行合龍，通過調(diào)整縱向頂推裝置頂推移位減小縱向誤差；采用千斤頂+精軋螺紋鋼大角度斜拉合龍口兩側(cè)的結(jié)合梁主梁來減小橫向誤差；通過調(diào)整斜拉索索力和增加橋面配重來控制豎向標(biāo)高和轉(zhuǎn)角。

4.2 結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換

在中跨合龍施工前一天，先拆除77#橋塔豎向和橫向的臨時約束裝置，再將千斤頂放置于縱向臨時約束裝置的撐腳內(nèi)形成縱向頂推裝置［14］。通過77#橋塔縱向頂推裝置對整個南半橋主動施加一定頂推力后，解除77#橋塔塔梁縱向臨時約束裝置，完成臨時約束裝置結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，主梁向邊跨頂推不同距離下的頂推力計算結(jié)果見表4。泉州灣跨海大橋結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換時，主梁產(chǎn)生的不平衡力均指向中跨，施加頂推力方向均指向邊跨。在解除臨時約束時，77#橋塔主梁產(chǎn)生的縱向不平衡力為570 kN，摩擦因數(shù)取0.07，計算產(chǎn)生的摩擦力為840 kN，需要施加總頂推力為1 410 kN。為實現(xiàn)南半橋的縱向整體位移，在77#橋塔邊跨側(cè)縱向臨時約束裝置的撐腳內(nèi)各安裝1 個500 t 千斤頂?？v向頂推采用2根?426 mm × 16 mm無縫鋼管，并在鋼管內(nèi)灌注細(xì)石混凝土，單根承載力為7 500 kN，承載力安全系數(shù)為1.5，滿足頂推受力施工要求。

表4 頂推力計算結(jié)果

4.3 邊跨側(cè)反向頂推

該橋合龍段起吊選擇在天氣晴好、海面無風(fēng)浪的下午時段，設(shè)計基準(zhǔn)溫度下安裝所需的安全操作空間不小于50 mm，實際合龍時結(jié)合梁的頂?shù)装迤骄鶞囟燃s36 ℃，合龍口間距減小約72 mm。為確保76#橋塔側(cè)橋面吊機單側(cè)起吊合龍段能安全平穩(wěn)進(jìn)入合龍口，77#橋塔邊跨側(cè)的縱向頂推裝置往邊跨側(cè)的頂推量按20 cm 考慮。泉州灣跨海大橋中跨合龍時實際僅向77#橋塔邊跨側(cè)頂推15 cm，便順利將合龍梁段吊裝進(jìn)入合龍口。參考表4可知，當(dāng)向邊跨側(cè)反向頂推15 cm時，縱向水平不平衡力為3 540 kN，摩擦力為840 kN，需施加總頂推力4 380 kN。2 個500 t 千斤頂可提供10 000 kN 頂升力，單根頂推鋼管承載力為7 500 kN，2 根頂推鋼管可承受15 000 kN，滿足安全頂推的施工需求。

反向頂推時，2個頂推裝置需按照“緩慢、分級、均衡、同步、對稱”的原則［15-16］，每次千斤頂頂推量按20 mm 控制，每頂推20 mm 采用鋼墊板對撐腳位置進(jìn)行一次支墊。支墊應(yīng)確保撐腳與反力牛腿密貼，每級頂推移位后，立即測量主梁軸線變位，并對77#—79#墩墩頂支座進(jìn)行檢查，確認(rèn)結(jié)構(gòu)安全無異常后，再次頂推，直至頂推量達(dá)到合龍段吊裝要求。

4.4 中跨側(cè)頂推合龍

合龍梁段起吊并順利完成與76#橋塔側(cè)梁段的匹配精定位并栓焊后，隨即將77#橋塔邊跨側(cè)2個頂推裝置“緩慢、同步、對稱、均勻”回油卸壓，拆除支墊鋼板至反向頂推前狀態(tài)。再啟動77#橋塔中跨側(cè)2 個縱向頂推裝置，對77#橋塔南半橋梁段整體向中跨側(cè)頂推移位，頂推施工工藝及流程與邊跨側(cè)反向頂推時相同；在完成與合龍梁段匹配精定位并對合龍梁段拼接環(huán)縫栓焊施工后，及時解除76#、77#橋塔塔梁的所有臨時約束裝置。

不同施工階段變形及力最大偏差見表5?？芍轂晨绾８咚勹F路斜拉橋利用縱向臨時約束裝置提供主動頂推力進(jìn)行輔助合龍，合龍成橋后高程偏差為+1.5 mm，軸線偏差為2 mm，滿足設(shè)計與監(jiān)控單位的合龍精度要求，符合驗收標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)整體線形與設(shè)計線形吻合。

表5 不同施工階段變形及力最大偏差

5 結(jié)語

泉州灣跨海高速鐵路斜拉橋主橋采用了三向臨時約束裝置，極大提高了中跨合龍的施工效率，并有效降低了溫度荷載變化對中跨合龍精度的影響。最終合龍成橋后高程偏差為+1.5 mm，軸線偏差為2 mm，合龍施工精度滿足設(shè)計及規(guī)范要求。該橋于2021年8月6日順利實現(xiàn)中跨合龍，整個結(jié)合梁拼裝過程安全、可靠、高效。