复合结构斜拉桥 低塔柔性斜拉桥组合梁快速安装技术研究

袁助安徽省交通控股集团有限公司

摘 要：为了研究在山区复杂地形环境条件下柔性组合梁斜拉桥的快速安装技术，以芜黄高速公路徽水河大桥为依托，通过理论分析与数值模拟的方法对徽水河大桥主梁快速安装施工技术进行了研究。研究表明：在峡谷区域复杂施工条件下，可利用柔性斜拉桥的组合梁桥结构自重小的特点，采用塔吊进行非对称悬臂拼装的方法进行主梁快速安装施工；采用分段式轨道架板装置可解决轨道与桥面板预留钢筋位置冲突的问题，完成全宽预制桥面板的快速安装。将合龙段与标准段焊连后整体吊装，通过与相邻节段的高差进行定位，是一种可适应柔性组合梁斜拉桥的钢主梁快速合龙施工方法。

关键词：斜拉桥;组合梁;快速拼装;整体合龙;施工技术;

1 概述

钢混组合结构是一种能够有效发挥钢材受拉和混凝土受压性能的主梁结构，被广泛地应用在梁桥、拱桥和斜拉桥中。根据钢梁的断面形式，斜拉桥的组合梁断面主要包括整体钢箱组合梁、PK钢箱组合梁和钢板组合梁[1]。钢板组合梁的钢梁由设置在主梁两侧的工字型钢纵梁和钢横梁组成，钢板组合梁的抗弯刚度主要由钢纵梁的梁高决定，轴向刚度主要由混凝土桥面板的面积提供，组合梁斜拉桥钢主梁高度一般控制在1.8 m～2.5 m, 当钢主梁高度较低时组合梁属于典型的柔性主梁结构[2]。柔性组合梁在施工过程中变形较大，需要加强施工过程控制才能取得良好的成桥线形，目前对于柔性组合梁斜拉桥的相关应用与研究均较少。

钢混组合梁斜拉桥的主梁安装分为先组合后整体安装，先安装钢梁后施工桥面板形成组合断面2种形式。前一种施工方法主要适用于整体钢箱组合梁或PK钢箱组合梁形式[3],后一种施工方法可适用于钢箱组合梁也可适用于钢板组合梁结构[4]。钢板组合梁的钢梁安装多采用悬臂安装法进行安装，在地形具备条件时也有采用支架法进行安装，如在建的引江济淮工程靖淮大桥。对于山区组合梁斜拉桥主梁安装一般采用悬臂法进行施工，多采用尾部喂梁的方式进行节段运输，利用桥面吊机进行钢梁节段的调整与安装，拼装方法包括整体纵梁和横梁整体拼装法[5,6],钢梁和横梁散件拼装法[7],也有采用缆索吊装法进行整体悬臂安装[8]。钢混组合梁桥一般在边跨和中跨的无索区范围内设置合龙节段，合龙节段的长度一般控制在8 m以下，在施工时先将有索区梁段施工完成后再依次进行边、中跨合龙段钢梁安装与桥面板施工。将合龙段与有索区梁段进行整体吊装施工以达到快速施工的相关研究很少。

为了研究在山区复杂地形环境条件下柔性组合梁斜拉桥的快速安装技术，以芜黄高速公路徽水河大桥为依托，针对塔吊安装施工特点，对中等跨径斜拉桥组合梁快速安装技术进行了研究。

2 依托工程概况2.1总体概况

徽水河大桥位于S11芜湖至黄山高速公路ZK85 557、YK85 563处，在安徽省旌德县三溪镇东南山电灌站东侧，主要跨越徽水河及G205国道，桥位地形较陡，小桩号侧为山坡大开挖路堑，大桩号侧紧邻太山1号隧道，建设条件较为复杂。大桥桥位所处路段采用分离式路基，左幅路线平面位于R=3 200 m的平曲线上，右幅平面位于R=3 000 m的平曲线上，两幅路基净距约为20 m, 单幅路基宽度为12.75 m, 桥面宽度为12.25 m。左、右幅大桥采用相同的结构形式，左幅跨径布置4 m桥台 (48 80 40)m低塔斜拉桥 3 m桥台，右幅跨径布置为4 m桥台 (48 80 40) m低塔斜拉桥 30 m钢板组合梁 3 m桥台，见图1。主桥为低塔柔性体系钢板组合梁斜拉桥结构，采用塔梁固结体系。

图1 大桥右幅总体布置示意 下载原图

单位：m

2.2桥梁结构特点

主桥的索塔采用H型弧形外倾桥塔，塔柱截面为矩形断面，单肢桥塔纵桥尺寸为3.0 m, 横桥向尺寸为1.5 m。下塔柱横向间距为9 m, 上塔柱外倾坡度为1∶6,中间通过半径150 m圆曲线过渡。塔柱设置2道横梁，单个塔柱下方与1根3.5 m×2 m的矩形挖孔桩相接，在桩顶设置1道矩形系梁。

单幅主桥的标准断面为：0.5 m(护栏) 3 m(应急车道) 8.25 m(行车道) 0.5 m(护栏),见图2。主梁采用双工字钢板组合梁，钢主梁由钢纵梁、拉索区横梁、无索横梁和端横梁组成，均采用Q345qD工字型直腹板断面。钢纵梁间距11.75 m, 标准高度为1.5 m, 在塔梁结合处高度为2.0 m。横梁间距为3.9 m, 拉索区横梁与无索区横梁高度均为1 m, 端横梁高度与纵梁相同。桥面板为预制混凝土桥面板，桥面板厚度为0.25 m, 采用全宽预制安装。

图2 主桥标准断面 下载原图

单位：cm

主桥拉索采用空间双索面扇形布置，1号桥塔设置5对拉索，2号桥塔设置4对拉索，梁上拉索索距为7.8 m, 塔上理论锚固点间距为1.0 m。索体采用钢绞线拉索，拉索在塔上采用加持型鞍座进行锚固，拉索梁端锚固采用钢锚箱锚固，钢锚箱外挂在钢梁腹板外侧。索体采用抗拉强度为1 860 MPa的环氧涂层无黏结钢绞线拉索，索体的型号分为15.2-19、15.2-22、15.2-27共3种型号。

3 柔性组合梁不对称悬臂施工关键技术3.1柔性组合梁快速安装施工方法

(1)徽水河大桥的主梁为柔性组合梁，钢主梁的梁高只有1.5 m, 且主梁的上翼缘采用窄翼缘形式，因此在施工过程中主梁的刚度相对较小，尤其是在形成组合截面前，主梁的刚度更小。如果采用传统的桥面板吊机进行组合梁悬臂安装施工，则施工过程结构变形会较大，且单个桥塔最多只有5个悬臂安装块段，采用大型桥面吊机安装主梁施工成本高，施工效率一般。综合施工成本和施工便利性考虑，大桥采用了大吨位塔吊进行主梁安装施工。

(2)大桥0号块钢梁总重量为33.6 t, 悬臂拼装块段最大重量为11.5 t。现场塔吊安装在桥塔位置，根据塔吊的吊装能力，大桥0号块钢梁采用塔吊进行散件拼装，钢纵梁、钢横梁分别起吊，在塔梁结合段操作平台上调整定位后连接为整体。塔吊具有12 t吊装能力的工作半径可覆盖1～3号块节段的范围，故1～3号钢主梁节段采用整节段塔桥安装。其他钢梁节段采用散件拼装，2根工字型钢主梁利用塔吊单独安装后再起吊安装钢横梁并与主梁进行连接。见图3。

图3 悬臂拼装施工现场 下载原图

(3)为了提高塔吊的使用效率，钢梁拼装过程中利用塔吊完成钢梁节段的定位调整后，利用劲性马板结构进行横梁焊连，劲性马板焊连后塔吊松钩后再进行纵向环缝的焊连。劲性马板的尺寸为20 mm×200 mm×400 mm, 在顶板、底板分别焊连2道马板，腹板均匀布置3道马板。有限元分析结果表明，采用劲性马板连接状态下，在钢梁自重及横风作用情况下，接缝位置的应力分布见图4。接缝位置总体应力水平均较低，基本在40 MPa以内，接头位置马板在焊缝中央局部集中处出现最大应力为135 MPa, 集中效应会较快地进行扩散，扩散后的应力均在90 MPa, 满足临时连接状态下的强度验算要求，可保障结构临时状态安全可控。

3.2超宽桥面板快速安装技术

组合梁桥面板采用全宽预制安装，桥面板的后浇湿接缝包括横缝和纵缝两种类型，横桥向湿接缝均设置在横梁对应位置，纵向湿接缝设置在钢纵梁顶位置。组合梁悬臂安装过程中钢梁安装、桥面板安装、湿接缝浇筑及拉索张拉的标准施工流程见图5,每个节段施工周期约10 d。桥面板的安装采用小型专用架板设备在梁顶铺设轨道运输与安装，依次从塔梁结合段处将预制桥面板运输至对应安装位置进行安装。

图4 接头马板连接应力分布 下载原图

单位：MPa

图5 标准节段组合梁安装施工流程 下载原图

徽水河大桥的全宽预制桥面板安装利用一种翻轨型架板机进行安装。架板机的主要构造形式见图6,架板机的承重框架由纵向悬挂桁架、横向承载桁架、支腿、稳定连杆组成。在纵向悬挂桁架下方设置提升铰链，由提升铰链完成桥面板的起吊与下放。四角设置4个支腿配合行走轮箱组成架板装置的行走装置，行走轮箱行走在分段式轨道上，分段式轨道利用支撑垫块支撑在钢主梁上翼缘。在两侧顶部的架板框架上安装轨道牵引钢丝绳，可以提升对应位置的分段轨道。在桥面板安装时，架设装置携带桥面板行走至安装位置时，利用轨道牵引钢丝绳将该位置的轨道吊起，并沿着横向向外移动，避让开待安装桥面板及其预留钢筋的安装位置空间，下放提升铰链缓慢放下桥面板就位。在桥面板横向预留钢筋的间隙交替安放轨道垫块，避免轨道垫块与横向钢筋出现位置冲突，确保桥面板顺利下放。桥面板安装完成后，放松轨道牵引钢丝绳，使得被起吊轨道复位，与其他轨道拼接为一体。架板设备沿轨道回到桥塔根部，利用塔吊将架板机吊放在下一块待安装桥面板顶部，进行下一块桥面板安装。

图6 全宽预制桥面板架设装置示意 下载原图

4 基于相对定位大节段结合施工技术4.1快速合龙安装工序优化分析

大桥原设计在边、中跨分别均设置一节合龙段，合龙段长度为2 m, 边跨合龙段内设1道横梁，中跨合龙段内无横梁。原定的施工方案为：1号墩5号拉索和2号墩4号拉索一张完成后，进行1号墩4号块和2号墩3号块桥面板安装及 1号墩4号拉索和2号墩3号拉索二张，再进行边跨合龙段安装，后进行中跨合龙段安装。大桥实际施工时先完成了1号墩悬臂节段施工，在2号墩节段悬臂安装时1号段5号块安装已经完成，为了缩短现场施工周期，拟考虑将合龙段与2号墩4号节段进行整体吊装合龙。2号墩4号为标准节段，节段长7.8 m, 边、中跨合龙段长度均为2 m, 在地面上将合龙段分别与边中跨4号节段进行焊接，整体起吊安装。受到塔吊起吊能力的影响，2号墩的4号节段需要进行散拼安装，即先安装左、右侧纵梁，后安装横梁。

为了消除工序优化对结构变形和内力的影响，使得结构在成桥时达到与原方案相同的内力状态和线形，需要对整体吊装法的安装定位方法进行优化。为了提高定位效率，节段定位可采用相对高差进行定位，施工工序可按照先吊装边跨左、右侧钢纵梁，前端通过台阶式马板支撑在边跨安装端上，后端进行马板焊连，马板焊接完成后吊机松钩。采用同样的方法进行中跨4号跨及跨中合龙段纵梁安装。4号梁段与3号节段之间的环缝焊接完成后对其前端的支撑马板进行割除，使得2号塔主梁处于双悬臂状态，再依次进行4号拉索一张、3号桥面板安装及3号拉索二张，使得结构基本恢复至与原方案相同状态。

在4号节段和合龙段一起吊装时，后端可与3号节段的前端进行对其定位，前端梁段安装时按照与已安装段段端部相对高差Δ进行定位，Δ可按照式(1)计算得到，式中δ1为带合龙段的4号块前端在纵梁定位工况的累计变形，δ2为前端与边跨安装段(或1号墩5号块)前端焊连工况的累计变形。在安装时可在安装节段的梁段预焊平马板和台阶式马板，安装时利用马板实现快速点位，见图7。

Δ=-(δ2-δ1) (1)

图7 相对定位安装示意 下载原图

由于4号节段与合龙段整体焊接后采用散体吊装工艺进行施工，需要考虑左、右两侧主梁定位差异情况。假定先安装左侧主梁，左侧主梁松钩后引起右侧主梁悬臂端的变形为δ12,后安装的右侧主梁在左侧主梁悬臂端的变形为δ21。由于左、右侧主梁在安装过程中约束体系相同，有位移互等定理可知δ12=δ21,因此左、右两侧主梁在定位时可采用相同的相对高差进行定位，无需考虑安装先后顺序的影响。

4.2相对定位合龙施工效果

徽水河大桥按照上述优化有的工艺进行了大桥左幅合龙施工，中跨侧4号及中跨合龙段吊装现场见图8。现场实践表明，采用上述合龙施工方法较原定的施工方案节约施工周期约7 d, 满足了关键工期节点要求。

以2号块边跨合龙段和4号块一起吊装合龙为例，在施工过程中关键工况主梁合龙节段竖向变形的实测值情况见表1。由表中数据可知，在边跨4号与合龙段一起定位时，与边跨支架安装端的相对定位高程为60 mm, 在焊接完成，拆除前端马板时悬臂测端部下降52 mm, 随着拉索的安装和桥面板的安装一直处于变化状态。到环缝焊接时，悬臂端与支架安装端的高差只有2 mm, 实现了焊接缝的顺利对接于合龙。此时合龙口的高程为183.461 m, 原施工工序在结构合龙后对应点的高程为183.463 m, 通过这种工序优化结构的线形可基本达到与原方案相同的效果，但施工周期得到了有效缩短。

图8 相对定位安装示意 下载原图

表1 2号墩边跨合龙口两侧实测高程值 导出到EXCEL

m

工况	边跨支架梁段龙口端	边跨4号段龙口端
边跨4号块定位	183.403	183.463
前端马板割除	183.351	183.462
4号块横梁安装	183.337	183.465
4号拉索一张	183.414	183.462
3号块桥面板安装	183.386	183.461
3号拉索二张	183.461	183.463
合龙缝焊接	183.460	183.462
合龙段横梁安装	183.461	183.461

5 结语

针对徽水河大桥的结构特点和建设环境条件，对低塔柔性斜拉桥组合梁快速施工技术进行了研究，得到以下主要结论。

(1)在峡谷区域复杂施工条件下，低塔柔性斜拉桥的钢板组合梁桥可以利用塔吊进行快速安装施工，利用组合结构自重小的特点，采用塔吊进行非对称悬臂拼装的方法进行主梁快速安装施工。

(2)组合梁的钢主梁可以在环缝位置合理设置钢性马板，在刚性马板可靠焊连后可提前松开吊机再进行环缝焊连，徽水河大桥设置7块马板的状态下，应力可控制在150 MPa以内，可提供可靠的临时连接。

(3)分析了一种采用自行走架板装置的组合梁全宽预制桥面板的安装方法，利用分段式轨道的调整解决了架板装置轨道与桥面板预留钢筋位置冲突的问题，实现了桥面板的快速安装。

(4)优化提出了一种将合龙段与标准段焊连后整体吊装对位的钢主梁快速安装方法，通过节段两端与相邻节段的高差进行相对定位，在满足快速施工的同时，可得到与原定方案基本相同的成桥内力和线形，是一种可适应柔性组合梁斜拉桥的钢主梁快速合龙施工方法。

参考文献

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