斜拉桥中跨基于合龙缝控制的合龙施工工法

'斜拉桥中跨基于合龙缝控制的合龙施工工法湖南路桥建设集团公司、湖北省荆岳长江公路大桥建设指挥部欧阳钢、陈明宪、裴炳志、郭泽平、万华1前言目前公知的斜拉桥中跨合龙施工时，主要有两种施工方法：一种为配切法，一种为常规的几何尺寸法。该两种方法在实施过程中均采用控制合龙口思路进行合龙。按该思路合龙时，要求在合龙前对合龙口两端已安装悬臂梁之间的相对状态进行精确调整控制，使合龙口合龙前的空间位置状态基本与合龙后的一致。为达到该目的，通常在合龙前采用在合龙口两侧悬臂梁端设置配重（合计换算重量等于合龙段重量）以考虑中跨合龙段重量对桥梁线性及合龙口相对状态的影响；同时，在合龙前，需完成合龙口两端已安装悬臂梁段相对轴线、高程位置的调整，而为保证合龙口两端的已安装悬臂梁在调整后不因外部条件的变化而导致相对位置的变化，一般要在合龙口两端的悬臂梁间设置劲性骨架，以锁定合龙口两侧的悬臂梁，使合龙前合龙口两端悬臂梁保持联动，确保相对轴线、高程位置不发生变化。该方法操作复杂，辅助工序较多，且不安全因素多，风险大，且由于合龙口两端悬臂梁段前端空间位置的影响无法配置太多的重量以及合龙时对劲性骨架刚度的要求，致使采用以往施工方法合龙时，中跨合龙段一般长度（5～7m）大大小于标准梁段长度（一般标准梁段长度为15m），致使该区段环向焊缝密集，对桥梁的整体受力不利。由湖南路桥建设集团公司承建的斜拉桥荆岳长江公路大桥，在中跨合龙时，采用控制合龙缝的施工方法进行合龙，该方法不但能够使中跨合龙段在满足精度的要求下，施工过程大大简化，且取消了合龙口两端悬臂梁段前端的配重及合龙口两端悬臂梁段间的劲性骨架，使斜拉桥中跨合龙施工程序更加简单便捷。同时，可优化当前合龙段梁段的设计长度，使其节段长度可基本保持与标准节段一致，有利于箱梁的结构受力。研制的《斜拉桥中跨基于合龙缝控制的合龙施工技术》，经湖南省住房和城乡建设厅组织的技术鉴定，其关键技术成果具有重大的创新性，总体上达到国内领先水平，具有较大的经济、社会效益和显著的推广应用价值，经总结形成此工法。2工法特点2.1本工法以精确控制合龙缝的中跨合龙施工方法取代以往精确控制合龙口的施工方法，11 即合龙段与合龙口两端的已安装悬臂梁段的拼接分两次进行。第一次拼装时，合龙段与合龙口一侧的悬臂梁段间按标准梁段的拼装方法进行；第二次拼装时，合龙段与合龙口另一侧的悬臂梁段的环向拼装缝为合龙缝，为合龙施工过程中需主要控制的拼装缝，该缝拼装完成后，即完成全桥的合龙。2.2取消了常规施工方法中的合龙口劲性骨架及梁端配重。2.3对于以前常规施工方法：采用焊缝锁定装置锁定合龙缝，终使合龙缝的焊缝在焊接过程中处于无应力状态。2.4通过合龙口宽度纵向调整装置纵移悬臂钢箱梁调整合龙口宽度的方式，提高合龙段安装精度高，使合龙焊缝宽度可控。2.5工法使中跨合龙摆脱对温度条件的依赖，在任何温度条件下均可完成合龙施工。各工序操作时间没有严格的限制，各工序施工及衔接允许一定的时间误差，对施工组织要求简单。2.6施工精度高，过程安全可靠、方便、快捷，大大缩短了工期。3适用范围本工法适用于所有主跨为钢箱梁的斜拉桥的中跨合龙施工。4工艺原理合龙前，应在合龙口一侧塔区的钢箱梁与塔柱下横梁间设置好合龙口宽度纵向调整装置（根据实际需要，也可同时在两侧塔区均设置合龙口宽度纵向调整装置）；在完成合龙口两端所有悬臂梁段安装后，对合龙口两端已安装梁段在不同温度条件下进行多次观测，得出在各温度条件下合龙口两端已安装钢箱梁总长，根据以上测量值推算出合龙口两端已安装钢箱梁在设计温度下的总长，由此计算出合龙段钢箱梁在设计温度下的长度值。由该长度值经温度修正后（修正温度为下料时的温度）对预先已加工好并预留有足够长度的合龙段钢箱梁进行下料。根据合龙口与下料后合龙段钢箱梁长度的差值，由主桥一侧塔区钢箱梁合龙口宽度调整装置对该侧主桥悬臂钢箱梁施加纵桥向水平力，调整合龙口宽度以适应合龙段钢箱梁长度。吊装中跨合龙段就位，按标准梁段的拼装方法首先完成合龙段与主桥另一侧合龙口钢箱梁的匹配、拼装及主腹板的焊接，完成第一道拼装缝的初步拼装。然后，开始合龙段与装有合龙口宽度纵向调整装置侧的悬臂钢箱梁间第二道拼装缝（即合龙缝）的拼装工作：由主桥该侧塔区钢箱梁纵向顶推装置对该侧钢箱梁施加反向顶推力调整合龙口宽度，同时，调整第二道拼装缝（即合龙缝）两端梁段的轴线、高程位置及缝宽，并使合龙缝两端的梁段在预留一定焊缝宽度的条件下顶紧，完成合龙缝两端梁段的匹配。锁定焊缝锁定装置，使合龙焊缝在无应力的条件下完成焊接。完成中跨合龙施工。（见图4）11 图4中跨合龙施工方案图4工艺流程及操作要点5.1施工流程图（见图5.1）施工准备完成合龙口两侧悬臂梁段的安装；完成相关斜拉索的安装；桥面吊机前移就位JS26斜拉索第二次张拉主桥塔梁间合龙口宽度调整装置安装在工厂对合龙段长度进行切割合龙口24h观测顶推装置（合龙口宽度）试调整调整合龙口宽度合龙段运输就位起吊合龙段按标准梁段的拼装方法，将合龙段与合龙口一侧箱梁匹配连接，完成主腹板焊缝焊接合龙段与合龙口另一侧箱梁匹配连接、张拉锁定该侧焊缝锁定装置，完成合龙缝的拼装调整合龙缝宽度完成该侧主腹板焊缝焊接完成合龙段的焊接图5.1施工流程图11 5.2操作要点5.2.1合龙段钢箱梁制作合龙段钢箱梁在工厂制作时两侧各留有200mm加工余量，在安装该梁段前，由监控单位根据测量及计算确定下料梁长，然后进行长度下料。5.2.2桥面吊机准备中跨钢箱梁按照标准梁段的施工方法悬拼到最后的悬臂节段，合龙口两侧桥面吊机前移至起吊合龙段的位置，利用桥面预留的锚固点进行锚固，完成桥面吊机前吊扒杆倾角调整，同时更换吊具，做好吊装合龙梁段的准备。5.2.3测量工作1测量内容严格按照要求进行中跨合龙前梁段标高、偏位、温度、索力、索塔应力、钢箱梁应力等的测量，并提前进行全桥联测，以便及时修正标高及线形。梁段标高与偏位用全站仪测量，温度由梁段上所贴的温度型振弦式应变计直接读取，索力、索塔应力、钢箱梁应力也是由埋设的振弦式应变计直接读取数值后，再进行计算。2测量工况及频率按照监控要求的频率及工况进行测量，与监控单位一起进行相应的测量，并由监控单位根据各时段测得的结果，绘制出钢箱梁长度与温度变化的时间曲线。5.2.4合龙段切割由于合龙段长度方向两侧均留有余量，在切割时，可考虑其先匹配安装端面与其相对应的梁段进行匹配切割，后匹配安装的端面在24h连续观测经计算分析修正后再予以切割。5.2.5合龙口宽度纵向调整装置为调整合龙口的宽度以适应合龙梁段的长度，需在塔柱下横梁与塔区相应的钢箱梁间设置合龙口宽度纵向调整装置（见图5.2.5-1、图5.2.5-2）。该装置可根据实际的调整行程及需要，可安装在一侧塔区的下横梁与钢箱梁之间，使用时仅对主桥一侧钢箱梁进行纵向偏移；也可在主跨两边的塔区均安装该装置，对主桥两侧的钢箱梁均进行纵向偏移调整（本工法主要介绍一边安装的情况）。11 图5.2.5-1合龙口宽度纵向调整装置图5.2.5-2合龙口宽度纵向调整装置考虑到其他构筑物对梁段的约束作用及支座的摩阻力作用，该纵向顶推装置不仅要设置正向顶推千斤顶，亦要设置反向顶推千斤顶。以保证悬臂钢箱梁按指定方向顶开后，又能利用反向千斤顶顶推力克服构筑物对梁段的约束作用及支座的摩阻力作用将钢箱梁向回顶。以保证合龙段与其两侧钢箱梁结合紧密。合龙口宽度纵向调整装置正、反向顶推千斤顶一端着力于塔柱下横梁的反力点上，一端顶于塔区箱梁底板的牛腿上。每侧塔区对称于桥轴线布置两个。5.2.6合龙口宽度试调整在纵向调整装置安设完后，对合龙口宽度进行试调整。调整时，利用正向顶推千斤顶按监控和设计指定方向顶推并使合龙口的宽度≥合龙段长度值+30mm。然后，利用反方向千斤顶顶推，使合龙口的宽度≤合龙段长度值-30mm。在整个施工过程中，应使顶推装置保持受力状态，以保证其对钢箱梁纵向限位约束作用。11 5.2.7合龙缝焊缝锁定装置为使合龙缝（即合龙口第二道拼装缝）在焊接过程中始终处于无应力状态，施工时在，应在合龙缝两侧设置合龙口焊缝锁定装置。（见图5.2.7-1、图5.2.7-2、图5.2.7-3）合龙口焊缝锁定装置由布置合龙缝两端梁段上对应位置的锚座、拉结精轧螺纹钢及两锚座间的垫塞钢板组成。图5.2.7-1合龙口焊缝锁定示意图图5.2.7-2合龙口焊缝锁定示意图图5.2.7-3M1大样图由于温度变化的影响，合龙缝焊缝锁定装置在使用过程中可能承受压力，也可能承受拉力，其压力通过锚座间的净距将垫塞钢板传递，拉力通过预张拉的精轧螺纹钢传递。合龙缝焊缝锁定装置精轧螺纹钢的抗拉预紧力按主桥支座水平向最大摩阻力设计；其11 最大抗压承载力按支座最大摩阻力+主桥一侧箱梁向江侧的水平不平衡力设计。施工时，先根据锚座间的净距将垫塞钢板塞入，然后张拉对应的两锚座间拉结精轧螺纹钢，同时使垫塞钢板顶紧。焊缝焊接时，梁段间由于温度变化而产生的纵向拉力通过拉结精轧螺纹钢的预紧力予以抵消，其压力通过垫塞钢板直接传递与钢箱梁上，以使焊缝焊接时焊缝处于无应力状态。施工时，在合龙缝两侧梁段精匹配完成后，利用穿心式千斤顶张拉锁定装置的精轧螺纹钢，拧紧精轧螺纹钢螺母，完成装置的锁定。5.2.8合龙前线形调整合龙前2～4个梁段即根据全桥联测情况对钢箱梁平面偏差进行适当修正，以保证合龙段顺利安装。标高及线形通过调整索力予以调整。轴线偏位可通过合龙口宽度纵向调整装置的不均匀顶推及合龙口焊缝锁定装置进行调整。合龙缝两端梁段平面位置偏差可通过张拉合龙缝斜向交叉拉结的钢绞线予以调整。线形调整必须在夜间气温变化不大时进行，以期与合龙时温度状态一致。线形调整主要根据设计指令值依靠索力进行调整。5.2.9合龙方法1合龙段完成余量切割后运输至现场。2根据合龙段钢箱梁的长度及合龙口的宽度，在主塔利用合龙口宽度调整装置纵移主跨悬臂钢箱梁，调整合龙口的宽度以适应合龙段钢箱梁长度。3将合龙段起吊嵌入合龙口。并首先与合龙口一侧钢箱梁按标准梁段的施工方法完成第一道拼装缝的拼装。然后利用主桥合龙口宽度调整装置反向纵移钢箱梁，调整第二道拼装缝（即合龙缝）的宽度，完成第二道缝的拼装。4完成其他工作。完成中跨合龙。5.2.10其它1施工时应考虑在合龙口上方架设临时人行通道。2合理考虑合龙口宽度调整装置的解除时间。6材料与设备6.1材料主要材料：δ2～δ20mm厚Q235b钢板；φ19.5钢丝绳；电焊条；工字钢I45b；φ32精轧螺纹钢及配套螺母等6.2设备（见表6.2）11 表6.2主要设备安排表序号设备名称型号数量备注1桥面吊机-2台分离自行式2塔吊240t.m2台-3交通船-1艘-4浮吊船45t1艘-5汽车吊25t1台-6手拉葫芦10t4只-7手拉葫芦5t4只-8卷扬机5t4台-9卷扬机10t1台-1080T牵引千斤顶-6套-11120T千斤顶-4套-12焊机-10台-13撬棍-6把-7质量控制7.1质量控制标准《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)《钢结构设计规范》（GB50017-2003）《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-95）《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)《公路工程施工安全技术规范》（JTJ076-95）7.2质量要求钢箱梁安装要求如下：7.2.1局部坐标系下主梁安装定位测量：上游和下游测点标高平均值误差：≤±5mm相邻节段相对误差：≤±5mm主梁和下游测量点的标高差：≤±5mm11 主梁轴线相对偏差：≤±4mm7.2.2主梁阶段完成整体坐标系下竣工测量：上游和下游测点标高平均值误差：≤±L/3000(L为悬臂梁长)，如L/3000≤15mm时，取15mm相邻节段相对误差：≤±10mm主梁和下游测量点的标高差：≤±10mm主梁轴线偏差：悬臂长200米以内，容许偏差≤±L/20000(L为悬臂梁长)，当±L/20000≤±5mm时，容许偏差取5mm；悬臂长为200~300m时，容许偏差≤±［0.15L-20］(mm);当悬臂长大于300m时，容许偏差≤±L/12000（mm）。7安全措施8.1建立完善的安全组织机构，建立健全各种切实可行的规章制度。8.2严格按照航监部门制定的水上交通安全管理规定布置施工水域，在有关部门发布航标后，按照经过批准的施工水域进行施工。8.3所有工程船驳应保持良好的技术状况，信号齐全，配备足够的消防，救生及联络设施，工程船只的行驶及横渡严格遵守长江航行的有关规定。8.4设置灯光信号及航行标志，并定期维护,消除隐患。密切注意水位、流速、天气等变化，及早采取应急措施。对于施工水域内长久停靠的船只和结构物、临时码头、船泊区等，将在适当地点设置航标、标志灯等航运安全设施。8.5水上作业人员须穿救生衣，高空作业人员须系安全带，现场施工人员须戴安全帽，无关人员不得进入施工现场。8.6设置工作平台和安全设施，在施工现场设置安全围栏、危险之处设立警告牌。8.7机械设备应有安全装置，所有机械操作手和现场吊装人员必须严格遵守有关安全操作规程。8.8加强安全检查。墩上设专职安全员2名，负责墩上的安全工作。安全员必须能及时检查发现安全隐患，并报告现场负责人，以便能对隐患采取消除措施。8.9强化安全教育与训练，定期进行安全宣传和教育，使每一位施工人员牢固树立安全意识。8.10钢箱梁吊装前由专人全面检查，杜绝安全隐患，起吊时梁段下方严禁站人。8.11钢箱梁起吊过程中，操作人员应严格按要求施工，听从指挥，步骤统一。8.12起重工、电工等特殊工种必须持证上岗；11 8.13对主要起吊及载人设备，电、气焊工具均应专门制定安全操作规程；8.14每次吊装钢箱梁时要严格检查吊具及起重设备，杜绝安全隐患。8.15桥面吊机行走时要严格按照操作规程进行。9环保措施9.1实行环保目标责任制，加强检查和监控工作，对施工环境进行综合治理。9.2清洗机械、施工设备的废水严禁直接排入周围场地内，禁止机械在运转中产生油污未经处理就直接排放，禁止维修机械时油水直接排放至周围场地内。9.3施工产生的废液、废渣不得排放到河流、水沟、灌溉系统中，以免造成河流和水源污染。9.4钢结构焊接时要用隔离防护箱阻挡电弧，防止强光污染。10效益分析10.1该方法采用控制合龙缝的施工思路代替常规施工方法中控制合龙口的施工思路，取消了合龙口两侧梁端配重及合龙口的劲性骨架。使施工过程大大简化、便捷，同时提高了合龙段的安装精度。同时，使中跨合龙段的长度不受限制，解决了以往合龙段长度较短，焊缝集中的问题、局部应力偏大的问题。10.2该方法采用焊缝锁定装置锁定合龙缝，使合龙缝的焊接在无应力的条件下进行，确保了合龙缝的焊接质量。10.3该方法不但能够使中跨合龙段在满足精度的要求下，使斜拉桥中跨合龙施工摆脱对温度条件的依赖，同时，对各工序的操作时间也没有严格要求，其整个施工过程方便、快捷，而且大大缩短了工期。该技术在荆岳长江公路大桥主桥中跨合龙施工中的成功应用，为大桥建设创造经济效益245万元。11应用实例11.1荆岳长江公路大桥中跨合龙施工11.1.1工程概况荆岳长江公路大桥跨江主桥采用主跨816m双塔不对称混合梁斜拉桥方案，平行双索面，跨度组合为（100m＋298m）＋816m＋（80m＋2×75m）。（见图11.1.1-1）11 图11.1.1-1荆岳长江公路大桥桥型布置图钢箱梁由专业钢结构工厂加工制造，通过水运运至施工现场进行安装。中跨合龙段钢箱梁宽38.5m，长16.4m，吊装重量约为305.0t。（见图11.1.1-2）图11.1.1-2钢箱梁一般构造图（单位：mm）11.1.2应用效果2010年5月5日荆岳长江公路大桥采用基于合龙缝控制的合龙施工方法进行中跨合龙，取消了常规施工方法所需的合龙口两侧梁端配重及劲性骨架，使施工过程更趋于简化，操作方便、快捷，可靠性高，采用的焊缝锁定装置有力的保证了合龙缝的焊接质量，同时摆脱了常规施工方法对时间、气温较高的依赖性,确保了合龙的精度及焊缝的质量，高效、优质的完成了合龙段的施工任务。11'