三主桁鋼桁拱橋合龍口微調(diào)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任延龍

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)南方工程有限公司 廣東廣州 511462）

1 工程概況

明珠灣大橋工程線(xiàn)路起始于萬(wàn)頃沙島的萬(wàn)環(huán)西路，止于南沙經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)虎門(mén)聯(lián)絡(luò)道，是南沙明珠灣區(qū)的重要交通通道，主橋墩號(hào)為25＃～31＃墩，孔跨布置為（96＋164＋436＋164＋96＋60）m 六跨中承式連續(xù)鋼桁拱［1－2］結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。主跨三片桁拱結(jié)構(gòu)，邊跨及次邊跨為三片平桁結(jié)構(gòu)。各跨及主拱肋均為“N”型桁式。節(jié)間距為12 m、14 m兩種。共有81個(gè)節(jié)間。鋼桁架邊桁高10.369 m，中桁高10.685 m。中間支點(diǎn)處桁高52.52 m，中拱肋加勁弦高23.166 m。邊桁拱頂至中墩支點(diǎn)高度為109 m，矢高98 m，矢跨比為 1/4.45。

圖1 主橋立面示意（單位：m）

橋面雙層布置，上層為雙向八車(chē)道公路，兩側(cè)為人行道，下層兩側(cè)預(yù)留雙車(chē)道，中間為管線(xiàn)走廊。橋面總寬：主橋43.2 m（見(jiàn)圖2）。

圖2 中跨斷面示意（單位：mm）

2 合龍方法

大橋主橋中跨設(shè)一個(gè)合龍口，即在中間A39節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。合龍時(shí)將27＃墩側(cè)鋼梁整體向大里程側(cè)縱移400 mm，同時(shí)安裝縱向限位裝置進(jìn)行鎖定。鋼梁整體調(diào)整完成后，爬坡吊機(jī)在吊索塔架的輔助下向跨中逐節(jié)間大懸臂架設(shè)鋼梁至中跨合龍口A39節(jié)點(diǎn)，并在架設(shè)過(guò)程中按照設(shè)計(jì)要求分別掛設(shè)張拉三層扣索。然后通過(guò)扣索調(diào)整、縱移27＃墩側(cè)鋼梁及邊跨頂落梁等方式進(jìn)行中跨合龍口姿態(tài)調(diào)整，達(dá)到合龍條件后采用“多點(diǎn)同步合龍”微調(diào)的施工方法實(shí)現(xiàn)中跨鋼梁的精確合龍。

圖3 中跨合龍段立面示意

3 合龍口調(diào)整措施遴選

通過(guò)采用橋梁通用有限元軟件MIDAS CIVIL建立整橋有限元模型［3－4］，對(duì)各項(xiàng)合龍調(diào)整措施進(jìn)行了模擬，分別計(jì)算分析了合龍口對(duì)各項(xiàng)措施的敏感性，為合龍施工過(guò)程中合理選擇調(diào)整措施［5－6］提供理論依據(jù)。大橋整體有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

鋼桁拱橋合龍時(shí)可采取的調(diào)整措施主要有：

（1）邊墩/輔助墩頂落梁；

（2）調(diào)整吊索索力；

（3）在合龍口施加豎向力；

（4）在合龍口施加對(duì)頂力；

（5）整體升降溫度［7］。

通過(guò)調(diào)整索力、輔助墩（26＃和29＃）頂落梁、溫度調(diào)節(jié)、微調(diào)裝置牽引均能一定程度地起到調(diào)整合龍口相對(duì)位移差的作用。通過(guò)以上措施對(duì)合龍口位移進(jìn)行敏感性分析［8－11］，得出各種調(diào)整措施對(duì)跨中合龍口位移的影響量（見(jiàn)表1）。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作難度，調(diào)整索力難度較大，溫度變化不容易控制，得到最優(yōu)調(diào)整組合措施：即粗調(diào)采用通過(guò)輔助墩（26＃和29＃）頂落調(diào)整合龍口位移差，同時(shí)選擇溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)候（夜間或陰天）進(jìn)行，微調(diào)采用微調(diào)裝置配合中墩縱向移動(dòng)對(duì)合龍口間距進(jìn)行調(diào)整［12］。

表1 合龍口敏感性分析

4 微調(diào)裝置設(shè)計(jì)

4.1 微調(diào)裝置構(gòu)成

微調(diào)（頂拉）裝置主要由牛腿、40 mm鋼絞線(xiàn)、千斤頂及錨固裝置組成（見(jiàn)圖5）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，微調(diào)（頂拉）裝置主要用于鋼梁合龍過(guò)程縱向位移微調(diào)，調(diào)整幅度為10 mm以?xún)?nèi)，避免長(zhǎng)時(shí)間等待溫度場(chǎng)變化。微調(diào)裝置采用Q370鋼材在工廠(chǎng)加工，并通過(guò)焊接方式與鋼梁腹板連接。

圖5 頂拉裝置

4.2 微調(diào)裝置布設(shè)

在主跨拱肋合龍口每根弦桿上下翼緣板均布設(shè)1套頂、拉裝置（見(jiàn)圖6）。每套頂、拉裝置配1臺(tái)套250 t千斤頂，張拉力按250 t設(shè)計(jì)，拉桿采用直徑40 mm鋼絞線(xiàn)，即拱肋合龍口共布設(shè)250 t千斤頂6臺(tái)套。

圖6 拱肋微調(diào)裝置示意

在主跨系梁合龍口每根弦桿上下翼緣板均布設(shè)1套頂、拉裝置（見(jiàn)圖7），其中每套上弦桿頂、拉裝置配1臺(tái)套250 t千斤頂，張拉力按250 t設(shè)計(jì)，拉桿采用直徑40 mm鋼絞線(xiàn)；即系梁合龍口共布設(shè)250 t千斤頂6臺(tái)套（倒用拱肋設(shè)備）。

圖7 系梁微調(diào)裝置示意

5 有限元模擬結(jié)果

5.1 有限元模型

通過(guò)采用MIDAS FEA建立了微調(diào)裝置的精細(xì)化有限元模型（見(jiàn)圖8），用以模擬計(jì)算極限狀態(tài)下微調(diào)裝置受力主要區(qū)域的強(qiáng)度與剛度。精細(xì)化模型采用經(jīng)典的三角網(wǎng)格，共劃分6 824個(gè)單元，11 003個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)單元全部采用共節(jié)點(diǎn)形式，模擬結(jié)構(gòu)拼板焊接形成整體。為模擬微調(diào)裝置與鋼桁梁結(jié)構(gòu)連接部位，豎板采用固定連接。

圖8 頂推裝置有限元模型

計(jì)算工況采用中跨頂拉（微調(diào)）裝置設(shè)計(jì)極限承載力作為控制參數(shù)，在與40 mm鋼絞線(xiàn)接觸的鋼墊板平面按照均布荷載的形式施加250 t的作用力。

5.2 分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，頂拉區(qū)域是直接接觸千斤頂位置的受壓區(qū)域，最大應(yīng)力為167 MPa（見(jiàn)圖9a），最大變形為1.95 mm（見(jiàn)圖9b），強(qiáng)度與剛度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖9 微調(diào)裝置模擬結(jié)果

6 微調(diào)裝置應(yīng)用

6.1 加工制造

為消除加工制造誤差，微調(diào)裝置中除千斤頂與鋼絞線(xiàn)之外，其余構(gòu)件均選擇與合龍口桿件在工廠(chǎng)加工制造，采用坡口全熔透焊接在鋼梁合龍口桿件部位。

6.2 施工方法

大橋中跨合龍時(shí)，首先通過(guò)在輔助墩頂落梁調(diào)整鋼梁合龍口高差，利用倒鏈調(diào)整橫向誤差后，通過(guò)在27＃主墩頂推實(shí)現(xiàn)鋼梁合龍口里程粗調(diào)。待合龍口粗調(diào)完畢后，達(dá)到10～15 mm間隙后，在一側(cè)安裝油壓千斤頂，緩慢供油，將鋼絞線(xiàn)穿過(guò)支撐座預(yù)留孔道，每頂拉一次均需測(cè)量合龍口位移狀態(tài)，待合龍口間隙符合合龍條件后，安裝節(jié)點(diǎn)板并均布打入50%沖釘，進(jìn)行30%高栓進(jìn)行施擰，完成中跨合龍。

6.3 應(yīng)用效果

明珠灣大橋主橋是目前世界最大跨度的三主桁雙層鋼桁拱橋，鋼梁合龍作為大橋建設(shè)過(guò)程中最重要的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一，施工過(guò)程中需面臨鋼梁姿態(tài)及位移不易調(diào)整以及合龍節(jié)點(diǎn)多、施工對(duì)位困難等一系列難題，合龍時(shí)通過(guò)采用新型的微調(diào)裝置共完成了12合龍節(jié)點(diǎn)的微調(diào)工作，提高了大橋合龍效率，對(duì)2 cm以?xún)?nèi)的合龍間隙調(diào)整效果明顯，而且保質(zhì)保量地實(shí)現(xiàn)了鋼梁的自然“零誤差”合龍（見(jiàn)圖10）。

圖10 明珠灣大橋中跨合龍施工現(xiàn)場(chǎng)

7 結(jié)束語(yǔ)

三主桁鋼桁拱橋具有施工條件復(fù)雜、技術(shù)難度高等特點(diǎn)。合龍作為鋼梁建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，匯集了多種技術(shù)難題，為順利實(shí)現(xiàn)鋼桁梁的合龍，在中跨合龍過(guò)程中采用了新式微調(diào)裝置，并將不同措施進(jìn)行有效組合，不僅順利實(shí)現(xiàn)了鋼桁梁合龍口的精確調(diào)整，而且使該橋在施工過(guò)程中獲得了巨大的成功，為該橋按期保質(zhì)完成打下了基礎(chǔ)，具有較高的推廣價(jià)值。