溫州甌江北口大橋主橋鋼桁梁施工技術(shù)研究*

潘桂林，楊建平，汪仁威

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

溫州甌江北口大橋項(xiàng)目是甬臺高速公路復(fù)線和溫州市南金公路兩大項(xiàng)目跨越甌江的控制性工程。該橋?yàn)橹骺?00m的三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，主纜跨徑布置為(230+800+800+348)m=2 178m， 如圖1所示[1]。主纜矢跨比為1/10，2根主纜橫向中心距為41.8m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距10m。

圖1 溫州甌江北口大橋總體布置(單位：m)

甌江北口大橋鋼桁加勁梁(以下簡稱“鋼桁梁”)上層橋面寬33m，下層橋面寬34.5m，設(shè)雙層12車道(上、下層均為雙向6車道)，為板桁組合式整體加勁梁，如圖2所示。鋼桁架高12.5m，橫向2片主桁中心距36.2m，吊點(diǎn)設(shè)在下層橫梁外挑處，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長10m，南、北兩岸梁端各2個(gè)節(jié)間長11.8m，全橋共208個(gè)節(jié)間[2]。節(jié)間長度布置為：北邊跨為2×11.8m+19×10m，中跨為80×10m+80×10m，南邊跨為25×10m+2×11.8m。

圖2 鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

2 重難點(diǎn)分析

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，該橋鋼桁梁施工具有以下難點(diǎn)：①兩中跨均存在約300m范圍纜梁交匯段(主纜低于主梁頂標(biāo)高)，常規(guī)纜載吊機(jī)方法無法吊裝；②鋼桁梁節(jié)段長、吊重大、數(shù)量大，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(長20m)重約707t，最大吊重約796t，全橋共112個(gè)吊裝節(jié)段；③北邊跨樂清側(cè)為陸地，南邊跨瑞安側(cè)為淺灘區(qū)，均無法通航，且中跨航運(yùn)繁忙，封航難度大；④南、北邊跨端部均存在2個(gè)無吊索吊裝梁段，主梁頂高于主纜，常規(guī)方法無法吊裝；⑤施工期控制流速2.36m/s，流速大，船舶拋錨定位難度大，且7—8月臺風(fēng)頻發(fā)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。

3 鋼桁梁施工方法

3.1 現(xiàn)有架設(shè)方法

地錨式懸索橋加勁梁目前主流施工方法有纜載吊機(jī)法、纜索起重機(jī)法、橋面吊機(jī)法[3]。此外，還有一些橋采用了軌索移梁法、浮式起重機(jī)架設(shè)法、蕩移頂推法、液壓同步提升吊裝法等[4-6]。針對甌江北口大橋主梁梁段多、梁段超重的特點(diǎn)，調(diào)研纜載吊機(jī)法、纜索起重機(jī)法、浮式起重機(jī)架設(shè)法和液壓同步提升法應(yīng)用的可行性。

1)纜載吊機(jī)法 纜載吊機(jī)提升力大，可一次提升整個(gè)大節(jié)段加勁梁，施工效率高，且空中作業(yè)時(shí)間少，施工安全得到保證。目前國內(nèi)外大跨徑懸索橋加勁梁架設(shè)多采用纜載吊機(jī)法；對于鋼桁梁，如國內(nèi)主跨1 700m的楊泗港長江大橋、主跨 1 092m 的五峰山長江大橋均采用了900t纜載吊機(jī)等[7-8]；而對于鋼箱梁，如主跨1 688m的南沙大橋、主跨 1 650m 的西堠門大橋等采用了400t纜載吊機(jī)。由于纜載吊機(jī)無法帶重載行走，故纜載吊機(jī)法一般需在橋下滿足通航條件的跨江、跨海大橋中使用。

2)纜索起重機(jī)法 纜索起重機(jī)法布置簡單，可適用于各種地形條件，起吊力也較大，廣泛應(yīng)用于我國山區(qū)懸索橋建設(shè)。目前國內(nèi)主跨660m的麗香鐵路金沙江特大橋纜索起重機(jī)額定吊重達(dá)800t，隨著龍江特大橋(主跨1 196m)、赤水河大橋(主跨 1 200m) 和華麗金沙江大橋(主跨1 386m)的建成通車，纜索起重機(jī)法跨徑已突破千米級[9-10]。但纜索起重機(jī)法隨著橋跨的增大經(jīng)濟(jì)性會降低，操作風(fēng)險(xiǎn)也增大。

3)浮式起重機(jī)架設(shè)法 浮式起重機(jī)架設(shè)法是指利用浮式起重機(jī)直接將駁船運(yùn)來的梁段起吊安裝的方法。浮式起重機(jī)起吊力大(可達(dá)4 000t)，施工效率高，質(zhì)量有保障。由于浮式起重機(jī)定位拋錨占據(jù)航道時(shí)間較長，目前多用于懸索橋塔區(qū)梁段和合龍段梁段吊裝，如明石海峽大橋、五峰山長江大橋、伊茲米特海灣橋等[11-12]。此外，浮式起重機(jī)架設(shè)法對施工管理和安裝精度有較高要求，大噸位浮式起重機(jī)資源也較有限。

4)液壓同步提升法 液壓同步提升法是直接利用多臺液壓千斤頂配合鋼絞線直接提升加勁梁的方法。該方法起吊力大、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)性好，按提升油缸布置位置又分為正提升和倒提升2種。但此法設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)繁瑣、安全風(fēng)險(xiǎn)大、工效一般。目前國內(nèi)大連星海灣大橋(吊重600t)和秀山大橋部分梁段采用此方法。

3.2 鋼桁梁施工方法

3.2.1纜梁交匯段施工

甌江北口大橋兩中跨跨中區(qū)域均存在約300m長的纜梁交匯段(16個(gè)吊裝節(jié)段)，常規(guī)纜載吊機(jī)法無法吊裝。下面分析對比纜索起重機(jī)法、浮式起重機(jī)架設(shè)法和液壓同步提升法用于該區(qū)域吊裝的可行性。

3.2.1.1纜索起重機(jī)法

纜索起重機(jī)方案總體布置以中塔為界，設(shè)左、右分離的2套纜索起重機(jī)系統(tǒng)，主索支點(diǎn)分別位于兩岸主橋錨碇及橋塔橫梁上，左套纜索系統(tǒng)跨徑布置(225+800)m，右套纜索系統(tǒng)跨徑布置(800+342)m， 2套系統(tǒng)跨中重載垂度設(shè)計(jì)矢跨比均為1/15，額定吊重800t。起重卷揚(yáng)機(jī)選用16臺15t單卷筒慢速卷揚(yáng)機(jī)，牽引卷揚(yáng)機(jī)選用16臺25t雙卷筒慢速卷揚(yáng)機(jī)，均布置于錨碇前平臺處。單側(cè)纜索起重機(jī)系統(tǒng)由14根承重主索、1根牽引索(循環(huán)式布置)和2根起重索組成。纜索起重機(jī)系統(tǒng)繩索參數(shù)如表1所示。

表1 纜索起重機(jī)系統(tǒng)繩索參數(shù)

由于以中塔為界，纜索起重機(jī)左、右分離，且錨固在中塔橫梁上，當(dāng)不對稱吊裝時(shí)中塔所受不平衡力較大，因此，計(jì)算時(shí)荷載工況分為對稱吊裝工況與不對稱吊裝工況。對稱吊裝工況時(shí)，左、右2幅纜索起重機(jī)系統(tǒng)在中塔兩側(cè)同時(shí)對稱吊裝，計(jì)算工況以距中塔20m和每100m起吊進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，主索破斷力安全系數(shù)最小為3.07≥3，滿足要求，對應(yīng)的應(yīng)力驗(yàn)算也同樣滿足要求。

不對稱吊裝主要考慮表2中的4個(gè)特殊工況。經(jīng)有限元建模分析，4個(gè)工況對應(yīng)的塔頂偏位和橋塔應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示：橋塔位移在工況2時(shí)最大，邊塔9.3cm，中塔5.0cm，滿足要求。橋塔應(yīng)力最大為6.259MPa，最小為-0.974MPa，滿足要求。

表2 不對稱吊裝工況

同樣對牽引索與起重索進(jìn)行驗(yàn)算，牽引索破斷力安全系數(shù)4.24≥4，起重索破斷力安全系數(shù) 5.36≥5， 滿足要求。

總之，甌江北口大橋跨中纜梁交匯段用纜索起重機(jī)法施工可行，同樣跨中其余一般梁段采用該方法也可行。

3.2.1.2浮式起重機(jī)架設(shè)法

纜梁交匯段采用浮式起重機(jī)架設(shè)，由于主纜較高，考慮采用浮式起重機(jī)在兩主纜間吊裝和浮式起重機(jī)跨越主纜吊裝2種方式。

1)浮式起重機(jī)在兩主纜間吊裝

浮式起重機(jī)進(jìn)入兩主纜間，橫江方向拋錨定位進(jìn)行吊裝作業(yè)，鋼桁梁節(jié)段長20m，初始安裝時(shí)鋼桁梁頂面距水面高度約84m，吊具高度取12m，因此，浮式起重機(jī)吊高需96m方可滿足作業(yè)要求，如圖 3所示。經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)振浮6號(1 600t)和起重27號(1 600t) 等浮式起重機(jī)可滿足要求。

圖3 浮式起重機(jī)在兩主纜間吊裝(單位：m)

2)浮式起重機(jī)跨越主纜吊裝

浮式起重機(jī)順江于主纜外側(cè)拋錨定位，起重臂跨過主纜，運(yùn)梁船與浮式起重機(jī)呈一字形?？慷ㄎ?，安裝節(jié)段鋼桁梁。根據(jù)計(jì)算，吊裝纜梁交匯段最后一節(jié)段時(shí)最不利，要求浮式起重機(jī)起重臂在58°時(shí)，吊高≥113m。經(jīng)查詢4 000t級及以下浮式起重機(jī)主鉤吊高不滿足要求。

因兩中跨梁段需對稱吊裝，若兩中跨各布置1臺浮式起重機(jī)，則浮式起重機(jī)在吊裝首節(jié)段后需反復(fù)左右移運(yùn)拋錨定位，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)梁段的對稱吊裝，工效低。若單中跨同時(shí)布置2臺浮式起重機(jī)，大范圍占用航道，可行性較低，故甌江北口大橋跨中纜梁交匯段采用浮式起重機(jī)位于兩主纜間吊裝可行，但可實(shí)施性差。

3.2.1.3液壓同步提升法

甌江北口大橋擬采用的液壓同步提升設(shè)備由8臺200t液壓提升油缸、4臺液壓泵站、1臺主控室、8套鋼絞線收放裝置、8個(gè)吊索錨頭、8套臨時(shí)索夾及若干8×31φ15.24鋼絞線組成，如圖4所示。該設(shè)備每套由8個(gè)提升單元組成，每個(gè)單元設(shè)備總質(zhì)量≤20t， 采用改裝的天車分開移位安裝。該設(shè)備小巧，依靠臨時(shí)索夾固定在主纜上，每套提升單元相對獨(dú)立，可直接用于跨中纜梁交匯段提升。

圖4 甌江北口大橋液壓同步提升設(shè)備示意

3.2.2中跨一般梁段施工

纜索起重機(jī)法不僅可用于跨中纜梁交匯段還可用于中跨一般梁段施工。纜載吊機(jī)和液壓同步提升法也可行，但浮式起重機(jī)法由于存在順江吊裝吊高需求過高，以及橫江站位拋錨、占用航道等問題，可吊梁段有限，可實(shí)施性不大。

3.2.3塔區(qū)梁段施工

甌江北口大橋3個(gè)塔區(qū)均各有3個(gè)無吊索梁段，共9個(gè)吊裝節(jié)段，最大吊重約531t。塔區(qū)梁段考慮采用提升設(shè)備豎直提升+水平蕩移方式吊裝至預(yù)先搭設(shè)的塔區(qū)存梁支架上，然后再滑移至設(shè)計(jì)位置，如圖5所示。

圖5 塔區(qū)梁段蕩移示意

3.2.4邊跨梁段施工

甌江北口大橋北邊跨樂清側(cè)10個(gè)吊裝節(jié)段，含2個(gè)端部無吊索梁段；南邊跨瑞安側(cè)13個(gè)吊裝節(jié)段，同樣也包含2個(gè)端部無吊索梁段，其中單個(gè)節(jié)段最大吊重約813t。邊跨梁段若采用纜索起重機(jī)法施工，為滿足吊裝矢跨比需求，需在錨碇上布置一較高吊塔[13]，實(shí)施復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性較差，故邊跨梁段僅考慮通過纜載吊機(jī)或液壓提升設(shè)備吊裝。

北邊跨為陸地，不滿足通航條件，梁段總體考慮從塔區(qū)靠中跨一側(cè)蕩移至邊跨存梁滑移支架平臺上，然后滑移到指定位置，通過設(shè)備吊裝到位。端部無吊索梁段，由于主梁頂高于主纜，考慮采用液壓同步提升設(shè)備+蕩移法進(jìn)行施工，如圖6所示。

圖6 北邊跨梁段存放示意

南邊跨為淺灘區(qū)，部分區(qū)域可通航。不滿足通航條件區(qū)域，考慮搭設(shè)長支架，如圖7所示，采用吊裝設(shè)備在支架平臺盡頭將梁段提升一定高度，再用卷揚(yáng)機(jī)牽拉一定距離，實(shí)現(xiàn)蕩移作業(yè)。滿足通航條件區(qū)域，運(yùn)梁船到位后，梁段直接由設(shè)備提升安裝即可。

圖7 南邊跨梁段存放示意

3.2.5合龍段施工

全橋共設(shè)置6個(gè)合龍口，每個(gè)塔柱處各2個(gè)合龍口，合龍口均設(shè)置在塔區(qū)第2節(jié)有吊索梁段，如圖8所示。第1個(gè)有吊索梁段先與塔區(qū)無吊索梁段相連完成體系轉(zhuǎn)換，然后再與第2個(gè)梁段相連，完全合龍。合龍順序?yàn)橄群淆堉兴?個(gè)合龍口，然后合龍邊跨跨中側(cè)，最后合龍邊跨側(cè)。經(jīng)計(jì)算，通過臨時(shí)壓重和卷揚(yáng)機(jī)牽拉，可有效調(diào)整合龍口姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)各位置順利合龍。

圖8 合龍口位置示意

4 施工方法綜合比選

甌江北口大橋按三塔四跨設(shè)計(jì)，加勁梁架設(shè)工藝復(fù)雜，單一架設(shè)方法無法完成全部梁段安裝。通過分析，對比纜索起重機(jī)法+液壓同步提升法、纜載吊機(jī)法+液壓同步提升法、全橋液壓同步提升法的優(yōu)缺點(diǎn)，為該橋主梁架設(shè)方法選取提供參考。3種方法思路均為從兩跨跨中向索塔推進(jìn)，邊跨同步從錨碇向索塔推進(jìn)，在塔區(qū)進(jìn)行合龍。

4.1 纜索起重機(jī)法+液壓同步提升法

跨中區(qū)域由纜索起重機(jī)吊裝，塔區(qū)和邊跨梁段通過液壓同步提升法吊裝，具體步驟如下。

1)塔區(qū)梁段吊裝 采用1套液壓提升設(shè)備提前蕩移到位，存在塔區(qū)支架上。

2)兩邊跨存梁 北邊跨全部梁段先通過中跨側(cè)1套液壓提升設(shè)備蕩移至滑移支架上，滑移至指定位置，該設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至BB3梁段位置，再將端部2個(gè)梁段提升滑移到位，完成北邊跨梁段提前存放；南邊跨NB1～NB8梁段先通過安裝在NB9梁段位置的1套液壓提升設(shè)備蕩移至滑移支架上，然后該設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)至NB3梁段位置，再將端部2梁段提升滑移到位，完成所有邊跨梁段存梁。

3)一般梁段吊裝 兩跨中BZ20，NZ20梁段采用2套纜索起重機(jī)系統(tǒng)同步吊裝，然后逐級依次左、右吊裝相連梁段，梁段間臨時(shí)鉸接。兩中跨需對稱吊裝，期間兩中跨梁段數(shù)量差值≤1，工效為1d/段。經(jīng)計(jì)算，邊跨在中跨吊裝時(shí)需匹配吊裝相應(yīng)梁段，采用2套液壓同步提升設(shè)備吊裝，北邊跨依次吊裝NB3～NB8，NB10梁段，然后吊裝NB1～NB2梁段，南邊跨依次吊裝BB4～BB11，BB13梁段，然后吊裝NB3，NB1，NB2梁段，并對邊塔索鞍進(jìn)行分次頂推，工效為3d/段。

4)合龍段吊裝 采用纜索起重機(jī)系統(tǒng)吊裝NZ38，BZ38梁段，完成中塔位置合龍，然后再采用該系統(tǒng)吊裝NB2，BZ2梁段，完成邊塔跨中側(cè)合龍，最后采用液壓提升設(shè)備吊裝BB9，NB12梁段，完成邊塔邊跨側(cè)合龍，工效為2d/合龍口。

4.2 纜載吊機(jī)法+液壓同步提升法

跨中纜梁交匯區(qū)域由液壓同步提升設(shè)備安裝，跨中其余一般梁段由纜載吊機(jī)安裝，塔區(qū)和邊跨梁段采用液壓同步提升法吊裝，具體步驟如下。

1)塔區(qū)和兩邊跨存梁方式同纜索起重機(jī)法+液壓同步提升法。

2)一般梁段吊裝 兩跨中BZ20，NZ20梁段采用2套液壓同步提升設(shè)備同步吊裝，然后再增加2套液壓提升設(shè)備，以跨中對稱吊裝剩余纜梁交匯梁段，梁段間臨時(shí)鉸接，期間兩中跨梁段數(shù)量差值≤1，工效為3d/段?？缰衅溆嘁话懔憾蜝Z1～BI12， BZ29～BI39， NZ1～NZ12，NZ29～NZ39均采用4臺纜載吊機(jī)進(jìn)行吊裝，工效為2d/段。同時(shí)經(jīng)計(jì)算，邊跨在中跨吊裝時(shí)需匹配吊裝相應(yīng)梁段，采用2套液壓同步提升設(shè)備吊裝，吊裝順序同纜索起重機(jī)法+液壓同步提升法。

3)合龍段吊裝 采用纜載吊機(jī)系統(tǒng)吊裝NZ38，BZ38梁段，完成中塔位置合龍，然后再采用該系統(tǒng)吊裝NB2，BZ2梁段，完成邊塔跨中側(cè)合龍，最后采用液壓提升設(shè)備吊裝BB9，NB12梁段，完成邊塔邊跨側(cè)合龍，工效為2d/合龍口。

4.3 全液壓同步提升法

所有吊裝梁段均采用液壓同步提升設(shè)備安裝，具體步驟如下。

1)塔區(qū)和兩邊跨存梁同纜索起重機(jī)法+液壓同步提升法。

2)一般梁段吊裝 兩跨中BZ20，NZ20梁段采用2套液壓同步提升設(shè)備同步吊裝，然后再增加2套液壓提升設(shè)備，以跨中對稱吊裝剩余梁段，梁段間臨時(shí)鉸接，期間兩中跨梁段數(shù)量差值≤1，工效為3d/段。經(jīng)計(jì)算，邊跨在中跨吊裝時(shí)需匹配吊裝相應(yīng)梁段，采用2套液壓同步提升設(shè)備吊裝，此時(shí)全橋共投入6套液壓提升設(shè)備。

3)合龍段吊裝 采用液壓提升設(shè)備吊裝NZ38，BZ38梁段，完成中塔位置合龍，然后再吊裝NB2，BZ2梁段，完成邊塔跨中側(cè)合龍，最后吊裝BB9，NB12梁段，完成邊塔邊跨側(cè)合龍，工效為2d/合龍口。

4.4 綜合指標(biāo)對比分析

綜合考慮施工設(shè)備、施工速度、施工安全及經(jīng)濟(jì)性等因素，對比纜索起重機(jī)法+液壓同步提升法、纜載吊機(jī)法+液壓同步提升法、全液壓同步提升法用于甌江北口大橋主梁架設(shè)的優(yōu)缺點(diǎn)(見表 3)，推薦選用纜載吊機(jī)法+液壓同步提升法進(jìn)行全橋鋼桁梁架設(shè)。

表3 鋼桁梁架設(shè)方法綜合指標(biāo)對比分析

5 結(jié)語

溫州甌江北口大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，建設(shè)規(guī)模大，是我國自泰州長江大橋、馬鞍山長江公路大橋、鸚鵡洲長江大橋建設(shè)以來的第4座大跨徑三塔懸索橋。針對該大橋鋼桁梁施工難點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，對纜索起重機(jī)法、纜載吊機(jī)法、浮式起重機(jī)架設(shè)法與液壓同步提升法4種架設(shè)方法用于不同區(qū)域梁段架設(shè)的可行性進(jìn)行分析，并綜合對比纜索起重機(jī)法+液壓同步提升法、纜載吊機(jī)法+液壓同步提升法、全液壓同步提升法3種不同架設(shè)組合方案在施工設(shè)備、施工速度、施工安全及經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為該橋鋼桁梁架設(shè)方法選取提供了參考，推薦采用纜載吊機(jī)法+液壓同步提升法進(jìn)行全橋鋼桁梁架設(shè)。