18-三塔大跨度结合梁斜拉桥主跨合龙技术分析

易炳疆

（）西南交通大学土木工程学院，四川成都６１００３１

摘　要：三塔大跨度斜拉桥合龙时各种因素对合龙口的变位和局部受力影响较大，给合龙口调整施工带来了难度。为了得到合理的合龙施工方案，以武汉二七长江大桥为背景，利用ＭＩＤＡＳＣｉｖｉｌ软件建立该桥有限元计算　模型，计算分析了该桥主跨非对称合龙的可行性，并通过敏感性分析确定了温度、压重、调索、对拉等对合龙口两端主梁变位及局部应力影响的程度，得出主跨合龙时应采取的合理措施及合龙步骤。

关键词：斜拉桥；结合梁；合龙；敏感性；分析；有限元法中图分类号：Ｕ４４８．２７；Ｕ４４５．４

文献标志码：Ａ

（）文章编号：１６７１－７７６７２０１２０４－００５４－０５

１　引　言

三塔大跨度斜拉桥由于中塔刚度问题，其设计和施工在技术上有一定的难度。设计时中塔没有端锚索固定，其刚度的确定是一个难点；施工时环境温度、临时荷载、主跨施工不同步等因素为施工方案带来了不确定性，尤以合龙施工为甚。

合龙施工控制是斜拉桥全桥施工监控成败的关它关系到最终成桥受力和线形合理与否。键环节，

在大跨度斜拉桥施工中，由于合龙前主梁悬臂长度达到最大，一些很小的因素便会导致合龙口变位，因此采取合理的控制措施至关重要。根据无应力状态控制法基本原理，结构线性条件下的受力和线形只与外荷载、边界条件、结构体系和无应力状态量

［１～４］

与武汉天兴洲公铁两用长江大桥（相距约７ｋｍ）

之间，是武汉城市二环线上跨越长江的特大型ｋｍ）

设计长度６正桥桥梁。桥型为三塔斜拉桥，５０７ｍ，　长２主桥跨度布置为（９２２ｍ，９０＋１６０＋２×６１６＋　。主梁采用结合梁形式，见图１）高１６０＋９０）ｍ（桥面宽３双向８车道，设计行车速２．９３５ｍ，０．５ｍ，／度为８０ｋｍｈ。承台以上塔高为２０６ｍ。

武汉二七长江大桥主梁采用悬臂施工法。施工时，首先在支架上浇筑９安装１０ｍ混凝土段，６０ｍ边跨结合梁段，然后进行主跨悬臂吊装施工。其中武昌侧主跨采用节段逐块拼装施工，汉口侧主跨采用节段整体吊装施工。主跨每个节段长１悬３．５ｍ，紧接０号块的前２个施工阶段各拼装１臂施工时，

，个节段（后面每个施工阶段都拼装２个节１３．５ｍ），直至合龙段安装阶段。武汉二七长江大段（２７ｍ）桥主跨施工不同步，其中武昌侧先完成合龙。２．２　合龙的主要技术难点

主跨合龙面临的主要技术难点有：①主梁昼夜对合龙时间要求严格；合龙端温差大，②悬臂跨度大，竖向位移和转角大，且主梁之间用高强螺栓连接，合龙对位困难，主梁的定位精度要求高；③由于三塔斜必然会进行非对称合龙施工，则拉桥施工的不同步，

一个主跨合龙时必然会对另一主跨合龙口变位和全如温度、桥受力产生影响；④合龙口变位影响因素多，索力、主梁自重等，调整时各种因素之间有相互作用。

综上所述，有必要验证非对称合龙的可行性，并对合龙口敏感性进行分析。

有关，因此在合龙控制中，需做到：①合龙前合龙口两端主梁线形连续，以满足合龙段顺利嵌入合龙口的要求；②合龙后全桥无应力索长与成桥设计无应力索长相等，以满足全桥受力和线形与成桥一致的要求

［５，６］

。大跨度斜拉桥主跨合龙的关键步骤是合

龙口方位调整，以满足合龙口两端主梁线形连续的要求，调整措施可根据合龙敏感性分析确定。合龙敏感性分析是在有限元模型的基础上，调整各种荷载、环境温度等因素，分析各种因素对合龙口变位（纵竖向、横向位移和转角）的影响，以确定合理的施向、

］７，８

。本文以武汉二七长江大桥为背景，工措施［通过

计算分析该类桥梁主跨相对合理的合龙方案。２　工程实例

２．１　工程简介

武汉二七长江大桥位于武汉长江二桥（相距３．２

收稿日期：２０１２－０３－１２

，：。作者简介：易炳疆（男，工学学士（１９８７－）２０１０年毕业于重庆大学土木工程专业，Ｅ－ｍａｉｌ２７９８４７５８９＠ｑ．ｃｏｍ）ｑ

三塔大跨度结合梁斜拉桥主跨合龙技术分析　　易炳疆５５

图１　武汉二七长江大桥布置示意

３　主跨合龙分析

３．１　有限元模型的建立

采用ＭＩＤＡＳＣｉｖｉｌ软件建立武汉二七长江大桥　有限元模型进行计算分析，计算时分别建立一次成桥模型和施工阶段模型，一次成桥模型用于计算斜拉桥最终成桥状态的初拉力，计算过程为静力线性的，因此拉索模拟采用桁架单元；施工阶段模型用于

位置桥塔　　　　钢梁　　　　桥面板　　　混凝土压重段斜拉索　　　

材料型号用户定义Ｑ３９０　用户定义Ｃ６０　Ｓｔｒａｎｄ１８６０　

弹性模量／ＭＰａ３．４５Ｅ＋０４　２．０６Ｅ＋０５　３．６０Ｅ＋０７　３．６０Ｅ＋０４　１．９５Ｅ＋０５　

模拟实际施工过程，计算时会用到一次成桥计算出的初拉力，并考虑索的大变形影响，拉索模拟时采用索单元。其它结构在２种模型中均采用梁单元；支座采用一般支承处理。

模型主要材料参数见表１。模型合龙口长７ｍ，，宽３合龙段重３合龙口和合龙段有限元０．５ｍ，０７ｔ模型见图２。

泊松比０．２　０．３　０．２　０．２　０．３　

线膨胀系数１．０Ｅ－０５　１．２Ｅ－０５　１．０Ｅ－０５　１．０Ｅ－０５　１．２Ｅ－０５　

容重／Ｎ·ｍｍ－３２．６２５Ｅ－０５７．６９８Ｅ－０５２．６２５Ｅ－０５２．５００Ｅ－０５７．８５０Ｅ－０５

表１　模型材料参数

３．２　计算工况

根据实际施工情况，计算时工况按合龙措施分为温差、对拉、压重、调索和水平顶推主梁５种，其中温差为±１工况１：温升１工况２：温降１０℃（０℃；０，荷载均设为２对拉荷载为℃）００ｋＮ。具体方案为：在合龙口对角线上的两节点上各横向施加２００ｋＮ），推力（工况３着力点在边塔侧主梁角点处，如图２（）中的１点；压重荷载为在合龙口两侧混凝土节点ａ

，）上各施加２工况４）如图２（中３、００ｋＮ压力（ａ４点；调索分２种方案，第一方案调整最外层拉索索力，即临近合龙口最外面２对斜拉索（图１中①号，），索）每根索施加２工况５第二方案为相００ｋＮ拉力（应的第二层斜拉索（图１中②号索）施加２００ｋＮ拉力（）；工况６水平顶推点设在边塔主梁钢梁底部，２片钢），。梁各施加２工况７施力位置见图１００ｋＮ推力（３．３　非对称合龙可行性分析

三塔斜拉桥施工时，常有施工不同步的状况出现，其中一跨合龙施工时，其压重或其它措施必然对另一端合龙口变位和中塔部分的受力产生影响，另

图２　合龙口与合龙段有限元模型

一端合龙时将不容易控制。该桥的中塔刚度相对较

５６

大，施工时中塔侧钢梁底部不能固结，以避免因调整力度过大而导致结构产生过大次内力。

对武昌侧进行调整施工时，汉口侧合龙口的主梁

工况

节点５

３

１３５

４

１３５

５

１３５

６

１３

（）世界桥梁　　２０１２，４０４

，变位和结构的最大应力见表２表中节点位置和坐标），方向见图２（ａＤＸ、ＤＤＺ分别表示控制节点沿Ｘ、Ｙ、

下同。Ｙ、Ｚ方向上的位移，ＲＹ表示绕Ｙ轴转角，

ＤＺ／ｍｍ　

－１１１．１１－１２４．１７－１１７．６４９０．８５　１９０．８５　１９０．８５　１－１１７．０５－１１７．０５－１１７．０５－１１６．９３－１１６．９３－１１６．９３

／ＲｒａｄＹ０００６７３　０．　０００６７３　０．　０００６７３　０．　－０．０００１６６　－０．０００１６６　－０．０００１６６　０００６７１　０．　０００６７１　０．　０００６７１　０．　０００６７１　０．　０００６７１　０．　０００６７１　０．　

（中塔钢梁处）６．６０（中塔钢梁处）６．６０（中塔钢梁横梁处）３４．８（中塔梁底临时固结处）１８５

结构最大应力／ＭＰａ

表２　武昌侧施工时汉口侧合龙口变位和结构最大应力

ＤＸ／ｍｍ　

－２９．７５　－６８．６８　－４９．０２　２．２６　８２．２６　８２．２２　８－４９．１３－４９．１３－４８．９４－４９．０１－４９．０１－４８．８２

／Ｄｍｍ　Ｙ３５２．３２　　３５２．３２　　３５２．４４　　－０．００００１９　－０．００００１６　－０．００００１７　－０．０００００８　－０．０００００５　００７－０．０００　－０．００００１７　０１３－０．０００　０１５－０．０００　

武昌侧施工时汉口侧合龙口最大　　由表２可知，

纵向位移为８最大横向位移为３２．２６ｍｍ，５２．４４最大竖向位移为１最大转角为ｍｍ，９０．８５ｍｍ，

，数值较小，均在合理范围内；局部应０．０００６７３ｒａｄ　力最大值出现在合龙口对拉时中塔梁底临时固结，处，数值为１在Ｑ８５ＭＰａ３９０型钢的抗拉强度范围内。在该措施下，另一端的主跨合龙端变位和控制端变位大致相等，待合龙后即可恢复，影响可忽略不计。

３．４　合龙口敏感性分析

斜拉桥合龙前悬臂最长，此时的安全风险最大，要实现安全、可靠、顺利地合龙，就必须进行一系列，的调整（调索、顶推、压重等）将合龙口两端调整到所需的线形，即高程相等、转角连续、主梁中线无偏移、合龙口间距等于合龙段长度等。在采取调整措施之前，需进行敏感性研究，确定某一变位（转角，横、竖向位移等）对哪几种措施敏感，或者说某种措

９］

。本文对武昌侧合龙口施对哪几种变位影响最大［

在３．２节计算工况荷载作用下的敏感性进行分析，以得出最佳的调整手段。

为能更好分析各施工工况的调整效果，先计算出未采取调整措施前武昌侧合龙口主要控制点变位（见），表３各工况荷载作用下合龙口敏感性计算结果见，表４表中部分数据由于数量级很小，未予列出。在边塔梁底施加水平力对纵向　　分析结果表明：

位移改变明显；合龙口两端对拉对中线偏位改变明显；索的张拉和梁端的压重对竖向位移改变明显；温差对位移改变较为明显，在施工时要注意随时观测

表３　未采取措施前武昌合龙口主要控制点变位

节点５６　１２　３４　

ＤＸ／ｍｍ　

－４６．１５４９．２１　－４６．１５　４９．２１　－４６．０３　４９．０１　

／Ｄｍｍ　ＹＤＺ／ｍｍ　／ＲｒａｄＹ０００４００　０．　

－０．０００００２－１４３．７３９５　　０

－１１７．６１９０－０．０００６７３　　

０．０００４００　

０．０００００２－１４３．７３９５　　　

０．０００００４－１１７．６１９０－０．０００６７３　　　０

－１４３．７３９５　　

０．０００４００　

０．０００００２－１１７．６１９１－０．０００６７３　　　

表４　合龙口敏感性计算结果

合龙口

节点５６　１２　３４　工况１位移

工况２位移

工况３位移

工况４位移

工况５位移

工况６位移

ｍｍ

工况７位移

ＤＸＤＺＤＸＤＺＤＸＤＹＤＸＤＺＤＸＤＺＤＸＤＺＤＸ８４．６８—８４．６８—８４．６０—－１３．７７－１６７．４９－７８．５０－１２１．６７－４３．５６－１４２．８１－４５．４６－２６１．７８－４６．５２－１１５．６６－４６．４１－１２２．１１　１７．０５－１２４．６９－７８．５０－１２１．６７　７１．００－１２０．６２８１．５１－５１９．６２　１　４９．２８－９０．８７　４９．３７－９６．９５－１３．７７－１６７．４９－７８．５０－１２１．６７－４８．７４－１４４．６７－４５．４６－２６１．７８－４６．５２－１１５．６６－４６．４１－１２２．１１　１７．０５－１２４．６９　８１．３６－１１０．７４　２７．３９－１１４．５６８１．５１－５１９．６２　１　４９．２８－９０．８７　４９．３７－９６．９５－１３．７１－１６７．４９－７８．３４－１２１．６７－４６．０３－１４３．７４－４４．８４－２６１．７８－４６．５５－１１５．６６－４６．３７－１２２．１１　１６．９２－１２４．６９　８１．１０－１１０．７４　４９．００－１１７．５９８０．６１－５１９．６２　１　４９．２２－９０．８７　４９．２５－９６．９５三塔大跨度结合梁斜拉桥主跨合龙技术分析　　易炳疆５７

）合龙施调方法。通过敏感性分析，得出具２　　（

体施调措施为：横向位移采取对拉施调，纵向位移用边塔处钢梁底设置的千斤顶顶推施调，竖向位移用索力和压重进行调整。

（）合龙施工方法。合龙施工方法有合龙块整３

体吊装和逐块拼装２种，工程中一般采用逐块拼装法，从而避免使用大型吊装设备。传统合龙控制时，２种方法均需要根据环境温度下合龙口长度配切相应的合龙段尺寸，这样做成的桥梁线形与内力和一次成桥相差较大，而根据无应力状态控制法，合龙口长度已预先设定，只需要通过各种合理的措施进行调整即可合龙，从而达到合理的成桥线形和内力。（）合龙前的理论调整措施。以合龙口两端高４程相等、水平间距等于合龙段长度、主梁中线一致、转角连续为条件，通过软件的多次计算，得出合理的。合龙口两侧的２层索各施加调整方案（仅供参考））图２（中过渡节段上各１０６０ｋＮ和９８５ｋＮ拉力，ａ　施加２长度为１．００ｋＮ和２６１ｋＮ的均布压力，５ｍ（，见图４）横向偏位通过对拉微调完成。调整的步纠正主梁中线偏位→通过压重和调索调整高骤为：

程和转角→通过边塔梁底施加水平推力调整合龙口长度。调整后，计算得纵向合龙口长度差为０．４８７合龙口两端主梁高程差为０转角差为ｍｍ，．１９ｍｍ，

，调整措施合理，调整结果理想。０．０００１５ｒａｄ　４．２　主跨合龙步骤

经过上述分析，确定该桥主跨最终合龙步骤如下：

）在合龙前数小时内，（利用吊机将合龙段横１

梁（压重）横放在主梁高程较大一端，同时调整两端拉索索力，通过多次微调，使两端拼接缝高程和转角一致。

（）利用设备对角拉拽两侧钢梁［）如图２（中２ａ，的１、使主梁中线（小纵梁）对准。６或者２、５点］

（）调整两端拉索索力，经多次微调，使两端拼３

温度变化对合龙口的影响，尽量选择温度较为稳定的时间段施工；纵向平面内由于转角数量级很小，在

８］

。根据敏施工中可通过索力张拉和压重进行微调［

感性分析，可以有针对性地采取相应的合龙技术处理措施。

４　主跨合龙技术方案

４．１　主要合龙技术措施

（）温度变１２４ｈ连续监测。敏感性分析表明，化对合龙口位移改变较为明显（尤其是纵向位移会。为了掌握１ｄ内合龙口长度变影响合龙口长度）

化量与温度的关系，需进行２４ｈ连续监测。监测位置主要包括钢梁顶部和底部几个主要布置高强螺栓、的位置（见图３）主梁悬臂端小纵梁等。监测内容包括合龙口纵向位移、合龙口两端高程、主梁横向偏／）、位、索力及塔梁应力等。观测频率以夜晚高（２次ｈ白昼低（为宜。实际监测结果表明，主梁顶１次／ｈ）底板合龙端口间距、梁段轴线偏差与顶底板温度变化同步，合龙口２０：００到次日８：００温度缓慢降低，间距逐渐变大，有利于主跨合龙安装，而晚上零点左右的温度在一天之内最为稳定，对结构的变位影响

６，９，１０］

。由最小，因此合龙时间以晚上零点左右为宜［

合龙时要选取风速较小的于该桥合龙前悬臂较大，时段，尽量避免风对合龙的影响。

图３　钢梁监测点位置示意

图４　调整措施加载布置示意

５８

接缝高程和转角一致，然后拼装边塔一侧合龙段钢梁，预留最后合龙拼接缝，等待最后合龙。

（换以千斤顶，等待４）拆除边塔处纵向约束，顶推。

（）零点到时，利用千斤顶纵向顶推钢梁，合龙５

口和顶推点同步观测，待合龙缝对接成功后，开始安然后安装腹板拼接板。装钢梁顶底部拼接板，

（）陆续安装合龙口横梁、桥面板，浇筑桥面板６湿接缝，合龙工作完成。５　结　语

斜拉桥是高次超静定结构，其合龙段施工的质量对其内力和线形影响很大，而主跨的最终合龙方案与合龙环境、时机及施工工艺都密切相关。通过提出合理的施工方案，施工时可根合龙敏感性分析，

据具体的环境、临时荷载等因素对合龙口进行相应的调整，优化施工顺序，细化各工序的时间、工艺，以使合龙后全桥的受力和线形在合理的范围内。参　考　文　献：

［］秦顺全．桥梁施工控制———无应力状态法理论与实践１

（）世界桥梁　　２０１２，４０４

［北京：人民交通出版社，Ｍ］．２００７．

［］秦顺全．斜拉桥安装无应力状态控制法［］２Ｊ．桥梁建设，

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］（）：制技术［Ｊ．现代交通技术，２００６，６４２－４５．

（编辑：穆卓辉）

ＴｅｃｈｎｉｃａｌＡｎａｌｓｉｓｆｏｒＭａｉｎＳａｎＣｌｏｓｕｒｅｏｆＴｈｒｅｅＰｌｏｎ　　　　　　　－ｙｐｙ

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