大跨度斜拉桥施工过程中大都经历悬臂法施工和体系转换, 在施工中为抵抗不平衡荷载, 防止主梁失稳或纵向、横向漂移, 漂浮体系的斜拉桥需要将塔梁进行临时约束。传统的斜拉桥临时约束方式为塔梁固结, 即约束桥塔中心线处主梁的位移和转角, 中跨合龙时进行约束体系的转换。塔梁临时固结的约束方式存在体系转换时主梁纵向不平衡弯矩得到释放, 结构线形和索力发生变化的风险。沌口长江公路大桥主桥为空间双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥, 根据国内已建成同类大跨度斜拉桥经验, 施工期塔梁采用临时铰接约束形式, 降低了体系转换时结构状态发生变化造成的施工和控制难度。

沌口长江公路大桥跨江主桥为五跨一联双塔双索面半漂浮体系钢箱梁斜拉桥, 跨径布置 (100+275+760+275+100) m, 全长1 510m。索塔为钻石形结构, 高233.7m。PK钢箱梁含风嘴顶板全宽46m, 不含风嘴顶板宽43.2m, 中心线处梁高4m, 共127个节段, 钢梁段标准长度为12m, 标准横梁间距3.0m。采用1 860MPa平行钢丝斜拉索, 全桥共240根。主桥桥型布置如图1所示。

沌口长江公路大桥跨江主桥钢箱梁除辅助墩、过渡墩顶梁段、塔区0～2号梁段采用支架施工, 其余节段均采用桥面吊机悬臂拼装, 最大起吊重约354t。中跨采用顶推辅助合龙。

沌口长江公路大桥跨江主桥施工过程中, 为便于对悬臂拼装状态的梁体进行约束以及基于中跨合龙的考虑, 在塔梁间分别设置了纵向、横向、竖向临时约束。

纵向约束布置在阻尼器安装的位置, 北塔边跨纵向约束兼顾作为后续的顶推合龙辅助措施;横向约束由横向抗风支座提供, 并在塔柱与钢箱梁塔区梁段边腹板间采用钢管限位;竖向约束由索塔处竖向支座提供, 并在下横梁与0号钢箱梁间竖向采用12根ϕ36精轧螺纹钢锚固连接, 以防止施工过程中竖向支座脱空, 同时还布置了8个钢支墩作为保险措施, 以确保极端情况下结构安全。

塔梁临时铰接总体布置如图2所示。

上部结构施工过程中, 塔梁临时铰接构造的受力随施工工况的恒载、临时荷载及环境因素的变化而发生改变, 其中环境因素包括静风荷载和温度荷载。

建立施工全过程分析模型, 确定塔梁竖向约束最不利受力工况, 考虑悬臂两端对称和非对称吊装, 叠加施工阶段设计重现期20年对应的静阵风荷载以及整体升温或降温15℃。经计算分析, 塔梁临时铰接竖向最大压力为10 951kN, 出现工况为对称起吊16号梁段, 且承受静风荷载和整体升温作用;最大拉力912kN, 出现工况为对称起吊11号梁段, 且承受静风荷载和整体降温作用。

索塔处竖向支座设计为球形支座, 单个支座设计竖向力12 500kN, 考虑竖向支座的承载力及施工便利性, 施工过程中塔梁临时铰接竖向压力由永久支座承担。为克服施工过程中塔梁处竖向拉力, 在下横梁与0号钢箱梁间设置12根ϕ36精轧螺纹钢, 单根精轧螺纹钢张拉力为150kN, 理论上共可提供1 800kN预紧力, 能够满足平衡上拔力及安全储备的需要。同时, 在支座两侧布置8个钢支墩作为保险措施, 支墩顶面与钢箱梁底面预留5cm间隙。正常施工过程中钢箱梁可绕竖向支座转动。

施工过程中中跨最大悬臂长度为377.7m, 通过对施工全过程进行分析, 以及考虑特殊工况下横向静风荷载及温度荷载, 横向最大受力为3 092kN。横向抗风支座的设计水平力为8 000kN, 采用横向抗风支座来承担施工期横向受力。

为在塔区梁段施工过程中充分进行横向限位, 并在悬臂架设过程中对钢箱梁轴线进行有效控制, 在塔柱与钢箱梁塔区梁段边腹板间设置ϕ800×8钢管限位, 单侧设置4个。

纵向约束通过在梁底和索塔横梁顶设联杆实现。考虑中跨合龙为北塔处单侧顶推合龙, 北塔塔梁纵向约束同时具备纵向顶推功能。南塔边、中跨纵向约束设置与北塔中跨类似。悬臂施工过程中索塔处钢箱梁纵向承受最大不平衡力4 079kN。

跨江主桥设计基准温度为15℃, 根据统计近3年武汉地区主桥合龙期大气最高平均温度为30℃, 最低平均温度为22 ℃, 预计合龙温度为22℃, 因此中跨合龙施工时, 环境温度高于设计基准温度。当环境温度高于设计基准温度时, 在温度作用下, 合龙口宽度将小于合龙段吊装的空间需求, 需通过梁体的纵向顶推调整合龙口宽度。

合龙段起吊需要的操作间隙按50mm控制, 喂梁时选择在阴天或者白天下午钢箱梁顶、底板平均温度在30℃ (避免喂梁后经历最高温) , 合龙口宽度减小约150mm。为满足顶推施工的要求, 顶推装置的顶推量按20cm设计。

根据全桥分析结果, 北塔中、边跨斜拉索的水平不平衡力为2 810kN, 方向指向江侧, 支座摩阻力为510kN。北主桥向岸侧顶推20cm所需顶推力为 5 720kN。单侧纵向顶推装置的顶推力按6 000kN设计, 单个纵向顶推装置的顶推力按3 000kN设计。

北塔纵向约束结构由钢箱梁阻尼纵向约束底座、纵向约束支撑杆、撑脚、牛腿等部分组成。钢箱梁阻尼纵向约束底座用于阻尼器安装, 为永久性结构, 各项受力性能均满足塔梁纵向约束要求。纵向约束支撑杆采用ϕ426×16无缝钢管, 撑脚及牛腿为钢板焊接件。

根据有限元分析, 在纵向力作用下, 撑杆最大应力为146.1MPa, 撑杆连接件耳板最大应力为96.2MPa, 强度满足要求。弯矩作用平面内撑杆应力为164.9MPa, 稳定性满足要求。在纵向应力作用下, 撑脚的最大应力为62.9MPa, 牛腿的最大应力为114.2MPa, 强度满足要求。焊缝最大应力83.4MPa。纵向约束和顶推结构满足施工过程及中跨顶推辅助合龙施工需求。

塔梁临时铰接与固结的最大区别在于主梁纵向绕塔横向的不平衡弯矩得到释放。

沌口长江公路大桥主桥中跨合龙时间在6月上旬, 温度与设计基准温度15℃相差较大, 为减少温度对结构状态的影响, 同时方便施工, 选择顶推辅助合龙作为本桥的中跨合龙实施方案。根据实测温度、合龙口间距确定基准温度下合龙段长度, 由南岸桥面吊机单侧起吊合龙段, 北岸侧塔梁纵向临时约束兼顾作为纵向顶推装置单侧顶推北主桥进行合龙。采用顶推辅助合龙可修正悬臂梁长误差, 确保主梁基准温度下无应力总长度不变, 对成桥结构内力与线形影响小。中跨合龙施工流程如图3所示。

南侧中跨桥面吊机起吊合龙段时, 根据合龙口实测间距, 北侧主桥需往边跨侧顶推。顶推前释放北塔竖向精轧螺纹钢预紧力, 此时竖向支座处于受压状态, 同时解除横向钢管限位, 确保顶推过程中钢箱梁能自由滑动。

合龙段两侧焊缝及U肋拼接板栓接完成, 解除南岸竖向精轧螺纹钢预紧力和横向钢管限位, 全桥支撑反力由永久支座承担。

钢箱梁双悬臂施工过程中, 纵向约束的撑脚内布置支撑钢管, 主要作用是限制梁体的纵向位移。由于顶推前纵向不平衡力指向江侧, 北主桥向岸侧整体顶推前, 需取出江侧约束撑脚和牛腿间的支撑钢管和钢垫板, 预留30cm以上的自由空间。中跨合龙施工时将北塔岸侧纵向约束撑脚内的支撑钢管拆除后安装500t液压穿心千斤顶即转换为纵向顶推装置。

梁段整体移动采用分级顶推的方法, 即每次千斤顶顶推量约20mm, 每顶推20mm进行一次支垫, 多级顶推到位。合龙段喂梁完成后缓慢释放北塔岸侧纵向顶推力, 使北主桥整体往江侧回移, 满足合龙段匹配要求。待中跨合龙梁段精匹配及打码完成后, 立即解除北塔纵向顶推装置和江侧塔梁纵向约束结构, 江、岸侧各预留30cm以上的自由空间。确保温度作用下结构能沿北塔支座纵向滑移。

合龙段环缝焊接完成后, 由于南岸岸侧塔梁纵向约束承受向江侧2 810kN不平衡荷载, 为保证南岸塔梁纵向临时约束结构拆除时安全, 选择在气温恒定时, 按先江侧后岸侧的顺序解除南塔纵向临时约束。

采用塔梁临时铰接构造, 施工过程中存在主梁绕塔横向的转动位移, 悬臂状态下结构受不对称荷载和临时荷载的影响时响应较为敏感。需对塔区梁段转角、支撑杆应力、塔区梁段轴线进行监测。

为确保施工过程中结构抗倾覆稳定性安全, 并对边、中跨竖向不平衡力进行分析, 施工过程中在0号节段钢箱梁顶面上、下游各布置1台高精度倾角传感器, 在梁段起吊、斜拉索张拉过程中采集塔区梁段转角位移, 进行结构状态分析和参数识别。

纵向支撑杆结构长细比较大, 支撑杆安装时在中间截面顶、底部各布置1个应力传感器, 悬臂施工关键工况、中跨合龙顶推过程 中进行应力采集和纵向不平衡力、支撑杆内力分析。

施工过程中横向不平衡力虽由抗风支座和塔柱与钢箱梁间设置的限位钢管承担, 当塔梁临时铰接构造体系发生主梁绕塔横向轴的转动时, 横向约束与主梁间易产生松动或间隙, 从而导致主梁发生横向位移或绕竖向轴的转动, 当横向位移或转动放射至悬臂前端时, 容易导致悬臂前端出现较大的轴线偏差。

沌口长江公路大桥主桥施工期采用塔梁临时铰接构造, 竖向、横向及纵向临时约束满足结构施工期受力安全及中跨顶推辅助合龙需要, 降低体系转换时结构状态发生变化造成的施工和控制难度。