大跨度双层钢桁组合梁结构公路斜拉桥关键施工技术

1　工程设计和面临的施工挑战
　　1.1　总体布置
　　闵浦大桥主桥为双塔双索面斜拉桥，边跨设置四个桥墩，其跨度布置为4×63＋708＋4×63=1212m，浦东浦西对称布置。索塔为门式结构，上中下共两道横梁，总高约210m，桥面以上塔高160m；中跨主梁为正交异性结合钢桁梁，边跨采用桁架组合梁结构，腹杆采用钢结构，上、下层桥面采用混凝土内包劲钢骨架；斜拉索采用高强度平行钢丝拉索，呈空间扇形双索面布置。大桥上层为高速公路，设计行车速度为120km/h，设双向8车道，两侧设置紧急停车带；下层为城市地方道路，设计车速为60km/h，设双向6车道。


　　1.2　桥梁结构概况
　　（1）边跨主梁
　　边跨采用桁架组合梁结构，N形桁架，倒梯形截面。桁高9m，主桁宽27.0m，上层桥面外边弦间中心距41.5m，节间长度10.5m。腹杆采用钢结构，上、下层桥面采用混凝土内包劲性钢骨架。边跨采用桁式腹杆组合梁，自重大可减小边跨长度，受力性能好，建筑风格与主跨钢桁梁相同。


　　（2）中跨主梁
　　中跨主梁采用全钢全焊接桁梁组合结构，正交异性桥面板与桁架组合为一整体，钢桥面板与主桁共同参与总体受力。主桁为N形，桁高9m，节间长15.1m，主桁间距27m，上层结构宽43.6m，下层结构宽28m。


　　（3）斜拉索采用高强度平行钢丝外挤包高密度聚乙烯形式,全桥共8×22对。斜拉索最长366m，单根索钢丝净重为50t。斜拉索采用成品斜拉索，索表面设有双螺旋线，以减小风雨致振动的可能。
　　（4）主塔采用直柱式H形塔，自承台面起塔高为210m，桥面以上塔高160m；塔柱为钢筋混凝土结构，分为承台与下横梁间的下塔柱、上下横梁之间的中塔柱和上横梁以上部分的上塔柱，上下横梁的顶标高分别为+167m、+42.5m。
　　（5）主塔下部结构采用Ф900钢管桩基础，钢管桩壁厚16mm～22mm不等。根据地质条件和试桩结果，桩基设计有所不同，浦东以7②层为持力层，钢管桩数量为385根，浦西桩基桩以9①层为持力层，钢管桩数量为345根。主塔承台平面呈哑铃形，其中浦东主塔承台尺寸为86.8m×44m×7m，承台混凝土总方量约2.4万m3。浦西主塔承台尺寸81.4m×44m×7m，承台高度为7.0m，承台混凝土总方量约2.2万m3。
　　1.3　主桥施工面临的困难与挑战
　　闵浦主桥不仅工程规模是世界同类型桥梁中最大的，而且在结构设计上有许多创新点，施工工序繁多、难度较大，所以要实现工期有较大压缩的情况下按期竣工，除了合理的施工组织，施工技术方案的创新是主桥施工的重点之一。
　　（1）工程规模大
　　闵浦大桥是上海市首座双层公路斜拉桥，一跨跨越黄浦江，工程规模大，主要体现在以下几个方面：在双层斜拉桥中，主跨708m的闵浦大桥为世界第一；包括紧急停车带，闵浦大桥上下层桥面共设置16根车道；桥梁结构上承台单体体量大，边跨桥面梁纵横向体量大，单位重量达65.5t/m，结构高度高，中跨桥面安装重量达到23000余吨，最重的节段达740吨。
　　（2）结构特点
　　边跨加劲梁采用桁式腹杆组合梁体系、且上下弦杆以及节点外包混凝土，形成型钢—混凝土结构，其结构形式新颖，在世界上不多见，在国内外都是首次用于斜拉桥，具有很高的技术含量。中跨采用钢桁梁与正交异性板结合的组合结构形式，这种结构为国内大跨斜拉桥首次采用。其主桁空间受力特性、钢桁梁加工制造、节段安装等均有较高的技术含量。全桥钢结构采用全焊连接方式，在世界上同类型桥梁中尚属首次采用，对结构施工安装均带来了很大的挑战。
　　（3）施工工期紧
　　闵浦主桥是确保S32高速公路在2010年上海世博会前通车的控制节点。由于动拆迁及地质条件原因，以浦西桩基正式施工开始计，闵浦大桥主桥主体结构施工工期仅为30个月。
2　关键施工技术
　　2.1　浦西侧超长超厚承台大体积混凝土整体浇筑施工技术
　　闵浦大桥浦东承台采用分层分块浇筑，浇筑完下层混凝土后，拆除临时钢支撑。而浦西承台采用一次性整体浇筑，支撑无法在浇筑的过程中拆除，必须与承台混凝土浇筑在一起。因此浦西的围护、支撑形式也与浦东有一定区别。浦西承台基坑围护体设计保持浦东侧基坑围护设计不变，但由于支撑必须与承台混凝土浇筑在一起，因此钢支撑不再适用，在基坑竖向设计一道钢筋混凝土支撑（承台浇注时不拆撑，支撑与承台浇筑成整体）。通过混凝土材料性能、温控技术、现场配套施工工艺等三个方面进行研究，解决了超长、超厚桥梁承台大体积混凝土整体施工技术难题。


　　（1）混凝土配合比设计
　　利用混凝土60天后期强度以及使用高掺合料量可以大大降低混凝土的水泥用量，降低水化热，与此同时也应该看到，高掺合料量应用及水泥用量的降低在降低混凝土早期温度应力的同时也降低了混凝土的抗拉应力，关键在于高掺合料量的使用其温度应力下降的幅度是否大于抗拉应力。掺加掺合料后温度应力下降的幅度高于抗拉应力的下降，而且随着掺合料掺量的增加相对抗裂指数也相应增加，因此高掺合料的使用有利于混凝土抗裂指数的提高。实际混凝土的水泥用量仅140kg/m3，粉煤灰和矿粉总量达到210kg/m3；通过调节外加剂掺量及用水量，提高了混凝土早期强度，借此提高混凝土的早期抗拉强度，提高早期抗裂能力，防止裂缝的产生。近400组包括实验室试块及现场试块的混凝土强度数据表明60%高掺C30R60的混凝土强度发展曲线良好；同时满足不同运距下现场对混凝土工作性能的要求。
　　（2）大体积混凝土基础贯穿性裂缝，主要是由平均降温差和收缩差引起过大的温度收缩应力而造成的。混凝土因外约束引起的温度（包括收缩）应力。为控制内外温差，在承台内布置冷却水管。采用MIDAS/Civil软件分析浦西承台冷却水管布置方式、通水温度、通水时间、通水流量等对承台大体积混凝土温度场的影响。
　　（3）现场组织。浦西承台混凝土总量达到22000m3，考虑到交通方面以及夏天人员组织方面的要求，每个小时的混凝土平均供应量达到500m3/h以上。为了满足现场混凝土连续均衡的供应和计划混凝土浇捣量，配备200辆混凝土搅拌车，在现场布置8台汽车泵进行承台混凝土的浇筑，以使整个承台混凝土浇筑在46小时内完成。


　　（4）混凝土养护技术。大体积混凝土保温养护是大体积混凝土裂缝控制的关键。浦西承台采用内散外蓄综合养护法，即：（1）在承台内布置4层冷却水管，在混凝土浇筑完成后开始通入冷水以降低混凝土核心温度；（2）待混凝土初凝结束后，在混凝土表面覆盖两层薄膜和两层麻袋进行保温保湿养护；（3）根据温度监测情况，将部分冷却水管出水口的热水回灌到混凝土表面进行保温保湿。当混凝土内外温差超过25℃时，将冷却系统里的部分热水回灌到混凝土表面（注：保温薄膜下），借助热水增加混凝土表面温度，从而降低内外温差。当内外温差小于25℃时，冷却系统恢复正常运行。当混凝土内外温差在20℃以内时，保温养护系统停止运行。（5）温控结果。在混凝土内部布置温度传感器，共布置119个测温点。承台中部的A轴温度变化曲线如图。


　　2.2　边跨双层钢结构桁架梁与混凝土混合结构桥面施工
　　2.2.1钢结构桁架梁的制造与安装技术
　　边跨钢结构工程施工中，采用“地面拼装、整体提升、高空滑移”的施工工艺。钢桁架梁顺桥向共26个节点（节点号为0#～25#），25个节间，水平投影全长262.9米。以辅助墩及靠近主塔处的临时墩为支点布置提升系统，整个边跨钢结构分五次提升，相应划分为五个提升段，四个嵌补段。
　　（1）工厂制造
　　边跨的制作分为四大阶段：杆件制造阶段、单元合件组装阶段、节段总成及预拼装阶段、工地连接阶段。其总的制作流程为：杆件制造→单元合件组装→多节段连续匹配预拼装→杆件及单元合件涂装→杆件及单元合件运输→现场拼装→整体吊装。工厂节段制作由原来节段的双节点的开口结构加辅助型钢固定改为三节点结构，这样结构较为完整,运输不易变形，且节约了临时材料。调整后的单元节段最大构件长24m，宽7.5m，高11m，重量约170t不等，工厂节段制作后运输到现场。
　　（2）单元节段的姿态调整与地面总装
　　边跨钢结构三角单元构件工厂预拼装时，为上下弦杆着地、边弦在上呈卧倒状态，而现场拼装时为下弦杆着地，上中弦以及边弦杆在同一水平面的状态，需要将构件翻转90度。桥位地面拼装是通过临时及嵌补杆件余量制作，现场在主体结构在准确定位后再精确切割焊接，大大提高了拼装精度，地面焊接条件也比高空好，焊接质量更容易保证。同时，也减少工厂整体拼装和解除复位的工作量。


　　（3）整体构件提升边跨钢桁梁各跨节段最大重量约为1000t，采用两端上下游共4个简易提升架，各布设2台提升千斤顶，共8个吊点8台LSD200千斤顶提升。所有千斤顶通过钢绞线与钢桁梁主结构上提升牛腿相联接，由一台计算机主控台控液压泵站，驱动千斤顶同步提升、下降到设计位置。
　　（4）单跨整体提升和高空整体滑移相结合。按设计边跨桁架的节点应在边辅墩的支座上，而图为了满足单跨整体提升时结构的完整和受力要求，地面拼装和提升时先将钢桁梁纵向移位半个节间，在将几个提升节段连成整体后再高空纵向滑移到位。滑移时，仅在边辅墩顶处设置滑移轨道，滑移轨道在设置墩顶提升架时一并考虑。按滑移节段的重量、滑移距离和方向不同，分别采用大行程油缸顶推和钢绞线连续牵引两种不同的滑移工艺。


　　2.2.2纤维混凝土施工技术
　　（1）结构概况闵浦大桥主桥边跨主梁采用双层预应力混凝土板梁结构与钢桁架结合的组合结构，边跨主梁上、下桥面板均为混凝土面板，厚0.26m，每5.5m设一道横隔梁。上层桥面中间混凝土弦杆高度2.13m，边弦杆高度1.985m，下层桥面弦杆高度2.33m，在钢节点处，混凝土弦杆局部加高以包覆钢节点。混凝土弦杆宽度一般为1.6m，下层桥面弦杆在辅助墩顶区段附近局部加宽至2.3m，主塔墩顶区段局部加宽至2.5m。在钢结构全部施工完毕，开始边跨桥面混凝土施工。
　　混凝土结构分上、下层桥面混凝土结构和填芯混凝土结构，设计基于超长混凝土结构防裂的要求，外包混凝土为C50纤维混凝土，以提高混凝土结构的抗裂性，减少塑性收缩裂缝，提高混凝土延性、韧性和抗弯性，同时改善混凝土拌和物的工作性，减少泌水性。
　　纤维的掺入势必对高标号混凝土抗压强度、抗拉强度等自身力学性能有所影响；掺纤维的高标号混凝土的坍落度一般比同标号普通混凝土要损失5％左右，泌水性降低、粘聚性提高。坍落度降低现象是由纤维产生的特殊触变效果，会略微影响拌和物的静态流变现象。高标号纤维混凝土配合比设计是在经过小试、中试和实体模型试验后最终确定的。




　　（2）纤维混凝土施工
　　钢桁梁节点构造复杂，空间桁架节点处钢结构与钢筋、预应力等交织在一起，采用常规混凝土施工工艺难以使节点混凝土浇筑密实。边跨主梁单个横断面混凝土施工按顺序分：下节点→竖腹杆填充→上层中间板梁和主玄杆→上层两翼板和边玄杆→下桥面板梁5次浇筑，中间还穿插3次预应力张拉，混凝土施工步骤多、工艺复杂。单跨63米跨径的双层组合梁结构桥面在斜拉索张拉前，通过设置临时混凝土墩控制和调整跨中结构变形量并最终实现与拉索的荷载转换。
　　2.3　中跨双层钢桁架桥面梁的制作及安装闵浦大桥主跨跨径为708米，其中，钢结构桥面梁全长约682米。整个中跨钢梁由45根间距为15.1米的主横梁分成46个节间，由44对斜拉索锚固在对应主横梁与边弦杆形成的结点上。
　　2.3.1　双层钢桁架桥面梁制造工艺
　　（1）弦杆的制作
　　中跨杆件或单元分为H形、T形、一般箱形杆件、整体节点箱形杆件四大类杆件及正交异性板单元。在制作时先利用数控切割机对节点板、腹板、顶底板、隔板等进行下料及划线，经过辊板机赶平，确保板材平整后对腹板与节点板进行拼板。拼板时使用水准线对线组装，自动焊完成后经无损探伤合格，焊缝顺板长方向磨平。同时，对隔板进行数控下料并对四边铣边，确保相邻两边垂直度。弦杆组装在专用胎架上进行的。
　　本桥中跨杆件多为30～50mm的中厚板构成，为保证杆件的尺寸，焊接前需要预加一定的焊接收缩补偿量。通过前阶段边跨制作与测算找出了焊接收缩量。


　　（2）节段拼装
　　为了便于现场总拼，杆件制作完成后，在工厂拼成数个单元。其中，上下弦杆、斜腹杆、临时杆件为一主桁单元合件，下桥面板带纵梁、横梁分成3桥面单元合件，上桥面板同样分成5单元合件。主桁单元合件拼装时由立面改为平面拼装，使拼装变得更为容易。主桁单元合件在拼装焊接完成后切除杆件预留量，总拼时以此为基准对桥面板进行余量切除。桥面单元合件拼装时，使用倒装法，以桥面板放置在胎架上为基面，然后拼装纵梁、横梁。此方法便于测量，能保证桥面板与纵梁、横梁的相对位置，且把大量仰位焊改为平焊，极大的提高了焊接质量。
　　单元合件完成后，在总拼胎架上进行节段预拼装，拼装时为保证整体线形，一次5个节段以上同时进行，完成后留一个节段下一轮连续拼装。




　　2.3.2　双层钢桁架桥面梁安装技术
　　中跨钢桁梁节段由专业钢结构厂加工制作，并在工厂预拼装，验收合格后，由水路运输至施工现场，进行现场节段吊装并悬臂拼装。现场安装采用自行设计的专用桥面吊机进行节段整体吊装，节段间连接采用全焊接。中跨桥面梁安装工艺从选择与超重、超高、超宽桥面钢桁架节段梁相应的运输工具和方式着手，通过确定合理的装卸方案，控制运输过程中的节段梁的稳定和变形；其次是适应桁架梁大吨位、自行走的桥面吊机的设计，确定合理的吊装工艺；最后是双层钢桁架梁现场定位、对接、精调、焊接顺序及焊接变形的控制。
　　闵浦大桥中跨桥面梁的结构分结合段、标准段、合龙段，吊装工况均不相同。且除合龙段外，每个吊段的主横梁位置都位于节段前端，致使节段重心偏移吊段中心较多。另外，由于吊装作业面位于黄浦江上，对黄浦江航道有一定影响，因此，水上作业时需要对黄浦江面局部封航，整个吊装作业限制在了3～4个小时，这对提升速度有一定的要求。


　　由于桁架受力杆件及桥面板组成，桥面板较薄弱，吊装方案所有临时吊点及吊装设备的临时锚固及支撑点必须设置在主要受力杆件上。且斜拉索梁端锚固在节段边弦杆上，而吊机支锚点位于主弦杆上，在节段从挂索并张拉到提升设备松钩整个荷载转换的过程中，结构将产生反向变形，这对采用全焊接形式整个桥梁钢结构拼装是不利的，因此，吊机的设计必须尽量减轻其自身的重量。吊机还要满足不同节段桥面的吊装，而每个节段梁的安装工况差异较大。
　　中跨合龙段最终采用整体焊接合龙的施工方法，利用温度自然降温合龙。合龙段采用四台桥面吊机吊装至接近就位位置，待周围环境达到预计的合龙环境要求时，将节段提升就位并完成调整，之后迅速采用临时锁定装置锁定节段，安装码板，开始焊接施工。焊接首先完成上、下、边弦杆以及斜腹杆的焊接，再焊接纵梁、桥面及嵌补U肋，最终完成合龙施工。


3　结束语
　　跨径为708米的闵浦大桥是目前世界最大跨度的双层斜拉桥，经过四年又三个月的施工建设，大桥于2009年12月28日开通。在建设过程中，成功应用了承台大体积混凝土一次性整体浇捣、“分跨整体拼装、提升和整体高空滑移”、高标号纤维混凝土组合梁结构、全焊接正交异性桥面板结合桁架梁等新的设计理念和施工技术，其中主梁整体全焊接合龙工艺是特大跨径双层桁架组合梁结构斜拉桥合龙施工技术的创新，为闵浦大桥的顺利建设提供了保障。