摘要：武汉天兴洲公铁两用长江大桥是世界首次采用三主桁、三索面的钢桁梁斜拉桥新结构，针对中跨合龙点多、三面斜拉索索力与主桁结构的内力变形间的影响关系复杂、合龙点多方向变形控制精度要求高、结构受力与变形呈现出复杂的空间效应的特点进行深入研究，制定出钢梁合龙多点同步合龙、合龙口多方向变形主动控制和空间结构的无应力状态法控制技术方案措施，成功实现了天兴洲大桥中跨的精确、快速合龙。
关键词：三索面；三主桁；钢桁梁；斜拉桥；中跨合龙；桥梁施工
Abstract: wuhan tianxingzhou changjiang river rail-cum-road bridge is the world"s first adopted SanZhu truss, three cable steel truss girders cable-stayed bridge of the new structure, targeted at the cross point, three side more than two cables with the main truss structure cable force of the internal force redistribution of the deformation of the complex relationship between effect, two o "clock direction control accuracy requirement is high, the deformation structure stress and deformation present a complex space effect on the characteristics of thorough research, work out the steel beam closure multi-point synchronous final closure closure, more active control and direction of the deformation of the space structure of no stress state method control technology project measure, the successful realization of tianxingzhou bridge across the precise, fast in the closure.
Keywords: three cable plane; SanZhu truss; Steel truss girders; Cable-stayed bridge; Across the closure of; Bridge construction
中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
武汉天兴洲公铁两用长江大桥（以下简称“天兴洲大桥”）正桥设计为98m+196m+504m+196m+98m=1092m双塔双层五跨连续钢桁梁斜拉桥（图１），上层为双向六车道公路、下层为四线铁路，主梁结构创新设计了三索面、三主桁斜拉桥新结构，主桁为“N”形桁架，桁宽30m、桁高15.2m（图2），节间长度14m。斜拉桥三个索面分别锚于三片主桁的上弦，单塔共设16对96根斜拉索。公路桥面板系在两个边跨梁端各168m范围内设计为混凝土结合板外，中间756m长范围内设计为钢正交异性结合板结构；铁路桥面系采用纵、横梁体系。每个主塔及桥墩处三片主桁下均设有竖向刚性支座，纵向为活动，在两主塔处主塔横梁与三片主桁之间设纵向液压阻尼支座。[1-3]
图1天兴洲大桥主桥结构总布置图
图2 天兴洲大桥钢梁断面图
2 主要研究内容、方法及目标
在天兴洲大桥中跨合龙的关键工序中，三索面、三主桁斜拉桥新结构较传统的双索面斜拉桥、双主桁桥梁而言具有合龙点多（6个合龙点、9根主桁合龙杆件）、三面斜拉索索力与主桁结构的内力变形间的影响关系复杂、合龙点多向变形控制精度要求高的特点，结构受力与变形呈现出复杂的空间效应，这使得传统的合龙技术已不能完全解决新结构工程在实施阶段所遇到的技术难题。
2.1主要研究内容
⑴、研究结构合理的中跨合龙状态，确定中跨合龙的合理工况。
⑵、结合本桥构造上的特点，研究可用于中跨合龙时的各项调整措施及各项调整措施之间的相互影响。
⑶、研究由于已安装斜拉索的索力引起的主梁中、边桁上弦杆、下弦杆压缩量对中跨合龙影响，并研究对该项影响的有效调整措施。
⑷、研究由于制造偏差和索力张拉偏差、合龙时合龙口两端结构不对称、温度变化等引起的主梁合龙口高差及转角偏差、合龙口上下游高差、主梁轴线偏差的平差调整措施，并分析实施调整措施对结构受力和变形影响。
⑸、研究主梁合龙前最优的斜拉索调索方案，从而达到快速调整结构合龙状态的目的。
⑹、研究并优化合龙杆件的安装顺序，以确保在温度变化较小的时段内完成钢梁合龙以及不能一次性合龙对主桥结构、合龙杆件安全性问题与应对措施。
2.2主要研究方法
⑴、建立斜拉桥的三维空间计算模型，应用3Dbridge桥梁空间分析软件对各种工况及调整措施进行仿真计算分析。
⑵、以施工监控过程中积累的监控数据为参考，对合龙工况的选定及合龙状态调整措施进行效果分析。
⑶、合龙前对主要调整措施进行现场调整试验，验证其调整效果。
2.3主要研究目标
⑴、确保结构合龙期间所实施的各种调整措施，在最不利的工况条件下结构受力及变形都处于安全可靠状态。
⑵、在本桥可实施的各种调控措施中找出操作最简单、实施效果最优的调控措施。
⑶、通过简单有效的调控措施，达到三主桁三索面斜拉桥合龙口的上下弦杆
和斜杆的9根杆件6个合龙点快速、精确的同步合龙。
3 研究过程及实施效果
3.1 总体施工方案
根据工期及现场施工地形条件，天兴洲大桥钢梁架设采用整节段架设与散拼架设相结合的方案，在中跨侧以整节段架设为主，在主塔墩顶和边跨侧整节段架设比较困难的江滩，则采用散拼的方式。根据斜拉桥对称拼装特点，先分别以两个主塔为独立单元，向主塔两侧对称进行悬拼钢梁架设并张拉相应的斜拉索，最后在主跨跨中进行中跨合龙。[1-3]
图3中跨合龙示意图
3.2 中跨合龙前施工工况
根据两个塔钢梁架设施工进度，制定合龙前施工工况如下（见图4）
3.2.12号主塔中跨合龙前施工工况
2号塔边跨整节段钢梁E1～E2节间拼装完成，同步进行悬臂散拼E0～E1节间钢梁；汉口岸边跨700t架梁吊机位于E2～E3节间前端，公路桥面预制砼板铺设至E4～E5节间；2号塔中跨整节段钢梁E38～E39节间拼装完成，中跨700t架梁吊机拆除；2号塔两侧15号斜拉索对称张拉完成；考虑到昼夜温差影响，将钢梁整体向汉口岸边跨侧纵移150mm，来满足温度伸缩及杆件安装间隙。将合龙段主桁杆件拼装在E39节点端。
3.2.23号主塔中跨合龙前施工工况
3号塔边跨散拼钢梁和公路桥面预制砼板全部拼装完成，5号墩处落梁85cm(为公路结合板湿接缝施工准备)；3号塔中跨整节段钢梁E37’～E38’节间拼装完成，中跨700t架梁吊机拆除；3号塔两侧15号斜拉索对称张拉完成；考虑到昼夜温差影响，将钢梁整体向武昌岸边跨侧纵移150mm，来满足温度伸缩及杆件安装间隙。
图4中跨合龙前工况图
3.3 中跨合龙的难点
（1）钢桁梁刚度很大。天兴洲大桥钢梁主桁弦杆和部分斜杆采用箱形截面，断面尺寸均较大，且由于采用3片主桁，钢正交异性公路桥面板与钢梁主桁焊接共同受力，主梁整体刚度大，结构中跨合龙时其合龙口变形调整困难。
（2）合龙点多。3片主桁，钢桁梁合龙点多达9处，即6根弦杆3根斜杆，要求9点均能准确对位，空间形状无误，施工控制难度很大。
（3）合龙点空间坐标的变化因素多。顺桥x方向钢梁长度的偏差，受温度、钢梁制造与安装偏差及索力的影响。铅垂y方向的偏差，受安装荷载、日照、及索力偏差的影响，钢梁中线上下游z方向的偏差，受日照、索力及钢梁安装顺序，起吊荷载的影响，调整时x、y方向相互制约，合龙点的位置较难控制。
（4）中跨合龙时需张拉15对斜拉索，计算模型为多次超静定非线性结构，计算过程复杂。
（5）钢梁主桁合龙杆件均为箱形截面，内拼接重量达1吨多，必须全部靠人工在箱内就位；合龙处高栓数量达10000套之多。故9根合龙杆件的拼装不可能像传统桥梁一样在高温时段的几个小时的时间内完成拼装，而在低温时段进行合龙工作。
（6）九月份昼夜温差较大，白天35℃晚上19℃，而钢梁设计温度为16.8℃。因合龙前钢梁处于大悬臂状态，温差的变化对合龙口的挠度、钢梁长度以及转角的影响大。
（7）合龙精度要求高。为了使桥梁结构达到设计要求的线型匀顺、受力合理，要求实现精确合龙。因此确定所有的合龙杆件按设计图预先在工厂成孔，钉孔仍为φ33 mm，安装如同其他杆件一样，工地使用φ32.85 mm的冲钉打入，施工过程中不允许扩孔。
（8）中跨合龙调整前，2#塔向中跨悬拼了18个节间，3#塔向中跨悬拼了17个节间，因钢梁的制造误差和安装误差积累使得钢梁合龙口处偏差较大。轴线偏位：合龙点处2#塔侧钢梁向上游偏19mm、3#塔侧钢梁向下游偏32mm；钢梁扭转上下游高差：合龙点处2#塔侧钢梁下游比上游高45mm、3#塔侧钢梁上游比下游高36mm。
3.4 中跨合龙理论计算
3.4.1合龙前合龙口处变形理论计算
按照中跨合龙前的施工工况，以及临时荷载的布置情况，利用3Dbridge桥梁空间分析软件分别对2#塔和3#塔的钢梁建立空间模型，按照斜拉桥的正装作施工阶段理论分析。见表1。
表1 中跨合龙前合龙口处变形理论计算值
根据表1可以看出，上弦杆的压缩量为70mm，下弦杆的压缩量为54mm。在合龙前通过对合龙口距离进行测量，结果表明钢梁合龙口测量结果和理论计算结果基本一致，故只需调整少量几根索即可满足合龙要求。
3.4.2 合龙过程中温度变化对合龙杆件的影响
为保证结构安全合龙，按极端情况考虑合龙时可能出现的两种情况：一考虑只合龙了一根中桁的下弦时，合龙杆件承受的温度力；二考虑只合龙了两根边桁的下弦时，合龙杆件承受的温度力。
只合龙中桁下弦工况：在只合龙中桁下弦杆件的情况下，考虑三种温度效应对其合龙杆件应力影响，计算结果分别见表2。
表2 温度变化对中桁下弦合龙杆件应力影响（单位：Mpa）
只合龙边桁的两个下弦工况：因下弦中货运及客运侧结构基本对称，故仅给出温度变化对一侧下弦边桁合龙杆件的应力影响单项值，计算结果分别见表3。
表3温度变化对边桁下弦合龙杆件应力影响（单位：Mpa）
分析结果可以看出，即使是按单根杆件依次按序合龙，在这一最不利工况下温度对结构的影响亦在安全可靠范围内。
3.5 中跨钢梁合龙调整措施
3.5.1 针对合龙口纵向距离X的调整
温度变化会使钢桁梁杆件产生伸缩变形，同时合龙杆件的安装也需要安装间隙，天兴洲大桥的主塔和钢梁之间采用纵向活动的刚性铰轴支座连接，因此合龙前可通过布置在两主塔横梁与三片主桁纵向液压阻尼支座处的纵向千斤顶，使钢梁整体纵向移动（见图5）。经计算每片桁100t的顶推力，可使钢梁整体向边跨移动70mm。
为满足9根合龙杆件安装期间（需要经历5天）昼夜温差变化的伸缩空间以及安装杆件的活动空间，所以合龙杆件安装前需要将2#塔和3#塔钢梁分别向边跨侧顶推150mm，并利用千斤顶保险箍将其锁定，预留出300mm距离来确保的温度伸缩值和杆件安装间隙。中跨合龙时，先通过打开千斤顶保险箍，缓慢回油来使钢梁整体向跨中移动，若全部回油还未移动到位时，通过反向加顶的方法解决。
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图5 钢梁整体纵向移动装置布置图
3.5.2 针对标高y和转角θ的调整
研究以下四种不同的调整措施对合龙口变化的敏感性：①在合龙口端部每桁压重100 t；②主跨前端每根15号索(MC15)索力增加100 t；③边跨每根前端15号索(SC15)索力增加100 t；④1#、4#辅助墩起顶10mm。见表3。
表4 中跨合龙调整措施效果
从表4可知，压重对合龙点处挠度和转角的变形比较敏感。将斜拉索张拉顶保留在15#索的位置，在调整量不大的情况下，也可通过调整15#斜拉索索力来适应合龙点处挠度和转角。
3.5.3 针对合龙口处钢梁横向扭转的调整
钢梁横向扭转的调整手段有两种：一是通过放、张上下游两侧的斜拉索索力，若上游斜拉索张拉100t、同时下游侧的放松100t，可使上游抬高8.4mm、下游下落8.4mm。二是通过在上下游斜杆处布置顶拉装置或在桥面上压偏载，若上游侧施加100t的推力、同时下游侧的施加100t的拉力，可使上游下落19mm、下游抬高19mm。
3.5.4 针对合龙口处轴线偏位Z方向的调整
通过计算10t的横向水平力，可使桥轴线方向偏移11mm，可见横向调整容易。
3.6 中跨合龙具体施工步骤
3.6.1 中跨合龙前准备
（1）按照监控计算及监控测量分析结果，2#塔和3#塔侧可分别同步进行钢梁节段安装、斜拉索安装、700t架梁吊机拆除及斜拉索调整工作，使其达到预定的合龙工况要求。
（2）合龙前将3号塔和2号塔的钢梁分别向边跨侧顶推150mm锁定；在纵移前后的晚上进行监控测量，记录好纵移前后的合龙口标高的变化情况。
（3）利用浮吊安装合龙段的9根主桁杆件（下弦杆、斜杆及上弦杆），安装时将杆件与AE39节点端相连，预留AE38’节点端为合龙口。
（4）通过调整13#、14#、15#斜拉索的索力来调整钢梁的横向扭转在5mm范围内，标高在3mm范围内。每次调整完成，在晚上进行监控测量，经过两个反复后，通过测量结果分析表明，合龙口两侧偏差在可控范围内。
（5）在合龙口两侧E39和E38’节点处对角线方向安装钢绞线，通过张拉钢绞线调整钢梁轴线偏位Z方向的偏差；
（6）考虑钢梁合龙工序中合龙口线形调整的需要，需对主跨钢梁合龙口线型（合龙口两侧的顺桥向间距，两端桁间距、节点处公路与铁路面标高及轴线）及主塔偏位、温度场进行24小时监测，监测时间间隔为2小时，监测数据及时通过电话报监控组。
（7）在合龙前的斜拉索调整工序及24小时监测完成后，其他各项调整措施准备就绪情况下，可进入钢梁中跨合龙工序。
3.6.2 进入中跨合龙程序
钢梁中跨合龙在结构上采用长圆孔加圆孔合龙铰的措施，通过钢梁整体纵移主动合龙。按先合龙下弦和上弦、再合龙斜杆，最后安装下平联、纵梁、正交异性板的顺序依次进行。
（1）等到晚上10点温度相对恒定后测量合龙口纵向距离差为225mm。先将2#塔侧的钢梁整体向中跨侧移动120mm，移动的同时维持钢梁轴线偏位Z方向调整钢绞线的张拉力。
（2）到晚上11：00开始进行正式合龙，将3#塔侧的钢梁整体向中跨侧移动来调整x方向位置，移动的同时维持钢梁轴线偏位Z方向调整钢绞线的张拉力。试图将下弦杆腹板逐一在长圆孔内穿入ø200 mm锥行销栓，使y方向受到约束。
（3） 在钢梁纵向缓慢移动过程中，将下弦杆和上弦杆6根杆件（12个腹板）均在长圆孔内穿入ø200 mm锥行销栓后，再继续通过3号墩纵向水平顶来调整x方向位置,使其合龙处两侧圆孔重合时。
（4）在上下弦杆12块腹板圆孔内均打入ø200 mm锥形销栓后，12块腹板同时利用尖冲钉在拼接板板面上打4～8个定位冲钉，同时并安装4～8个工作螺栓将其拼接板夹紧，然后再按照梅花形布置打上70%的冲钉，实现高精度合龙，再将圆孔铰轴拔出。
（5）在太阳出来前，解除两主塔处钢梁临时纵向约束，使钢梁能随温度变化自由伸缩。
（6）上下弦杆合龙后，第2天开始进行斜杆的合龙，通过在斜杆处安装顶拉设施稍微调整后，螺栓孔眼重合非常好。
4主桥实际线形与理论线形对比
下面分别给出铁路面轨道整理完成后，主梁线形实际状态与理论状态的对比情况。
图6 成桥状态测量主梁上弦实测标高与理论标高对比图
图7 成桥状态测量主梁下弦实测标高与理论标高对比图
由图6、图7可见，上、下弦主梁实际线型与理论线型基本一致，主跨高差均在50mm以内，表明天兴洲大桥中跨合龙情况良好。
5 结论
通过对三索面索力调整、主梁多方向顶拉、压重及结构温度变化等各种因素对合龙口线形的综合影响分析，研究制定了索力调整、多方向顶拉等多点同步合龙技术方案；结合本桥构造上的特点，通过采取主动的纵向顶推钢梁措施、设置合龙口杆件多向顶拉装置、调整斜拉索长度措施等多种手段同步实施，研究制定了合龙口间隙、轴线、标高、转角等多向变形主动控制技术；利用大桥设计院自主研发的基于无应力状态法编制的桥梁空间分析软件（3Dbridge），通过对三索面的索长度精确调整实现了三索面、三主桁斜拉桥中跨的顺利合龙，使得无应力状态控制法在空间结构中得以成功推广应用。武汉天兴洲公铁两用长江大桥高精确、快速合龙目标的成功实现，丰富了我国的建桥技术，并将对今后多索面、多主桁斜拉桥工程的发展起到一定的推动作用。
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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。