温州瓯江北口大桥主桥钢桁梁施工技术研究*

潘桂林，杨建平，汪仁威

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040)

1 工程概况

温州瓯江北口大桥项目是甬台高速公路复线和温州市南金公路两大项目跨越瓯江的控制性工程。该桥为主跨800m的三塔四跨双层钢桁梁悬索桥，主缆跨径布置为(230+800+800+348)m=2 178m， 如图1所示[1]。主缆矢跨比为1/10，2根主缆横向中心距为41.8m，吊索顺桥向标准间距10m。

图1 温州瓯江北口大桥总体布置(单位：m)

瓯江北口大桥钢桁加劲梁(以下简称“钢桁梁”)上层桥面宽33m，下层桥面宽34.5m，设双层12车道(上、下层均为双向6车道)，为板桁组合式整体加劲梁，如图2所示。钢桁架高12.5m，横向2片主桁中心距36.2m，吊点设在下层横梁外挑处，标准节间长10m，南、北两岸梁端各2个节间长11.8m，全桥共208个节间[2]。节间长度布置为：北边跨为2×11.8m+19×10m，中跨为80×10m+80×10m，南边跨为25×10m+2×11.8m。

图2 钢桁梁标准断面(单位：cm)

2 重难点分析

结合本项目特点，该桥钢桁梁施工具有以下难点：①两中跨均存在约300m范围缆梁交汇段(主缆低于主梁顶标高)，常规缆载吊机方法无法吊装；②钢桁梁节段长、吊重大、数量大，标准节段(长20m)重约707t，最大吊重约796t，全桥共112个吊装节段；③北边跨乐清侧为陆地，南边跨瑞安侧为浅滩区，均无法通航，且中跨航运繁忙，封航难度大；④南、北边跨端部均存在2个无吊索吊装梁段，主梁顶高于主缆，常规方法无法吊装；⑤施工期控制流速2.36m/s，流速大，船舶抛锚定位难度大，且7—8月台风频发，施工安全风险大。

3 钢桁梁施工方法

3.1 现有架设方法

地锚式悬索桥加劲梁目前主流施工方法有缆载吊机法、缆索起重机法、桥面吊机法[3]。此外，还有一些桥采用了轨索移梁法、浮式起重机架设法、荡移顶推法、液压同步提升吊装法等[4-6]。针对瓯江北口大桥主梁梁段多、梁段超重的特点，调研缆载吊机法、缆索起重机法、浮式起重机架设法和液压同步提升法应用的可行性。

1)缆载吊机法 缆载吊机提升力大，可一次提升整个大节段加劲梁，施工效率高，且空中作业时间少，施工安全得到保证。目前国内外大跨径悬索桥加劲梁架设多采用缆载吊机法；对于钢桁梁，如国内主跨1 700m的杨泗港长江大桥、主跨 1 092m 的五峰山长江大桥均采用了900t缆载吊机等[7-8]；而对于钢箱梁，如主跨1 688m的南沙大桥、主跨 1 650m 的西堠门大桥等采用了400t缆载吊机。由于缆载吊机无法带重载行走，故缆载吊机法一般需在桥下满足通航条件的跨江、跨海大桥中使用。

2)缆索起重机法 缆索起重机法布置简单，可适用于各种地形条件，起吊力也较大，广泛应用于我国山区悬索桥建设。目前国内主跨660m的丽香铁路金沙江特大桥缆索起重机额定吊重达800t，随着龙江特大桥(主跨1 196m)、赤水河大桥(主跨 1 200m) 和华丽金沙江大桥(主跨1 386m)的建成通车，缆索起重机法跨径已突破千米级[9-10]。但缆索起重机法随着桥跨的增大经济性会降低，操作风险也增大。

3)浮式起重机架设法 浮式起重机架设法是指利用浮式起重机直接将驳船运来的梁段起吊安装的方法。浮式起重机起吊力大(可达4 000t)，施工效率高，质量有保障。由于浮式起重机定位抛锚占据航道时间较长，目前多用于悬索桥塔区梁段和合龙段梁段吊装，如明石海峡大桥、五峰山长江大桥、伊兹米特海湾桥等[11-12]。此外，浮式起重机架设法对施工管理和安装精度有较高要求，大吨位浮式起重机资源也较有限。

4)液压同步提升法 液压同步提升法是直接利用多台液压千斤顶配合钢绞线直接提升加劲梁的方法。该方法起吊力大、适用范围广、经济性好，按提升油缸布置位置又分为正提升和倒提升2种。但此法设备转运繁琐、安全风险大、工效一般。目前国内大连星海湾大桥(吊重600t)和秀山大桥部分梁段采用此方法。

3.2 钢桁梁施工方法

3.2.1缆梁交汇段施工

瓯江北口大桥两中跨跨中区域均存在约300m长的缆梁交汇段(16个吊装节段)，常规缆载吊机法无法吊装。下面分析对比缆索起重机法、浮式起重机架设法和液压同步提升法用于该区域吊装的可行性。

3.2.1.1缆索起重机法

缆索起重机方案总体布置以中塔为界，设左、右分离的2套缆索起重机系统，主索支点分别位于两岸主桥锚碇及桥塔横梁上，左套缆索系统跨径布置(225+800)m，右套缆索系统跨径布置(800+342)m， 2套系统跨中重载垂度设计矢跨比均为1/15，额定吊重800t。起重卷扬机选用16台15t单卷筒慢速卷扬机，牵引卷扬机选用16台25t双卷筒慢速卷扬机，均布置于锚碇前平台处。单侧缆索起重机系统由14根承重主索、1根牵引索(循环式布置)和2根起重索组成。缆索起重机系统绳索参数如表1所示。

表1 缆索起重机系统绳索参数

由于以中塔为界，缆索起重机左、右分离，且锚固在中塔横梁上，当不对称吊装时中塔所受不平衡力较大，因此，计算时荷载工况分为对称吊装工况与不对称吊装工况。对称吊装工况时，左、右2幅缆索起重机系统在中塔两侧同时对称吊装，计算工况以距中塔20m和每100m起吊进行计算。经计算，主索破断力安全系数最小为3.07≥3，满足要求，对应的应力验算也同样满足要求。

不对称吊装主要考虑表2中的4个特殊工况。经有限元建模分析，4个工况对应的塔顶偏位和桥塔应力计算结果显示：桥塔位移在工况2时最大，边塔9.3cm，中塔5.0cm，满足要求。桥塔应力最大为6.259MPa，最小为-0.974MPa，满足要求。

表2 不对称吊装工况

同样对牵引索与起重索进行验算，牵引索破断力安全系数4.24≥4，起重索破断力安全系数 5.36≥5， 满足要求。

总之，瓯江北口大桥跨中缆梁交汇段用缆索起重机法施工可行，同样跨中其余一般梁段采用该方法也可行。

3.2.1.2浮式起重机架设法

缆梁交汇段采用浮式起重机架设，由于主缆较高，考虑采用浮式起重机在两主缆间吊装和浮式起重机跨越主缆吊装2种方式。

1)浮式起重机在两主缆间吊装

浮式起重机进入两主缆间，横江方向抛锚定位进行吊装作业，钢桁梁节段长20m，初始安装时钢桁梁顶面距水面高度约84m，吊具高度取12m，因此，浮式起重机吊高需96m方可满足作业要求，如图 3所示。经调研，国内振浮6号(1 600t)和起重27号(1 600t) 等浮式起重机可满足要求。

图3 浮式起重机在两主缆间吊装(单位：m)

2)浮式起重机跨越主缆吊装

浮式起重机顺江于主缆外侧抛锚定位，起重臂跨过主缆，运梁船与浮式起重机呈一字形停靠定位，安装节段钢桁梁。根据计算，吊装缆梁交汇段最后一节段时最不利，要求浮式起重机起重臂在58°时，吊高≥113m。经查询4 000t级及以下浮式起重机主钩吊高不满足要求。

因两中跨梁段需对称吊装，若两中跨各布置1台浮式起重机，则浮式起重机在吊装首节段后需反复左右移运抛锚定位，以实现后续梁段的对称吊装，工效低。若单中跨同时布置2台浮式起重机，大范围占用航道，可行性较低，故瓯江北口大桥跨中缆梁交汇段采用浮式起重机位于两主缆间吊装可行，但可实施性差。

3.2.1.3液压同步提升法

瓯江北口大桥拟采用的液压同步提升设备由8台200t液压提升油缸、4台液压泵站、1台主控室、8套钢绞线收放装置、8个吊索锚头、8套临时索夹及若干8×31φ15.24钢绞线组成，如图4所示。该设备每套由8个提升单元组成，每个单元设备总质量≤20t， 采用改装的天车分开移位安装。该设备小巧，依靠临时索夹固定在主缆上，每套提升单元相对独立，可直接用于跨中缆梁交汇段提升。

图4 瓯江北口大桥液压同步提升设备示意

3.2.2中跨一般梁段施工

缆索起重机法不仅可用于跨中缆梁交汇段还可用于中跨一般梁段施工。缆载吊机和液压同步提升法也可行，但浮式起重机法由于存在顺江吊装吊高需求过高，以及横江站位抛锚、占用航道等问题，可吊梁段有限，可实施性不大。

3.2.3塔区梁段施工

瓯江北口大桥3个塔区均各有3个无吊索梁段，共9个吊装节段，最大吊重约531t。塔区梁段考虑采用提升设备竖直提升+水平荡移方式吊装至预先搭设的塔区存梁支架上，然后再滑移至设计位置，如图5所示。

图5 塔区梁段荡移示意

3.2.4边跨梁段施工

瓯江北口大桥北边跨乐清侧10个吊装节段，含2个端部无吊索梁段；南边跨瑞安侧13个吊装节段，同样也包含2个端部无吊索梁段，其中单个节段最大吊重约813t。边跨梁段若采用缆索起重机法施工，为满足吊装矢跨比需求，需在锚碇上布置一较高吊塔[13]，实施复杂，经济性较差，故边跨梁段仅考虑通过缆载吊机或液压提升设备吊装。

北边跨为陆地，不满足通航条件，梁段总体考虑从塔区靠中跨一侧荡移至边跨存梁滑移支架平台上，然后滑移到指定位置，通过设备吊装到位。端部无吊索梁段，由于主梁顶高于主缆，考虑采用液压同步提升设备+荡移法进行施工，如图6所示。

图6 北边跨梁段存放示意

南边跨为浅滩区，部分区域可通航。不满足通航条件区域，考虑搭设长支架，如图7所示，采用吊装设备在支架平台尽头将梁段提升一定高度，再用卷扬机牵拉一定距离，实现荡移作业。满足通航条件区域，运梁船到位后，梁段直接由设备提升安装即可。

图7 南边跨梁段存放示意

3.2.5合龙段施工

全桥共设置6个合龙口，每个塔柱处各2个合龙口，合龙口均设置在塔区第2节有吊索梁段，如图8所示。第1个有吊索梁段先与塔区无吊索梁段相连完成体系转换，然后再与第2个梁段相连，完全合龙。合龙顺序为先合龙中塔2个合龙口，然后合龙边跨跨中侧，最后合龙边跨侧。经计算，通过临时压重和卷扬机牵拉，可有效调整合龙口姿态，实现各位置顺利合龙。

图8 合龙口位置示意

4 施工方法综合比选

瓯江北口大桥按三塔四跨设计，加劲梁架设工艺复杂，单一架设方法无法完成全部梁段安装。通过分析，对比缆索起重机法+液压同步提升法、缆载吊机法+液压同步提升法、全桥液压同步提升法的优缺点，为该桥主梁架设方法选取提供参考。3种方法思路均为从两跨跨中向索塔推进，边跨同步从锚碇向索塔推进，在塔区进行合龙。

4.1 缆索起重机法+液压同步提升法

跨中区域由缆索起重机吊装，塔区和边跨梁段通过液压同步提升法吊装，具体步骤如下。

1)塔区梁段吊装 采用1套液压提升设备提前荡移到位，存在塔区支架上。

2)两边跨存梁 北边跨全部梁段先通过中跨侧1套液压提升设备荡移至滑移支架上，滑移至指定位置，该设备转运至BB3梁段位置，再将端部2个梁段提升滑移到位，完成北边跨梁段提前存放；南边跨NB1～NB8梁段先通过安装在NB9梁段位置的1套液压提升设备荡移至滑移支架上，然后该设备转运至NB3梁段位置，再将端部2梁段提升滑移到位，完成所有边跨梁段存梁。

3)一般梁段吊装 两跨中BZ20，NZ20梁段采用2套缆索起重机系统同步吊装，然后逐级依次左、右吊装相连梁段，梁段间临时铰接。两中跨需对称吊装，期间两中跨梁段数量差值≤1，工效为1d/段。经计算，边跨在中跨吊装时需匹配吊装相应梁段，采用2套液压同步提升设备吊装，北边跨依次吊装NB3～NB8，NB10梁段，然后吊装NB1～NB2梁段，南边跨依次吊装BB4～BB11，BB13梁段，然后吊装NB3，NB1，NB2梁段，并对边塔索鞍进行分次顶推，工效为3d/段。

4)合龙段吊装 采用缆索起重机系统吊装NZ38，BZ38梁段，完成中塔位置合龙，然后再采用该系统吊装NB2，BZ2梁段，完成边塔跨中侧合龙，最后采用液压提升设备吊装BB9，NB12梁段，完成边塔边跨侧合龙，工效为2d/合龙口。

4.2 缆载吊机法+液压同步提升法

跨中缆梁交汇区域由液压同步提升设备安装，跨中其余一般梁段由缆载吊机安装，塔区和边跨梁段采用液压同步提升法吊装，具体步骤如下。

1)塔区和两边跨存梁方式同缆索起重机法+液压同步提升法。

2)一般梁段吊装 两跨中BZ20，NZ20梁段采用2套液压同步提升设备同步吊装，然后再增加2套液压提升设备，以跨中对称吊装剩余缆梁交汇梁段，梁段间临时铰接，期间两中跨梁段数量差值≤1，工效为3d/段。跨中其余一般梁段BZ1～BI12， BZ29～BI39， NZ1～NZ12，NZ29～NZ39均采用4台缆载吊机进行吊装，工效为2d/段。同时经计算，边跨在中跨吊装时需匹配吊装相应梁段，采用2套液压同步提升设备吊装，吊装顺序同缆索起重机法+液压同步提升法。

3)合龙段吊装 采用缆载吊机系统吊装NZ38，BZ38梁段，完成中塔位置合龙，然后再采用该系统吊装NB2，BZ2梁段，完成边塔跨中侧合龙，最后采用液压提升设备吊装BB9，NB12梁段，完成边塔边跨侧合龙，工效为2d/合龙口。

4.3 全液压同步提升法

所有吊装梁段均采用液压同步提升设备安装，具体步骤如下。

1)塔区和两边跨存梁同缆索起重机法+液压同步提升法。

2)一般梁段吊装 两跨中BZ20，NZ20梁段采用2套液压同步提升设备同步吊装，然后再增加2套液压提升设备，以跨中对称吊装剩余梁段，梁段间临时铰接，期间两中跨梁段数量差值≤1，工效为3d/段。经计算，边跨在中跨吊装时需匹配吊装相应梁段，采用2套液压同步提升设备吊装，此时全桥共投入6套液压提升设备。

3)合龙段吊装 采用液压提升设备吊装NZ38，BZ38梁段，完成中塔位置合龙，然后再吊装NB2，BZ2梁段，完成边塔跨中侧合龙，最后吊装BB9，NB12梁段，完成边塔边跨侧合龙，工效为2d/合龙口。

4.4 综合指标对比分析

综合考虑施工设备、施工速度、施工安全及经济性等因素，对比缆索起重机法+液压同步提升法、缆载吊机法+液压同步提升法、全液压同步提升法用于瓯江北口大桥主梁架设的优缺点(见表 3)，推荐选用缆载吊机法+液压同步提升法进行全桥钢桁梁架设。

表3 钢桁梁架设方法综合指标对比分析

5 结语

温州瓯江北口大桥结构设计新颖，建设规模大，是我国自泰州长江大桥、马鞍山长江公路大桥、鹦鹉洲长江大桥建设以来的第4座大跨径三塔悬索桥。针对该大桥钢桁梁施工难点，结合现场环境，对缆索起重机法、缆载吊机法、浮式起重机架设法与液压同步提升法4种架设方法用于不同区域梁段架设的可行性进行分析，并综合对比缆索起重机法+液压同步提升法、缆载吊机法+液压同步提升法、全液压同步提升法3种不同架设组合方案在施工设备、施工速度、施工安全及经济性方面的优缺点，为该桥钢桁梁架设方法选取提供了参考，推荐采用缆载吊机法+液压同步提升法进行全桥钢桁梁架设。