港珠澳大桥钢箱梁安装关键技术研究

青州航道桥全桥的钢箱梁划分为18种类型、85个梁段，索区梁段采用悬臂拼装法进行架设，索塔区节段和边跨区梁段均采用大节段整体吊装法进行架设。悬臂拼装（后面简称悬拼）方式如图1所示。

图1  斜拉桥悬拼匹配示意

悬拼过程中，采用临时匹配件的形式进行临时连接。临时匹配件与钢箱梁之间采用高强螺栓连接。标准梁段断面匹配件的布置如图2所示。梁段现场连接时，除顶板加劲梁采用栓接以避免仰焊外，其余构件均采用焊接。

图2  钢箱梁标准断面临时匹配件布置

钢箱梁为薄壁箱型截面，构造复杂，板件众多。在荷载作用下会出现纵弯、横弯、翘曲和畸变等现象，因此，建立了青州航道桥悬拼梁段的精细化板壳单元分析模型，以研究悬拼梁段在悬拼吊装期间的横向变形规律。钢箱梁有限元几何模型严格按照实际结构的尺寸和板件的几何关系建立，全桥模型在建立的过程中细化处理了横隔板、塔柱壁板开洞、倒角和封边肋的几何关系，既能确保仿真分析模型贴近结构的真实状况，又要保证结构在网格划分时不出现歪扭、奇异单元。由于在钢箱梁悬拼起吊的过程中，其受力在横桥向完全对称，因此仅取整体梁段的二分之一进行建模，在对称截面处以边界条件代替。钢箱梁1/2几何模型的网格划分如图3所示。

图3 钢箱梁1/2几何模型网格划分

悬臂梁段和起吊梁段的竖向变形如图4所示。由分析结果可知，悬臂梁段自身的整体变形为24.1mm，起吊梁段在吊装状态下的竖向变形仅为2.6mm，悬臂梁段整体变形远大于起吊梁段。

图4 梁段竖向整体变形（mm）

悬臂梁段受到桥面吊机前支点反力、斜拉索索力及梁段自重的作用，在桥面中心线处相对于中腹板、边腹板和风嘴处出现下挠，其顶、底板横向相对变形如图5（a）所示。桥面中心处相对于风嘴外缘处下挠16mm，边腹板处相对于中腹板处下挠13mm。

图5  顶、底板横向相对变形

起吊梁段受到桥面吊机吊臂拉力及本身自重作用，在桥面中心线处、边腹板和风嘴处相对吊机吊点处的中腹板出现下挠，其顶、底板横向变形如图5（b）所示。桥面中心处相对于中腹板处下挠2.3mm，边腹板处相对于中腹板处下挠1.0mm。

对比起吊梁段与悬臂梁段的横向变形可知，悬臂梁段横向变形较大，起吊梁段在吊机拉力作用下的横向弯曲变形不明显。由分析结果可知，钢箱梁由于边腹板的存在，增强了结构局部的横向刚度，从而减小了其横向变形。风嘴处由于板厚较钢箱梁主体结构偏薄，因此其自身变形较大。而无论悬臂还是起吊梁段，其顶、底板变形均接近一致，说明对于青州航道桥的扁平闭口钢箱梁，悬臂梁段在吊机前支点反力、索力及梁段自重作用下，横向变形以横向弯曲为主，畸变等扭转变形较小。尤其起吊梁段受力变形较小，可近似认为其处于无应力状态。

钢箱梁之间全截面焊接的悬臂梁段与起吊梁段之间的匹配方式主要有两种：一是从桥面中心线处向两边逐步施焊，进而完成钢箱梁的全截面焊接；二是通过焊接连接边腹板逐步向桥面中线处进行焊接。悬臂梁段和起吊梁段从桥面中心处向边腹板、风嘴处进行临时匹配时的横向相对变形情况如图6所示。

图6  钢箱梁中心对齐时悬臂与起吊梁段错缝情况

悬臂梁段和起吊梁段从边腹板向桥面中心处进行临时匹配时的横向相对变形情况如图7所示。

图7  边腹板对齐时悬臂与起吊梁段错缝情况

为探究钢箱梁悬拼施工临时匹配的合理施工顺序，必须分析悬臂与起吊梁段横向变形不一致的原因及引起悬臂梁段横向变形主要因素。由于悬臂梁的横向变形远大于起吊梁段，因此仅对引起悬臂梁段横向变形主要因素进行分析。

为分析引起悬臂梁段横向变形的主要因素及其影响程度，对斜拉索索力、梁段自重、吊机自重与起吊梁段前支点反力进行单因素分析，此时悬臂梁段端断面顶、底板处产生的横向相对变形如图8所示。

图8 不同因素引起的变形

为解决悬臂与起吊梁段横向变形不一致的问题，在桥位处进行临时匹配时应优先连接横向刚度较大的边腹板，之后通过采取对吊机吊臂卸载的方式，完成全截面的临时匹配。在吊机卸载后，悬臂梁段与起吊梁段横向变形发生重分布，分析结果如图9所示。

图9 吊机卸载时梁段的横向相对变形

图10  吊机反力卸载40%时悬臂与起吊梁段横向相对变形

桥面吊机吊臂反力卸载40%时，悬臂与起吊梁段的横向相对变形如图10所示。可知，在吊臂反力卸载40%的时刻，边腹板完成匹配后，两个梁段的横向变形趋于一致。中腹板横向刚度较大的区域横向变形相同，可顺利完成中腹板临时匹配。在完成连接段临时匹配后，通过调整吊机吊臂拉力精调起吊梁段的空间位置，达到安装线形要求后，即可进行全截面的焊接连接。

港珠澳跨海大桥工程的深水区非通航孔桥采用跨径110m的连续钢箱梁桥体系。截面等跨径标准联为6×110m。梁段以钢箱梁中心线划分为12.6、10 、14 、15 、6 、11.15m七种长度的梁段，共计61个梁段，由小梁段组成大节段，采用逐跨大节段吊装焊接连接的施工方式。

为研究气温变化对钢箱梁结构温度的影响，以主梁跨中截面为测试断面，设置了20个温度测点进行结构温度观测，如图11所示。

图11 温度测点布置

图12为夏季6月中旬某段时间测量的主梁截面中腹板沿梁高方向分布的4#、5#、14#、15#四个测点在三天内的温度变化情况。四个测点的典型时间节点温度变化曲线如图13所示。

图12  钢箱梁中腹板沿截面温度变化时程曲线

图13 钢箱梁中腹板典型测点温度变化曲线

根据所测桥位温度，取两日48小时内的温度变化，按每两个小时为一个时间节点拟合出的箱梁的实测温度梯度模式与英国规范的温度梯度较为接近

在钢箱梁大节段安装架设时，已架设大节段与待架设大节段在焊接合龙的位置都会出现一定的梁端夹角，相邻大节段间的梁端夹角是否一致，是钢箱梁大节段能否顺利合龙的关键。梁端夹角示意如图14、图15所示。

图14  梁端正夹角示意

图15  梁端负夹角示意

在钢箱梁制造时，合龙焊缝处的小节段未进行配切，可根据施工阶段钢箱梁大节段的安装线形，确定大节段焊接合龙位置处端部小节段的顶板中心线的夹角，从而得到梁端夹角值。

若已知梁段ABCD和梁段EFGH的安装线形和截面尺寸，由几何变形条件可知梁端夹角满足

相邻大节段梁端存在相对夹角，根据梁端夹角计算值，需在对钢箱梁顶底板进行配切修正，保证大节段平顺连接。在大节段安装施工过程中，由于制造误差、施工误差、温度等因素的影响，均会对现场安装大节段的梁端夹角造成影响，根据现场情况可以选用调整焊缝、调整支座高度、压重等手段进行调节。

顶底板应在温差较小（如‍2℃‍以内）的时间段内进行吊装架设，因此一般选在夜间施工。但实际施工过程并不能保证所有吊装过程都能满足此要求，因此应结合实际温变情况进行分析。根据图15所示的拟合温度梯度曲线，选择具有代表性的温度时间点，采用与英国规范相同的三折线模式，依据实测温差模式，模拟其温变情况。

图16给出了焊接端口1在不同温度梯度下的梁端夹角示意（图中仅给出梁端夹角的绝对值最大值与最小值，其他温度梯度模式的值介于两者之间）。

图16 焊接端口1在不同温度梯度下的梁端夹角示意

按照中国公路桥涵规范、英国BS5400及现场实测温差拟合的温度梯度曲线计算的端口1梁端夹角值进行对比，分析结果如图17所示。

图17焊接端口1在三种不同规定下梁端夹角值对比

实际工程中，一般可通过调整焊缝、支座高度、压重等措施消除温度对大节段吊装焊接的影响。若根据温度梯度对梁端夹角作用选择合适的焊接作业时机，使当前温度梯度对梁端夹角的影响较小甚至忽略不计，即可直接焊接并满足合龙工作的需要。经研究可知，当不考虑温度梯度作用时，在其他因素作用下梁端会出现正夹角，而温度作用使梁端出现负夹角，两者共同作用下，在某个温度梯度可使梁端夹角正负抵消为零，这一时机即为钢箱梁焊接的最佳时机。

选择具有代表性的夏季，冬季四天内的顶底板温差变化来分析焊接时机。具体温度时程变化如图18和图19所示。

图18 夏季顶底板温差变化时程

图19 冬季顶底板温差变化时程

可知，无论夏季、冬季，顶底板温差变化趋势基本相似，选取的四天为在夏季、冬季顶底板温差最大的日期，基本包络了两个季节的顶底板温差变化情况，结合现场实际情况，不考虑负温差的影响。

按照本桥的施工方式，当箱梁预拼达到预定的精度后，可在顶板、底板、斜底板施加临时匹配件进行定位，用以控制梁段间顶、底板的间隙，形成架设线形，通过焊接连接断面，完成相邻两大节段的连接。匹配件与钢箱梁间以M24高强螺栓进行连接。根据受力、加工及装配情况，在匹配件钢板及钢箱梁上预留的栓孔，为架设梁段与待架设梁段均留存2mm的活动空间，即在临时匹配完成后，梁段的纵桥向相对变形最高可到4mm。若温度梯度过高，梁端夹角过大，较大梁段产生相对变形可能导致螺栓无法连接，则必须将梁端的纵桥向最大相对变形限制在4mm内，将对应的最大梁端夹角0.0509°作为梁端夹角的最大限值。在温度梯度作用下，梁端夹角不能超过此限制，否则无法完成临时匹配，影响焊接工作的正常进行。

分析表明，大节段吊装焊接的端口1在不同温度梯度下的梁端夹角值始终存在且数值较大，除焊接端口1外，其他节段焊接也均存在使梁端夹角为零的温差。据此结合夏季、冬季典型气候下顶、底板温差变化趋势，可确定临时焊接的顶、底板温差范围及适合的焊接时间段。

（1）本研究给出了钢箱梁悬拼匹配过程中悬臂梁段和起吊梁段的横向变形规律，分析了斜拉索索力、梁段自重、吊机自重与起吊梁段前支点反力的影响程度，探讨了青州航道桥中钢箱梁的合理悬拼匹配工序及现场应对策略。研究结果表明：钢箱梁悬拼过程中的横向变形以横向弯曲变形为主，畸变、扭转等变形较小；桥面吊机吊装状态的前支点反力是引起悬臂梁段和起吊梁段横向错缝过大的最主要因素；传统的从桥面中心线处向两边逐步施焊或通过焊接连接边腹板逐步向桥面中线处焊接的联系方式均不能适应青州航道桥宽幅钢箱主梁的悬拼匹配施工，应优先连接横向刚度较大的边腹板，再采取对吊机吊臂卸载的方式，待悬臂梁段和起吊梁段横向变形接近一致，完成全截面的临时匹配。

（2）针对温度梯度变化对等跨径等截面连续钢箱梁制作及架设过程中线形变化的问题，选取等宽段桥梁的大节段钢箱梁进行研究。依据桥位区实测钢箱梁结构竖向温度变化规律，拟合了温度梯度曲线模式，研究了不同竖向温度梯度温差模式对大节段钢箱梁架设时焊接端口的梁端正、负夹角的影响规律及修正方法；探讨了借助温度梯度对梁端夹角的影响以及无需采用额外调整措施的最佳焊接时机。研究结果表明，竖向温度梯度对大节段焊接合龙部位两节段间的梁端夹角有显著影响，无论采用规范温度模式还是实测拟合温度模式，产生的梁端夹角均有数值过大而影响焊接工作正常进行的可能；温度梯度产生的梁端夹角，既可通过钢箱梁制造时预留空间，并在焊接时根据现场温差进行配切消除，亦可选择最佳焊接时机，消除温度梯度对梁端夹角的影响，直接完成焊接；不同钢箱梁大节段应选择在不同的顶、底板温差时段进行焊接。

[1] 王凌波，刘鹏等.宽幅钢箱梁斜拉桥悬拼匹配技术研究[J].中国公路学报， 2016，29（12），102-108

[2] 王凌波，朱季等.基于实测温差模式的大节段吊装钢箱梁焊接时机研究[J].中国公路学报， 2016，29（12），85-92

王凌波，博士、副教授、硕士生导师。主要从事极端环境下在役桥梁服役性能研究及安全评价、长大跨桥梁施工控制及健康监测、车桥耦合振动分析研究。先后为本科生讲授《专业英语》、《混凝土结构设计原理》、《桥梁电算》、《桥梁工程》等课程，为研究生讲授《工程伦理》《桥梁结构动力学》《结构可靠性与桥梁评价》《bridge detection and evaluation》等课程。主持国家科技支撑项目1项、省部级基础研究项目2项、国家重点研发计划项目1项，参与国家自然科学基金项目4项，横向课题20余项，为中国杭州湾大桥、青岛海湾大桥、港珠澳大桥等国际知名大型工程的建设工作提供技术支持。参编行业规范《公路桥梁荷载试验规程》（中英文版）、《公路钢结构梁桥制造安装与质量检验规范》，参编本科、研究生专业教材3本。在国内外核心期刊上公开发表第一作者文章40余篇，取得发明专利2项，实用新型专利3项，软件著作权19项。获得省部级科技进步奖、教学奖等各类学术奖励8项。指导学生参加WTC世界大学生桥梁设计大赛、茅以升小桥杯全国桥梁设计大赛、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛并获奖。