拉薩市納金大橋箱梁33米寬幅輕型柔性掛藍探討

摘 要：介紹拉薩納金大橋主梁33米寬幅輕型掛藍施工技術(shù)，提出柔性掛藍結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)和理論，從斜拉橋和斜拉索結(jié)構(gòu)特征分析斜拉橋懸臂澆筑梁線性控制理論，分析拉薩市納金大橋箱梁33米寬幅輕型柔性掛藍設(shè)計與施工。

關(guān)鍵詞：納金大橋；寬幅；輕型；柔性；掛藍

1 工程背景

拉薩市納金大橋主橋為跨徑（70+117+117+70）m的三塔矮塔斜拉橋，如圖1所示。橋?qū)?3m。按城市主干道I級進行設(shè)計，設(shè)計速度采用60km/h；設(shè)計汽車荷載標準采用公路I級。該橋目前在建設(shè)中。

主橋橫向單塔，布置在中分帶，索塔順橋向采用變截面，塔形由兩道圓弧相切形成，橫橋向為2.5m等寬截面。主塔從橋面以上塔高為17.7m，橋面以上受力部位塔高為15.7m，為跨徑的1/7.5。索塔采用C50混凝土實心斷面，順橋向?qū)挾葹?.243m～5.50m；橫橋向?qū)挾葹?.5m，順橋向為半徑1.25m圓弧倒面。拉索在塔上采用扇形布置，每個索塔共錨固7對拉索，拉索與塔柱中心交點間距按1m的等距布置。邊中跨的索對稱于主塔布置。塔上拉索采用鞍座形式通過，每根索對應(yīng)1個鞍座，位于塔兩側(cè)拉索出口處設(shè)置錨固裝置，克服運營階段索的不平衡拉力。

主梁結(jié)構(gòu)采用C50高性能混凝土，箱型為單箱五室斷面，箱梁高度由跨中2.5米至距主墩中心2米處按拋物線型變化為4米，主墩箱梁在中墩頂設(shè)置厚度為3.5米的橫隔梁，有索區(qū)每節(jié)梁段長5米，每個拉索處設(shè)0.5米厚的節(jié)段橫隔梁，邊跨端部設(shè)厚度為1.8米的橫隔梁。主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。

主橋各單“T”箱梁除0號塊采用支架現(xiàn)澆外，其余節(jié)梁段采用對稱平衡懸臂逐段澆筑法施工，懸臂澆筑梁段最大重量451.6噸，懸臂施工掛藍自重及施工荷載按200噸考慮，合龍段施工吊架及其它荷載按70噸考慮。

2 寬幅型施工掛藍設(shè)計思路

2.1 設(shè)計模型

納金大橋是規(guī)劃的“拉薩市第一大橋”，設(shè)計采用單箱五室斷面，橋?qū)?3米，是目前采用掛藍懸臂法施工單幅斷面較寬的橋梁，所以稱為寬幅掛藍懸臂法施工，所用掛藍稱寬幅掛藍。

為節(jié)約成本，鈉金大橋掛籃系統(tǒng)有別于普通常用的菱形和三角形掛籃，其主梁就地取材，采用六榀定型三角梁作為主梁，分別布置于箱梁六道腹板上方，由35米長40H型鋼制作而成的上橫梁作為分配梁，三角梁之間加以橫向連接，形成整體受力結(jié)構(gòu)。整個掛籃系統(tǒng)屬于后支點式掛籃。主要組成部分為：主梁、底模、側(cè)模、翼緣板模板、上橫梁、下橫梁、梁底縱梁、反壓梁以及掛籃行走系統(tǒng)組成。

掛籃結(jié)構(gòu)計算模型見（圖2，圖3，圖4），包括主桁架、立柱間橫向連接系、前上橫梁、底籃、導(dǎo)梁等所有的承重系統(tǒng)。

2.2 掛籃主要技術(shù)參數(shù)

（1）懸臂澆注箱梁梁段最大重量是3#梁段，混凝土澆筑方量210.1m3，按照鋼筋混凝土2.65噸/m3計算，最大重量為：556.765噸；（2）懸臂澆注箱梁梁段最大分段長度為5米；（3）人群及機具荷載取2.5 KPa[2]；（4）超載系數(shù)取1.05[2]；（5）新澆砼動力系數(shù)取1.2；（6）掛籃行走時的沖擊系數(shù)取1.2[2]；（7）抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.0[2]。

2.3 驗算方法：

荷載組合：

①砼重+掛籃自重+施工、人群機具+動力附加系數(shù)（強度計算）；②砼重+掛籃自重（剛度計算）；③掛籃自重+沖擊附加系數(shù)（行走穩(wěn)定性）根據(jù)梁段長度、重量、梁高等參數(shù)，設(shè)計時按以下兩種工況進行計算。

驗算工況：

工況一：3號梁段混凝土灌注完成工況。此工況梁段長度最大、混凝土重量最大。

工況二：3號梁段完成，掛籃由3號至4號梁段走行工況。此工況掛籃走行距離較長，控制掛籃走行狀態(tài)抗傾覆穩(wěn)定及外模、底模走行梁走行狀態(tài)的強度和剛度。

3 關(guān)于輕型結(jié)構(gòu)掛藍

按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50-2011 第16.5條第1款之規(guī)定， 一般掛藍設(shè)計時：掛藍與懸澆梁段混凝土的重量比不宜大于0.5，且掛藍的總重量應(yīng)控制在規(guī)定的限重之內(nèi)[2]。納金大橋所用掛藍充分最大重量145噸，節(jié)段混凝土重量547.56噸，掛藍與懸澆梁段混凝土的重量比為0.265，應(yīng)該說是一種輕型結(jié)構(gòu)掛藍。

普通掛藍結(jié)構(gòu)一般為三角掛籃或菱形掛籃，結(jié)構(gòu)高度一般在5～8米，掛籃用鋼量大、自重大、迎風面相應(yīng)也大。拉薩地區(qū)四季多風，最大風速可達25米/秒以上，多年平均大于或等于17米/秒的大風日數(shù)達32.3天；此外，拉薩地區(qū)地震場地類別為Ⅱ類，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，抗震措施按9度區(qū)設(shè)防[3]。這對掛藍結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常不利，因此必須選擇橫向穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)建筑高度低、相對輕型的掛藍結(jié)構(gòu)形式。納金大橋掛藍結(jié)構(gòu)高度為2.6米，而且橫向由6榀三角桁架組成，這對抵御強風和地震非常有利。

針對該掛藍結(jié)構(gòu)輕型化，為了進一步驗證結(jié)構(gòu)剛度，采用加載預(yù)壓的方法進行荷載試驗（如圖6），第一次的掛籃預(yù)壓（8#），由于將前支點、后錨壓梁等構(gòu)件受力變形值，全部考慮在掛籃的彈性變量中，非彈性變量無法準確測算，掛籃整體變形偏大；第二次按照最重梁段的1.2倍重量預(yù)壓，預(yù)壓重量高達656t。而施工的1#梁段，重量約為430t，遠遠低于預(yù)壓重量。按照掛籃預(yù)壓數(shù)據(jù)，其1#塊最高下?lián)线_2.3厘米，設(shè)計理論拋高值為1.9厘米；為了使掛藍剛度滿足要求，降低實際施工時的變形量，對三角主桁梁采取加勁措施每榀三角梁頂部設(shè)置一道直徑32毫米的精扎螺紋鋼筋，施加20噸預(yù)應(yīng)力；同時在6榀三角桁梁前吊點位置各加設(shè)一道“X”型剪刀撐，這樣掛籃前、中、后都有橫向支撐，加強了掛籃的整體受力和穩(wěn)定性（如圖6）。

對采取加強措施后的掛藍進行第三次荷載試驗，預(yù)壓過程中逐級加載逐級測量，掛籃整體性良好，所有構(gòu)件節(jié)點均無變形，掛籃變形量呈線性變化，掛籃最大下?lián)现?.82厘米。通過48小時120%荷載測量，變形消除。說明掛籃自身安全、穩(wěn)定，剛度滿足要求。

4 柔性掛籃結(jié)構(gòu)

4.1 柔性結(jié)構(gòu)

所謂柔性結(jié)構(gòu)，形式上表現(xiàn)為寬幅、大跨結(jié)構(gòu)等，幾何學(xué)上的柔性結(jié)構(gòu)是指其幾何非線性因素在分析中影響較大而不可忽略的結(jié)構(gòu)；在數(shù)學(xué)模型上表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的剛度小，柔性大，幾何非線性不能忽略；在計算方法上柔性結(jié)構(gòu)的問題與剛性結(jié)構(gòu)也不相同，需要將結(jié)構(gòu)簡化成非線性的柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行計算。隨著社會和科技的發(fā)展，工程中新材料、新設(shè)備、新結(jié)構(gòu)和新施工工藝的運用，結(jié)構(gòu)向高（深）、輕、大這三個方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式也由原來的剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越Y(jié)構(gòu)。

目前懸臂法施工梁橋梁底線型一般按二次或四次拋物線設(shè)計。根據(jù)以上分析和假設(shè)：斜拉索近似于懸鏈線型，懸臂梁由于索力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響也屬于非幾何線型，也可以擬合成為懸鏈線型，柔性橋梁決定柔性橋梁施工設(shè)備。這就要求用于懸臂法施工的掛藍設(shè)備在允許范圍內(nèi)具有一定的柔性，其變形滿足橋梁整體變形協(xié)調(diào)性。直觀地說：成橋后的線型更接近于實際，這種掛藍結(jié)構(gòu)我們稱之為柔性掛藍結(jié)構(gòu)。納金大橋所設(shè)計制造的寬幅、輕型掛藍結(jié)構(gòu)，通過對10#墩掛籃進行了預(yù)壓，滿載預(yù)壓監(jiān)測結(jié)果其變形符合柔性變形特點，應(yīng)該是這種柔性掛藍結(jié)構(gòu)的特例。

4.2 部分斜拉橋結(jié)構(gòu)形式的柔性特點

納金大橋部分斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，所謂部分斜拉橋是介于連續(xù)梁與斜拉橋之間的一種橋型。如果說連續(xù)梁橋?qū)儆趧傂詷蛄?，斜拉橋?qū)儆谌嵝詷蛄?，則部分斜拉橋為一種剛?cè)嵯酀臉蛐汀Ｒ话阏J為，當斜拉索的豎向荷載承擔率超過30%或斜拉索在活載作用下的應(yīng)力變化幅超過50MPa時，即進入斜拉橋范圍，斜拉索容許應(yīng)力取0.4倍極限應(yīng)力，安全系數(shù)為2.5。部分斜拉橋的拉索應(yīng)力幅度比一般斜拉橋小，拉索可按體外預(yù)應(yīng)力索的容許應(yīng)力取值，為0.6倍的極限應(yīng)力，對應(yīng)的安全系數(shù)為1.67，在施工過程中索力可不作調(diào)整。由于斜拉橋是高次超靜定柔性結(jié)構(gòu)，而且在施工過程中結(jié)構(gòu)體系不斷改變，使主梁內(nèi)力分布合理且結(jié)構(gòu)線形滿足要求。

4.3 斜拉索柔性結(jié)構(gòu)

納金大橋斜拉索采用OVM250AT-43，OVM250AT-37兩種型號[1]。分別由43、37根7φ5的鋼絞線組成。OVM250AT-43拉索由錨固段+過渡段+自由段+抗滑錨固段+塔柱內(nèi)索鞍段構(gòu)成。鞍座采用分絲管，索鞍分散、均勻傳遞荷載作用。索體采用Фs15.2環(huán)氧樹脂涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線，具有多層防護結(jié)構(gòu)。斜拉索從塔上鞍座中連續(xù)穿過，兩端錨固在梁體內(nèi)，所有索鞍半徑均為2.5m，施工時，在梁內(nèi)對稱一次性張拉到位。斜拉索索力在橋梁縱向，相當于主梁的體外預(yù)應(yīng)力；在豎向，斜拉索力產(chǎn)生了向上的力以抵消向下的自重與活載對主梁產(chǎn)生的彎矩，對于活載來說斜拉索提供了彈性支承。從外觀線型分析，斜拉索近似于懸鏈線。合理的索力，使斜拉索、主塔和主梁受力總體合理，是斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。斜拉橋的初始索力可以人為設(shè)定，是斜拉橋成橋合理受力的有利因素。

4.4 懸臂法施工方法決定主梁線型的非幾何性

納金大橋斜拉橋采用懸臂施工方法，施工過程中結(jié)構(gòu)體系隨著施工進展不斷改變，而且混凝土收縮、徐變等時間效應(yīng)也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生改變，因此，為了獲得成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形，需要進行施工過程的結(jié)構(gòu)計算分析，通過各施工步驟的應(yīng)力累計以及考慮施工期間的收縮、徐變影響，得到最終的應(yīng)力和形狀。

懸臂法施工過程中為了盡量減少各根索的調(diào)整次數(shù)，將各施工階段所需要的拉力和梁的幾何位置預(yù)先算出。在每個施工階段，索力調(diào)整后的主梁位置要考慮后續(xù)施工中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形，包括荷載效應(yīng)以及收縮徐變變形，因此，必須設(shè)置反方向的變形，即預(yù)拱，隨著后面的施工推進，結(jié)構(gòu)形狀逐漸變化到設(shè)計線形。斜拉橋是以承受軸力為主的結(jié)構(gòu)體系，預(yù)拱大小要考慮軸向變形的影響，同時還需要考慮幾何非線性的影響。準確地說：梁底線型是幾種幾何線型的疊加，應(yīng)該屬非幾何線型（見表1）。

4.5 斜拉橋施工過程的結(jié)構(gòu)分析

斜拉橋施工過程的結(jié)構(gòu)分析包括正裝計算和倒拆計算兩種[4]。逆著施工過程從成橋狀態(tài)開始，逐個倒拆各施工過程中安裝的構(gòu)件，根據(jù)拆除后的結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)確定標高（預(yù)拱度），并確定相應(yīng)的索力，這種計算方法稱為倒拆計算，從倒拆計算結(jié)果看索力內(nèi)力分布不完全成線型關(guān)系。

5 結(jié)論

目前掛籃懸澆箱梁施工中，所用的掛籃多為三角、菱形或者貝雷掛籃，但是普遍存在掛籃自重大、無法自行前移、構(gòu)件成本高、施工不便等大小不一的問題。這些問題在一般掛籃施工中產(chǎn)生的弊端不會太影響施工，但是，在大斷面箱梁整幅掛籃施工時，卻大大影響到現(xiàn)場施工，甚至?xí)绊憳蛄鹤陨淼氖芰η闆r。納金大橋工程利用多用途的三角梁作為主梁，工廠加工各個部件，現(xiàn)場組裝，采用多種組合型鋼焊接而成，通過體內(nèi)預(yù)應(yīng)力增強了梁的剛度，減小了施工撓度，其剛度和強度滿足施工要求，整套掛籃成本降低，同時自重下降到梁段重量的0.26左右，并在主梁上設(shè)置了行走系統(tǒng)，通過行走系統(tǒng)實現(xiàn)主梁自動前移，從而帶動整套掛籃自行前移，施工極其方便。

納金大橋于2012年12月底主梁懸臂掛藍施工全部結(jié)束，在寬幅輕型柔性掛藍使用及整體施工過程中通過上海同濟質(zhì)量工程監(jiān)測站嚴格監(jiān)控，主橋各混凝土構(gòu)件外觀尺寸正常，混凝土澆筑質(zhì)量較好。箱梁梁體在梁頂板、底板、腹板及橫隔板處均沒有出現(xiàn)裂縫。斜拉索錨固端質(zhì)量完好，無變形、缺損、銹蝕現(xiàn)象；支座外觀良好，各支座在檢查中未發(fā)現(xiàn)偏位及不均勻變形。

在橫向?qū)ΨQ加載情況下，主梁各測試斷面應(yīng)力實測值及撓度實測值對稱性良好，且實測值在荷載分級加載下與荷載呈線性關(guān)系；在橫向偏載加載情況下，實測偏載效應(yīng)較理論計算小，表明大橋整體上受力均衡，整體性好，全橋上、下游斜拉索恒載索力對稱性良好。

參考文獻

[1]《拉薩市納金大橋工程圖設(shè)計》[S].江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，2010.10.

[2]JTJ/TF50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[S].北京，人民交通出版社，2011.8.

[3]《拉薩市納金大橋場地地震安全性評價報告》西藏自治區(qū)地震局地震工程研究所，2008.10.

[4]《〈公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范〉實施手冊》[S].北京：人民交通出版社，2011.8.

作者簡介：周桃玉（1973.9-），男，安徽銅陵人，現(xiàn)職稱：高級工程師，學(xué)歷：碩士研究生。