施工方案中途改變的獨塔斜拉橋變更設計與結構分析

鄧小偉

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

一般情況下，斜拉橋主梁多采用懸臂澆筑法或懸臂拼裝法施工，但當橋下地勢較平且高度不大時，采用支架施工更為方便、經濟和節省工期。不論采用哪種施工方法，一般應以預先確定的施工方案進行結構分析計算和設計[1]。但由于施工中受多種因素的影響，可能出現施工中途需要改變施工方案的情形，這就需要對原設計方案的受力及變形作相應的驗算，必要時采取一定的設計變更措施，如調整索力或預應力鋼束布置等，以保證施工階段及運營階段各項指標均滿足規范要求。

1 工程概述

某城市景觀橋梁主橋為跨徑100 m+87 m的獨塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋（見圖1），塔、梁、墩固結體系，邊主跨比為0.87；主梁采用鋼-混凝土組合梁雙鋼箱主肋斷面，中心點梁高2.5 m，梁高/主跨=1/40；索塔總高67.2 m，橋面以上索塔高51.25 m，塔高/主跨=0.51；斜拉索采用平面扇形密索體系，梁上標準索距9.0 m，在邊跨橋墩附近索距加密；塔上標準索距2.0 m，塔頂部分索距加密為1.8 m。

主梁截面采用混凝土橋面板+雙鋼箱主肋斷面，主梁標準寬度40.1 m，頂面設2.0%雙向橫坡。鋼主梁中心高度1.985 m和2.0 m，預制混凝土橋面板厚0.25 m；標準段箱梁寬為3.3 m，頂板厚25 mm，底板厚35 mm，腹板厚16 mm。兩主肋中心距26.5 m，兩主肋間設置3道工字型小縱梁。

主梁標準橫斷面見圖2。

主梁標準節段長9 m，兩主肋之間用橫梁及橋面板相連，橋面板為厚0.25m預制板，在橋上通過現澆濕接頭連接成整體。橫梁斷面型式為工字梁，橫梁標準間距4.5 m。與橫梁位置相對應，主梁外側挑臂下設置一道托梁。預制C50橋面板的存放期要求不小于6個月，預制橋面板之間現澆C50微膨脹混凝土。橋面板內配置縱向和橫向預應力鋼束。縱向預應力采用S15.20–7高強度低松弛鋼絞線，橫向預應力采用S15.20–3高強度低松弛鋼絞線。

主梁在塔兩側設置鋼混結合段，結合段總長16.5 m。鋼箱梁腹板埋入混凝土塔內，伸入索塔內的腹板開孔以利于混凝土的澆筑，并在索塔兩側2.5 m范圍的鋼箱梁內灌注混凝土，通過加勁肋及剪力釘的作用，將力傳遞至塔梁固結區。兩主梁之間采用實心混凝土橫梁連接，通過張拉預應力使得塔梁固結區處于三向受壓狀態。

斜拉索采用平面扇形布置，雙索面。全橋共20對索，梁上基本索距主跨為9 m，在邊跨橋墩附近索距加密為7.65～6.6 m；塔上標準索距2.0 m，塔頂部分索距加密為1.8 m。

索塔縱向為單柱式，橫向為H形，索塔總高67.2 m。上塔柱采用五邊箱形截面，外形尺寸為3.5 m×5 m，壁厚0.75～1.2 m，上塔柱拉索錨固區配置環向預應力，預應力采用S15.20–18、16、14三種鋼絞線。上塔柱橫梁采用鋼箱斷面，橫梁通過端部預埋鋼板錨筋、剪力釘和腹板伸入塔內等方式與混凝土塔相連。下塔柱為實心截面，外形尺寸由3.4 m×5 m漸變到4.4 m×6 m。2個下塔柱之間用2道厚度0.8 m的墻連接，并在墻中心處設置厚0.5 m橫隔板。塔下承臺平面尺寸為39.6 m×13.6 m，承臺厚5 m。承臺下布置24根2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長80 m。

圖1 主橋總體布置圖（單位：cm）

圖2 主梁標準橫斷面圖（單位：cm）

2 施工方案變更設計

原方案主橋采用懸臂拼裝的方式，分節段安裝鋼主梁，主橋具體施工順序如下：

（1）搭設棧橋；主墩、邊墩基礎及承臺施工，鋼主梁及橋面板預制；澆注塔柱至梁底分段處，搭設主墩處支架；吊裝鋼主梁0#節段，支架上施工塔梁固結區以及鋼混結合段，張拉鋼混結合段內縱、橫向預應力；利用提升模板分段澆注塔柱；支架施工邊墩立柱、蓋梁。

（2）在鋼梁接頭處搭設1#節段臨時支架；吊裝主梁1#節段，在支架上進行主梁焊接；安裝預制橋面板，現澆橋面板濕接縫并養護，掛設1#斜拉索并張拉至初始索力。

（3）拆除1#節段臨時支架，搭設2#節段臨時支架；吊裝主梁2#節段，在支架上進行主梁焊接；安裝預制橋面板，現澆橋面板濕接縫并養護；張拉前一節段主梁橫向預應力，并及時壓漿養護；掛設2#斜拉索并張拉至初始索力。

（4）重復上述階段，直至6#節段完成；搭設邊跨7#～11#節段支架；吊裝邊跨主梁7#～11#節段，在支架上進行主梁焊接；施工邊跨壓重塊；安裝預制橋面板，澆筑濕接縫并養護；完成邊跨合龍。

（5）拆除主跨6#節段臨時支架，搭設主跨7#節段臨時支架；吊裝主跨7#節段，在支架上進行主梁焊接；安裝預制橋面板，現澆橋面板濕接縫并養護；張拉前一節段主梁橫向預應力，并及時壓漿養護；掛設7#斜拉索并張拉至初始索力。

（6）重復上述階段，直至10#節段完成；吊裝主跨11#節段，在支架上進行主梁焊接；安裝預制橋面板，現澆橋面板濕接縫并養護，主跨合龍；張拉橋面板縱向預應力及剩余橫向預應力。

（7）拆除臨時支架；施工橋面混凝土鋪裝、人行道、防撞護欄、欄桿等附屬；自索塔向兩側對稱調整斜拉索至最終索力；施工橋面瀝青混凝土鋪裝；全橋貫通。

懸臂施工流程圖見圖3。

圖3 懸臂施工流程圖

鋼箱疊合梁最成熟的安裝方式即懸臂施工[2]，懸臂施工必須逐節段拼裝鋼梁節段，待前一節段所有工序完成后方能進行下一個節段。每個節段包括臨時支架搭設、鋼梁節段起吊、鋼梁環焊連接及焊縫探傷、橋面板安裝、濕接縫混凝土澆注養護、橫向預應力張拉以及斜拉索掛索張拉等工序，至少需要18 d，全橋共10個梁段（除0#段），共需180 d。

綜合考慮工程總體施工進度計劃與實際進展，懸臂拼裝的工期無法滿足總工期的要求。為縮短施工周期，提出了1#～10#節段主梁由懸臂施工調整為2個大節段支架施工的新思路，具體施工順序如下：

（1）采用吊機與支架施工主梁1#～6#節段：安裝鋼主梁，安裝預制橋面板，澆筑濕接縫并養護，張拉1#～6#節段橋面板縱向、橫向預應力，并及時壓漿養護；掛設1#～6#斜拉索，按照1#～6#的順序依次對稱張拉拉索至初次張拉力。理論上，此時0#～6#節段已主動脫離支架。

（2）拆除 0#～6# 節段支架，按照 6#～1#的順序依次對稱補張拉索。補張完成后須復測拉索索力，使最大懸臂狀態的最終拉索內力達到該階段設計目標索力。

（3）施工1#～6#節段的同時可搭設7#～11#節段支架。采用吊機與支架施工7#～11#節段：安裝鋼主梁，施工邊跨壓重塊，安裝預制橋面板，澆筑濕接縫并養護，張拉7#～11#節段橋面板縱向、橫向預應力，并及時壓漿養護；掛設7#～10#斜拉索，按照7#～10#的順序依次對稱張拉拉索至初次張拉力。

（4）拆除支架與吊機；拆架后須復測拉索索力，使成橋狀態的最終拉索內力達到該階段設計目標索力；施工橋面混凝土鋪裝、人行道、防撞護欄、欄桿等附屬；按照1#～6#的順序依次對稱補張拉索；施工橋面瀝青混凝土鋪裝；復測拉索索力，復核實際索力與該階段設計目標索力是否吻合，若差別較大，需調索；全橋貫通。

大節段支架施工流程圖如圖4所示。

圖4 大節段支架施工流程圖

斜拉索各張拉力詳見表1。

表1 斜拉索張拉力kN

大節段支架施工與逐節段懸臂施工相比，一方面大大節省了各小節段濕接縫養護及壓漿養護的時間，另一方面2個大節段可實現部分平行作業，主梁施工完成僅需130 d，大大縮短了工期。

3 橋梁結構分析

3.1 計算模型

結構總體計算采用空間結構計算圖式，主要用于斜拉橋結構的空間靜力分析、動力分析、穩定分析與地震分析[3]。采用Midas Civil有限元程序，建立空間計算模型，如圖5所示。

圖5空間有限元模型

圖5 中，主梁、橋塔、橋墩采用空間梁單元模擬，斜拉索采用空間桁架單元進行模擬。雙索面與主梁采用剛臂連接形成“魚骨梁”；塔墩梁固結采用主從約束的形式模擬；邊墩頂的盆式支座考慮滑動方向，采用一般連接模擬；主墩、邊墩均考慮地基基礎的彈性，采用彈性支承模擬。

根據本文所建的有限元模型，進行承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、持久狀態和短暫狀態的應力、穩定和抗震驗算。

3.2 承載能力極限狀態驗算

（1）在承載能力極限組合下，鋼主梁邊緣正應力為-190～151 MPa，鋼主梁采用Q345鋼材，抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為270 MPa，鋼主梁強度滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）要求。

（2）在承載能力極限組合下，混凝土上塔柱最大順橋向彎矩為56 693 kN·m，對應的軸力為89 533 kN；最大橫橋向彎矩為16 404 kN·m，對應的軸力為84 405 kN；混凝土塔墩最大順橋向彎矩為125 314 kN·m，對應的軸力為229 539 kN；最大橫橋向彎矩為94 827 kN·m，對應的軸力為228 614 kN。經驗算，上塔柱與塔墩作為偏心受壓構件，承載能力均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）（下面簡稱“2004 規范”）要求。

3.3 正常使用極限狀態驗算

3.3.1 抗裂與裂縫寬度驗算

荷載長期效應組合下，預制板的最小壓應力為4.11 MPa，考慮有效寬度后，最小壓應力為3.90 MPa；現澆板的最小壓應力為4.33 MPa，均不出現拉應力，滿足2004規范要求。荷載短期效應組合下，預制板的最小壓應力為0.39 MPa，考慮有效寬度后，最大拉應力為0.43 MPa；現澆板的最小壓應力為0.35 MPa，滿足2004規范要求。因此，主梁正截面抗裂性能滿足2004規范對A類部分預應力構件的規定。

荷載長期及短期效應組合下，上塔柱及塔墩均處于全受壓狀態，無裂縫，滿足2004規范要求。

3.3.2 變形驗算

車道荷載作用下，主梁豎向最大撓度為64.3 mm，小于L/400=250 mm，滿足斜拉橋設計規劃[3]的要求。

車道荷載作用下，塔頂水平位移最大為2.72 cm，最小為-3.51 cm；人群活載作用下，塔頂水平位移最大為1.37 cm，最小為-1.86 cm；正常使用短期效應組合下，塔頂水平位移最大為3.3 cm，最小為-5.31 cm。

3.4 持久狀況和短暫狀況的應力驗算

3.4.1 持久狀況應力驗算

荷載標準值組合下，預制板的最大壓應力為13.32 MPa，考慮有效寬度后，最大壓應力為14.41 MPa；現澆板的最大壓應力為12.02 MPa，均小于0.5 fck=0.5×32.4=16.2 MPa，滿足規范要求（其中 fck為混凝土軸心抗壓強度標準值）。

荷載標準值組合下，橋面板鋼束的最大拉應力為1 203 MPa，小于2004規范允許的1 209 MPa，滿足2004規范要求。

荷載標準值組合下，斜拉索的最大應力為644 MPa，最小應力為365 MPa，最大應力小于0.4 fpk=668 MPa，滿足規范[3]的要求。斜拉索最大應力幅為168.6 MPa＜200 MPa，滿足拉索使用安全要求（其中fpk為預應力鋼筋抗壓強度標準值）。

標準組合斜拉索最大應力圖見圖6。

圖6 標準組合斜拉索最大應力圖（單位：MPa）

3.4.2 短暫狀況應力驗算

施工過程中，鋼主梁截面邊緣應力為-124～50 MPa；混凝土預制板邊緣正應力-10.94～0.58 MPa，混凝土現澆板邊緣正應力為-10.56～0.66 MPa，假定施工過程中，混凝土初次加載強度為80%，則允許壓應力 0.70 fck'=0.7×0.8×32.4=18.14 MPa，允許拉應力 1.15ftk'=1.15×0.8×2.65=2.438 MPa，可知，施工階段主梁應力均滿足規范要求（fck'、ftk'分別為短暫狀況施工階段的混凝土軸心抗壓、抗拉強度標準值）。

在施工過程中，索塔最大壓應力為6.25 MPa，無拉應力。考慮混凝土初次加載強度取設計強度的80%，則最大壓應力限值為0.70 fck'=0.7×0.8×32.4=18.14 MPa＞6.25 MPa，可知，施工階段主塔應力均滿足規范要求。

在施工過程中，斜拉索的最大應力為540 MPa，小于0.5fpk=835 MPa，滿足規范要求。

3.5 穩定驗算

對施工階段和成橋運營階段的幾個重要工況進行彈性屈曲穩定分析，得到了各工況下結構的彈性屈曲穩定安全系數，如表2所示。在施工階段的裸塔狀態及最大雙懸臂狀態，失穩模態均表現為索塔縱橋向失穩；成橋運營階段，失穩模態表現為索塔縱橋向失穩與主梁豎向失穩。施工及運營階段，穩定安全系數最小為24。從表2可知，主橋結構在各階段均有足夠的穩定安全系數。

表2 主橋各工況彈性屈曲穩定系數

3.6 抗震驗算

本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，根據地震安全性評價報告提供的反應譜，對主橋進行動力分析和地震驗算。經驗算，在E1地震作用下，各構件均處于彈性狀態；在E2地震作用下，邊墩柱、上塔柱與塔橫梁作為延性構件進入塑性狀態，但塑性變形和抗剪強度均滿足規范要求，邊墩蓋梁、主梁、斜拉索、塔墩以及基礎作為能力保護構件，在強度允許范圍內；支座、擋塊和伸縮縫的設置均能滿足地震變形的需求。

4 結語

組合梁斜拉橋為高次超靜定結構，結構體系較為復雜。主梁施工方案對組合梁斜拉橋施工階段、成橋階段以及運營階段的內力狀態影響很大。本工程根據項目建設的需要，對主梁的施工方案、施工工序和斜拉索張拉力進行了變更設計，并對橋梁的施工階段與運營階段各個工況進行了驗算，各項指標均滿足規范要求。本工程在保證結構安全合理的前提下，最大限度地減少了施工現場已采購項目的浪費，而且大大節省了施工周期。希望研究結果能為類似工程提供參考。