大跨度組合梁斜拉橋拉索施工控制研究

陳政 ，韓洋洋 （安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088）

1 工程概況

某大跨度組合梁斜拉橋主橋全長為1250m，主跨638m，為半漂浮結(jié)構(gòu)體系，共設(shè)112對斜拉索，斜拉索索長91～337m（圖1）。主梁采用分離式雙箱組合梁結(jié)構(gòu)，梁高3.3m，寬35.2m，中間通過鋼橫梁連接，鋼梁上疊合混凝土面板，并通過剪力釘連接以形成組合截面。全橋共123個梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段長度10.8m、邊跨區(qū)梁段長度7.2m，主梁沿縱向每3.6m設(shè)置一道橫梁，采用橋面吊機(jī)最大起吊梁段重量392.3t，單個標(biāo)準(zhǔn)梁段重量383.5t。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：雙向六車道，設(shè)計(jì)速度100km/h，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年，設(shè)計(jì)安全等級Ⅰ級，車輛荷載公路Ⅰ級。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)布置圖

2 標(biāo)準(zhǔn)梁段常規(guī)施工方法及力學(xué)計(jì)算結(jié)果

2.1 常規(guī)二次張拉施工方法

標(biāo)準(zhǔn)梁段吊裝時(shí)采用二次張拉方法的施工步驟為：起吊i+1梁段；i梁段與i+1梁段間鋼結(jié)構(gòu)連接并第一次張拉i+1梁段斜拉索；澆筑梁段間濕接縫，張拉i+1梁段混凝土內(nèi)預(yù)應(yīng)力；吊機(jī)前移至i+1梁段，并第二次張拉i+1梁段斜拉索（圖2）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)梁段常規(guī)施工步驟（斜拉索兩次張拉）

2.2 力學(xué)計(jì)算結(jié)果

通過有限元軟件對橋梁采用二次張拉的吊裝施工方案進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，按照實(shí)際施工過程分為約80個主要施工階段，梁段橋面板混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 常規(guī)二次張拉施工方法混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力

因組合梁斜拉橋梁段起吊重量遠(yuǎn)大于鋼箱梁斜拉橋，在橋面吊機(jī)前后支點(diǎn)反力作用下，最不利工況出現(xiàn)在懸臂吊裝階段的第i+1梁段起吊過程中，最危險(xiǎn)截面位于之前已起吊梁段內(nèi)。受此吊裝產(chǎn)生的負(fù)彎矩作用，梁段混凝土橋面板的最大受拉應(yīng)力為1.9MPa，主梁鋼結(jié)構(gòu)的最大受壓應(yīng)為140MPa。該計(jì)算結(jié)果雖滿足規(guī)范相關(guān)要求，但考慮施工安全等風(fēng)險(xiǎn)因素，需對常規(guī)二次張拉的施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

3 標(biāo)準(zhǔn)梁段三次張拉施工方法及力學(xué)計(jì)算結(jié)果

3.1 三次張拉施工方法

保持傳統(tǒng)二次張拉施工方法前三個施工步驟不變（圖2步驟a、b、c不變），增加斜拉索的二次超張和三次放張的施工步驟。即在第二次張拉第i梁段斜拉索時(shí)進(jìn)行超張拉（同圖4步驟b），而在吊裝第i+1梁段時(shí)對第i梁段斜拉索進(jìn)行第三次放張（圖4步驟a），具體施工步驟如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)梁段三次張拉施工步驟

由于斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)體系，第i梁段斜拉索進(jìn)行第三次放張的同時(shí)會在梁段內(nèi)產(chǎn)生附加正彎矩，同時(shí)該梁段產(chǎn)生向下的附加位移。在該附加正彎矩作用下，梁段橋面板內(nèi)產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，該附加壓應(yīng)力與橋面板內(nèi)由斜拉索水平分力和預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加，將在梁段橋面板內(nèi)形成更大的預(yù)壓應(yīng)力，增大橋面板混凝土的安全儲備。

圖5 三次張拉施工方法混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力

3.2 力學(xué)計(jì)算結(jié)果

通過有限元軟件對橋梁采用三次張拉的吊裝施工方案進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，梁段橋面板混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的最大組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，采用三次張拉施工方案后，混凝土橋面板的最大受拉應(yīng)力約為1MPa，主梁鋼結(jié)構(gòu)的最大受壓應(yīng)為130MPa，較二次張拉施工方案的計(jì)算結(jié)果均有明顯減小，故采用三次張拉的吊裝方案具有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)論

大跨度組合梁斜拉橋在懸臂吊裝施工過程中，主梁混凝土橋面板在斜拉索索力水平分量和橋面板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的作用下形成預(yù)壓應(yīng)力儲備。組合梁斜拉橋的梁段重量遠(yuǎn)大于鋼箱梁斜拉橋，在橋面吊機(jī)最不利施工起吊荷載的作用下，梁段受負(fù)彎矩作用，主梁混凝土橋面板內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

為降低施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免配置施工臨時(shí)預(yù)應(yīng)力筋，結(jié)合斜拉橋超靜定的結(jié)構(gòu)特性，改變常規(guī)斜拉索二次張拉的施工方法，增加斜拉索的二次超張和三次放張的施工步驟，在相鄰斜拉索索力的豎向分力差作用下使梁段內(nèi)產(chǎn)生附加正彎矩，從而在梁段橋面板混凝土內(nèi)產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，形成更大的預(yù)應(yīng)力安全儲備。理論計(jì)算和實(shí)測結(jié)果均表明，大跨度組合梁斜拉橋在懸臂吊裝施工中采用斜拉索三次張拉法，梁段整體受力更為合理，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。