多塔斜拉橋頂推合龍關鍵技術研究

肖劍

(中南勘測設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410007)

大跨度雙塔或多塔砼斜拉橋成橋后受砼收縮徐變的影響，主塔會往跨中方向產生偏位。為使成橋穩定后主塔在恒載作用下保持豎直狀態，施工至主梁階段需對主塔進行預偏處理。目前，主塔往邊跨預偏主要通過邊、中跨的索力差來實現，會給施工過程中主梁受力帶來不利影響。另外，在確定的成橋目標狀態下，施工索力確定既要滿足成橋索力、主梁內力、線形目標，又要滿足塔偏目標，在成橋后塔偏由于收縮徐變變化較大的情況下，難以得到滿意的施工索力，即使得到了也會降低成橋目標狀態實現的精度。加上多塔斜拉橋主跨存在多個合龍口，會給后期高精度合龍帶來較大難度。為同時滿足高精度合龍和預加塔偏的要求，采用頂推方式增加預偏力，達到合龍后改善塔偏及減小應力的目標，確保橋梁在合理期限內的使用安全。該文主要研究頂推方案的優化、頂推關鍵技術的實施及控制。

1 工程概況

(汝城—郴州)汝郴高速公路赤石特大橋為四塔砼斜拉橋，總體橋型設計為左幅4×40 m連續T梁+(165+3×380+165) m斜拉橋+16×40 m連續T梁、右幅4×40 m連續T梁+(165+3×380+165) m斜拉橋+15×40 m連續T梁。中間雙塔采用墩梁固結，邊塔采用支座，每個主塔獨立布設23對斜拉索并呈扇形錨固于上塔柱。主塔外觀為曲線收腰形，主梁采用預應力砼箱梁形式。主跨分為3個合龍端，邊跨分為2個合龍端，合龍端長度均為2.0 m(見圖1)。

圖1 赤石特大橋橋型布置

2 頂推合龍方案

2.1 頂推合龍方案優化

多塔斜拉橋依據施工工序不同，產生的應力會有變化，應根據懸臂施工實際工序及監測數據選擇合龍方案。該橋施工步驟主要包含主塔施工、主梁澆筑、合龍、二期恒載施作等。原合龍順序為邊跨合龍→次邊跨合龍→中跨合龍(方案一)。計算結果顯示,主橋徐變10年完成后索塔偏位偏大(邊塔表現得尤其明顯)，且表現為偏向中跨(見表1)。

表1 原合龍方案下10年后塔頂偏位情況

注：正負號分別表示往大、小里程方向偏位；8#主塔為大里程邊塔，5#主塔為小里程邊塔。下同。

為降低后期成橋后因砼收縮徐變造成的主塔應力變化的不利影響，并進一步減小塔偏量，對合龍頂推方案進行優化：

(1) 調整合龍順序。將原合龍順序即方案一調整為邊跨合龍→中跨合龍→次邊跨合龍(方案二)。

(2) 因中跨首先進行合龍施工，在中跨合龍口兩端進行水平方向頂推力施加，確保中間塔可向邊跨側預偏；次邊跨進行合龍口施工時，于次邊跨合龍口進行水平頂推力施加，使2個邊塔也向邊跨預偏。

(3) 確定推力值。中跨施加頂推力的目標為橋梁完工并達到10年收縮徐變期后，中間塔墩梁固結點處產生的位移累計值基本為零；次中跨施加頂推力的目為橋梁完工并達到10年收縮徐變期后，邊塔主梁0#段產生的位移累計值約為零。因此，確定中跨施加400 t頂推力，次邊跨施加200 t頂推力。

2.2 頂推方案理論計算結果對比

2.2.1 塔頂偏位

頂推合龍施工順序優化并將頂推力施加于中跨合龍口和次邊跨合龍口后，成橋10年后由砼收縮徐變導致的理論塔偏量見表2。

表2 頂推合龍方案優化前后成橋10年后塔偏情況對比

由表2可知：頂推合龍方案優化后，成橋10年后主塔偏位大大減小，對改善主塔受力狀態有利。

2.2.2 主塔應力

頂推合龍方案優化后，施加頂推力后中間塔偏位趨于合理。下面以主塔左側為例，對主塔左右緣10年徐變完成階段應力情況進行分析。合龍方案優化前后5#～8#主塔左塔柱應力對比見圖2～5。

圖2 頂推合龍方案優化前后10年徐變完成 階段5#主塔左塔柱應力對比

圖3 頂推合龍方案優化前后10年徐變完成 階段6#主塔左塔柱應力對比

圖4 頂推合龍方案優化前后10年徐變完成 階段7#主塔左塔柱應力對比

圖5 頂推合龍方案優化前后10年徐變完成 階段8#主塔左塔柱應力對比

由圖2可知：方案二對5#主塔左、右緣絕對應力的改變主要體現在下塔柱位置，其影響量絕對值分別約-1.0、1.0 MPa，塔柱不平衡應力改善量為2 MPa。

由圖3可知：方案二對6#主塔左、右緣絕對應力的改變主要體現在墩柱位置，其影響量絕對值分別約-0.8、0.8 MPa，塔柱不平衡應力改善量為1.6 MPa。

由圖4可知：方案二對7#主塔右、左緣絕對應力的改變主要體現在下塔柱位置，其影響量絕對值分別約-0.6、0.6 MPa，塔柱不平衡應力改善量為1.2 MPa。

由圖5可知：方案二對8#主塔右、左緣絕對應力的改變主要體現在下塔柱位置，其影響量絕對值分別為-1.0、0.8 MPa，塔柱不平衡應力改善量為1.8 MPa。

綜上，頂推合龍方案優化后，主塔左、右緣10年徐變完成階段應力計算值更均衡，對抵抗后期活載影響更有利。

3 頂推關鍵技術

3.1 頂推支架設置

合龍階段主要以掛籃作為頂推設備及操作平臺。掛籃錨桿與梁體錨固，按照相對位置固定不變的原則預埋錨桿孔，現場根據施工進度情況進行調整。后施工梁段預埋孔位置根據已施工完成梁段預埋孔位置進行反力支架預埋。

反力支架采用雙拼H588×300工字鋼制作，支架與預埋在主梁兩側風嘴處實心段的鋼板焊接，作為頂推承力裝置的千斤頂安置于兩反力架中間(見圖6、圖7)。

圖6 1/2頂推反力支架立面圖(單位：mm)

圖7 反力支架A大樣圖(單位：mm)

3.2 剛性連接設置

在合龍段兩端主梁節段完成后，采用工字鋼作為剛性支架對兩端主梁節段端頭位置進行固定。剛性支架主要用于鎖定合龍段合龍時的標高、支撐頂推后主梁間的反力。根據實際受力情況，考慮在梁體斷面上設置9個控制點，每個點采用雙拼H588×300工字鋼固定，與梁體上預埋件焊接，保證主梁在合龍時標高鎖定及支撐頂推反力的效果(見圖8)。

圖8 頂推力轉換剛性支架示意圖(單位：mm)

3.3 頂推過程監控

(1) 塔偏監控。因塔頂處偏位值受頂推影響明顯，使用全站儀對6#、7#主塔偏位變化量進行實測，確保兩側位移在頂推過程中處于計算范圍內。

(2) 合龍口高差及長度變化監控。利用卷尺實測中跨及次中跨合龍口相對高差的變化；在合龍口兩側固定選取兩個點用卷尺測量長度變化，左、右幅各選擇1個點。

頂推監控主要以塔頂偏位控制為主，兼顧主梁標高，確保合龍后線形順暢、頂推中結構受力安全。

4 頂推成果分析

4.1 頂推影響因素分析

該橋為砼斜拉橋，需考慮材料指標因素對頂推效果的影響，確保頂推結果處于合理范圍內。

(1) 主塔砼彈性模量與理論值的差異。1) 采用6#、7#主塔彈性模量比理論值大50%進行模擬計算，以塔偏調整量為75 mm為基數計算得頂推力為400 t，再以該頂推力為基數計算主梁和主塔應力、索力影響量。應力影響量出現在主梁1#段處，最大為0.1 MPa；主塔應力影響量最大為0.3 MPa，處于橫梁C、D之間。頂推以塔偏量不變為原則，對索力沒有影響。2) 以5#、8#主塔彈性模量比理論值大50%進行模擬計算，以塔偏調整量為108 mm計算得頂推力為200 t，以該頂推力為基數計算索力影響量、主梁及主塔應力。應力影響量出現在主梁1#段處，最大為0.1 MPa；主塔應力影響量最大值為0.2 MPa，處于C、D橫梁中間。由于頂推以塔偏量不變為原則，對索力沒有影響。

(2) 主梁砼彈性模量實際值與理論值的差異。通過建模分析，主梁各梁段之間剛度的差異性并不會影響頂推成效。

(3) 兩塔之間彈性模量的差異。各塔水平位移一致(塔高一樣)，說明兩塔砼彈性模量沒有差異。

以上情況表明彈性模量和塔偏的取值會對主塔和主梁應力產生明顯影響，需在建模計算時根據實際工況合理取值，否則將影響橋梁結構的穩定性。

4.2 頂推結果分析

因頂推操作對梁體及塔偏位移量精度要求較高，且外界環境溫度對梁體變化及內力影響較大，為確保頂推完成后合龍口及塔偏位移值達到設計效果，頂推時間選擇在一天中溫度較低的晚間進行。表3、表4為主塔合龍位移、塔偏量理論值與現場實測值對比及誤差。

表3 中跨合龍口頂推結果分析

注：偏差絕對值=實測值-理論值；比值=實測值/理論值×100%。下同。

表4 次中跨合龍口頂推結果分析

由表3、表4可知：各主要部位位移狀態及頂推力均在可接受范圍內，頂推施工達到了預期效果。6#、7#主塔產生頂推誤差的主要原因是主塔砼實際彈性模量比理論值大50%左右；次中跨頂推誤差產生的主要原因是永久支座(5#、8#主塔及交界墩支座)摩擦力及主塔砼彈性模量誤差。

5 結語

根據頂推完成后實測數據進行分析，赤石特大橋采用的頂推方案合理，控制得當，預偏達到了設計和規范要求。得到以下經驗：1) 斜拉橋合龍口頂推施工應采用塔頂偏位及頂推力雙控的方式才能為合龍后線形提供有力保障。2) 頂推施工前應根據橋梁結構特性及外界環境影響合理確定頂推時間，這對施工管控非常重要。3) 頂推施工中應充分考慮結構砼彈性模量誤差，通過砼試塊彈性模量測試或試頂推確定結構實際彈性模量。