采用后支點(diǎn)掛籃施工的雙邊箱主梁混凝土斜拉橋設(shè)計(jì)

何 海

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507）

1 工程概況

斜拉橋跨越內(nèi)河Ⅰ級(jí)航道，要求通航凈寬不小于230 m，凈高不小于18 m，上底寬不小于207 m，側(cè)高不小于8 m。本橋設(shè)計(jì)為（119+250+119）m 雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土梁斜拉橋，邊中跨比為0.476，全長(zhǎng)488 m。主橋橋型布置如圖1 所示。

圖1 主橋橋型布置圖（單位:cm）

主橋?yàn)殡p向六車(chē)道整體式斷面，全橋總寬36.5 m。主梁橫斷面布置圖如圖2 所示。

圖2 主橋橫斷面布置圖（單位：cm）

2 主梁設(shè)計(jì)

主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱斷面結(jié)構(gòu)，主梁中心高度3 m，全寬36.5 m。箱寬7.5 m，頂板厚30 cm，直腹板厚40 cm，斜腹板厚30 cm，底板厚40 cm。拉索錨梁寬2.3 m（不含風(fēng)嘴）。

主梁邊跨現(xiàn)澆段，考慮配重的需要，采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室斷面結(jié)構(gòu)，主梁中心高度3 m，全寬36.5 m。邊箱寬7.5 m，頂板厚30 cm，直腹板厚50 cm，斜腹板厚45 cm，底板厚50 cm。

主梁采用C60 混凝土。主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫隔梁按A 類(lèi)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面板按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。

3 主梁掛籃施工方案

斜拉橋施工大多利用斜拉橋自身在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn), 懸臂澆筑施工時(shí)選擇前支點(diǎn)牽索式掛籃, 利用待澆梁段斜拉索和已澆梁段共同承擔(dān)待澆梁段和掛籃的全部重量,以減輕已澆梁段承擔(dān)的荷載,充分發(fā)揮斜拉索的作用。然而本橋施工單位根據(jù)已有施工機(jī)具情況及工期要求，提出了后支點(diǎn)掛籃施工的方案。

本橋主梁施工方案為0～1# 塊采用支架現(xiàn)澆、其余標(biāo)準(zhǔn)段采用后支點(diǎn)掛籃懸臂現(xiàn)澆施工。后支點(diǎn)掛籃施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 后支點(diǎn)掛籃施工過(guò)程圖

后支點(diǎn)掛籃布置如圖4 所示。

圖4 后支點(diǎn)掛籃橫向布置圖（單位：cm）

后支點(diǎn)掛籃空載時(shí)，前錨固點(diǎn)反力264.8 t（向下），后錨固點(diǎn)反力-72.6 t（向上），掛籃及模板等自重192.2 t。

掛籃滿(mǎn)載澆筑標(biāo)準(zhǔn)梁段時(shí)，前錨固點(diǎn)反力1019.9 t（向下），后錨固點(diǎn)反力-317.3 t（向上）。掛籃荷載適當(dāng)考慮澆筑混凝土濕重的不利影響，按1.1倍梁段自重考慮。

4 斜拉橋總體受力分析[1]

整體計(jì)算采用空間程序MIDAS，共建立703 個(gè)節(jié)點(diǎn)，676 個(gè)單元。其中，采用160 個(gè)索單元模擬拉索，516 個(gè)梁?jiǎn)卧M主梁、橋塔、基礎(chǔ)等，拉索和主梁之間采用剛臂連接。整體計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 計(jì)算模型

施工過(guò)程中主梁上、下緣最大拉應(yīng)力為0.5 MPa，主梁拉應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求；最大壓應(yīng)力為16.5 MPa，主梁壓應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。成橋階段主梁上下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為14.8 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。使用階段主梁標(biāo)準(zhǔn)狀況下最大壓應(yīng)力17.9 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。短期狀況下無(wú)拉應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 主梁0～1#梁段施工階段應(yīng)力分析[2]

2# 塊施工是本橋后支點(diǎn)掛籃施工中最為不利的計(jì)算工況之一，2# 塊澆筑施工如圖6 所示。

根據(jù)整體模型計(jì)算，在澆筑2# 塊梁體混凝土?xí)r，0～1 節(jié)段主梁中1 號(hào)斜拉索已張拉，1 號(hào)斜拉索力F1=2131 kN。對(duì)0～1 節(jié)段主梁建立塊體有限元模型（如圖7 所示），進(jìn)行應(yīng)力分析，主梁0# 塊布索區(qū)頂板最大拉應(yīng)力2.8 MPa（見(jiàn)圖8 及表1），考慮普通鋼筋的作用，基本滿(mǎn)足后支點(diǎn)掛籃施工的需要。

圖6 2# 塊澆筑施工（單位：cm）

圖7 主梁有限元模型

圖8 頂板縱向應(yīng)力圖

表1 單項(xiàng)應(yīng)力匯總 單位：MP a

從圖9 可以看出，在掛籃荷載單獨(dú)作用下，主梁0# 段頂板整體以受拉為主，但是拉應(yīng)力分布很不均勻，這主要受掛籃橫向傳遞范圍的影響，掛籃荷載基本上45°擴(kuò)散，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在主梁兩側(cè)拉索區(qū)以及內(nèi)側(cè)腹板與頂板交匯處（即掛籃作用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸線上），約8.5 MPa ，最小拉應(yīng)力出現(xiàn)在主梁中心處，約1 MPa ，主梁外側(cè)13 m 左右范圍內(nèi)拉應(yīng)力大于2 MPa。由此可見(jiàn)，受掛籃力橫向擴(kuò)散范圍的限制，掛籃僅對(duì)拉索區(qū)實(shí)體段及箱室范圍內(nèi)的主梁產(chǎn)生2～8.5 MPa 的拉應(yīng)力，中間橫梁區(qū)段范圍內(nèi)主梁頂板拉應(yīng)力很小，小于2 MPa。

圖9 掛籃單項(xiàng)荷載作用下應(yīng)力圖

從圖10 可以看出，在1# 斜拉索單獨(dú)作用下，主梁0# 段頂板整體以受壓為主，但是壓應(yīng)力分布很不均勻，主要受拉索橫向傳遞范圍的影響，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在主梁兩側(cè)拉索區(qū)，最大壓應(yīng)力2.8 MPa，最小壓應(yīng)力出現(xiàn)在主梁中心處，壓應(yīng)力0.3 MPa，主梁外側(cè)9 m 左右范圍內(nèi)壓應(yīng)力大于2 MPa，而拉索離0# 塊根部距離僅9 m，1# 拉索索力基本按45°擴(kuò)散。

圖10 斜拉索單項(xiàng)荷載作用下應(yīng)力圖

由此可見(jiàn)，受拉索索力橫向擴(kuò)散范圍的限制，1#索僅對(duì)拉索區(qū)實(shí)體段及箱室范圍內(nèi)的主梁產(chǎn)生2～2.8 MPa 的壓應(yīng)力，中間橫梁區(qū)段范圍內(nèi)主梁頂板壓應(yīng)力很小。

0～1# 塊節(jié)段長(zhǎng)度僅10 m，橋?qū)掃_(dá)36.5 m，結(jié)構(gòu)寬跨比較大，主梁在剪力滯效應(yīng)、預(yù)應(yīng)力束橫向分布不均勻（拉索區(qū)受斜拉索穿過(guò)影響，不易布置預(yù)應(yīng)力），掛籃和拉索力擴(kuò)散不開(kāi)等因素共同作用下，采用后支點(diǎn)掛籃施工，0～1# 塊頂板正應(yīng)力分布不均，在主梁中間段橫梁區(qū)頂板由于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，而掛籃及恒載產(chǎn)生的拉應(yīng)力卻不大，故頂板出現(xiàn)較大壓應(yīng)力儲(chǔ)備，而在兩側(cè)拉索區(qū)則剛好相反，預(yù)應(yīng)力提供壓應(yīng)力較小，而拉索產(chǎn)生的壓應(yīng)力水平也不高，但是掛籃卻產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致拉索區(qū)范圍內(nèi)頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力。

隨著節(jié)段長(zhǎng)度的增加，斜拉索傾斜角不斷減小，斜拉索水平分力不斷增加，其增加的壓應(yīng)力儲(chǔ)備足以抵消掛籃懸臂施工產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這與整體計(jì)算基本一致。經(jīng)計(jì)算，本橋施工階段頂板拉應(yīng)力最不利的為澆筑4#節(jié)段混凝土?xí)r，最大拉應(yīng)力不超過(guò)3 MPa，考慮普通鋼筋的作用，基本滿(mǎn)足后支點(diǎn)掛籃施工的需要。

6 后支點(diǎn)掛籃施工雙邊箱混凝土斜拉橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與前支點(diǎn)掛籃施工混凝土斜拉橋相比，后支點(diǎn)掛籃施工雙邊箱混凝土斜拉橋設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)。

6.1 主梁縱向預(yù)應(yīng)力用量增加

由于采用后支點(diǎn)掛籃施工時(shí)，已澆梁段需完全承擔(dān)待澆梁段和掛籃的全部重量，主梁施工階段的受力更為不利。

經(jīng)計(jì)算比較，采用后支點(diǎn)掛籃施工比采用前支點(diǎn)掛籃施工，主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束用量增加36%（見(jiàn)表2）。

表2 主梁縱向預(yù)應(yīng)力束工程量比較 單位：t

對(duì)于本橋，由于施工單位利用自有的后支點(diǎn)掛籃進(jìn)行施工，節(jié)約了購(gòu)置前支點(diǎn)掛籃費(fèi)用，經(jīng)過(guò)綜合比較，采用后支點(diǎn)掛籃施工仍然是較為經(jīng)濟(jì)的方案。

6.2 斜拉索用量變化不大

如圖11 所示，計(jì)算結(jié)果表明，采用前、后支點(diǎn)掛籃施工對(duì)成橋索力變化不大，平均相差約5%。故斜拉索用量變化不大。

圖11 前、后支點(diǎn)掛籃施工成橋索力對(duì)比（單位：kN）

6.3 施工過(guò)程中，主梁橫向應(yīng)力分布不均勻，需注意主梁剪力滯等效應(yīng)的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，主梁施工的前5 個(gè)梁段，由于結(jié)構(gòu)寬跨比較大，主梁在掛籃、斜拉索作用下剪力滯、軸力滯效應(yīng)更明顯，主梁截面應(yīng)力分布更不均勻。如果預(yù)應(yīng)力布置不當(dāng)，施工過(guò)程中主梁布索區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致主梁開(kāi)裂。建議前5 個(gè)梁段布置足夠多的預(yù)應(yīng)力，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力布置，拉索區(qū)域附件盡量布置足夠的預(yù)應(yīng)力，使主梁全截面趨于整體均勻受壓。

7 結(jié) 語(yǔ)

（1）混凝土雙邊箱主梁形式的混凝土斜拉橋，采用后支點(diǎn)掛籃懸澆施工雖然國(guó)內(nèi)實(shí)例較少，但在技術(shù)上是可行的。該橋現(xiàn)已建成通車(chē)，運(yùn)營(yíng)狀況良好。

（2）采用后支點(diǎn)掛籃施工的混凝土斜拉橋，已澆梁段需承擔(dān)待澆梁段和掛籃的全部重量，主梁施工階段的受力更為不利，主梁鋼束用量會(huì)有所增加。主梁橫向應(yīng)力分布更不均勻，剪力滯效應(yīng)更明顯。

（3）后支點(diǎn)掛籃施工可減少斜拉索索力調(diào)整次數(shù)，施工監(jiān)控難度較低，且能有效節(jié)省施工工期。結(jié)合施工單位的施工機(jī)具選擇不同的施工方案，可節(jié)約工程造價(jià)。