七都大橋北汊橋輔助墩合龍方案優(yōu)化分析

沈 東 王 杰 胡逸凡 楊玉滿

(1.溫州市七都大橋北汊橋建設(shè)有限公司 溫州 325000；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034； 3.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034)

疊合梁斜拉橋充分發(fā)揮了混凝土抗壓性能好、鋼材抗拉壓性能好的材料特性，使其具有自重輕、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)勢，在橋梁建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。隨著跨度的增加，往往在邊跨合適位置設(shè)置輔助墩，來改善結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性，降低施工風(fēng)險[4-5]。

輔助墩的設(shè)置改變了懸臂施工階段的吊裝工序，為了順利通過輔助墩，通常做法是在輔助墩旁搭設(shè)臨時支架或托架，將墩頂梁段提前放置于墩頂，合龍前采用三向千斤頂調(diào)整墩頂梁段位置，調(diào)整到位后安裝與懸臂梁連接合龍。但當(dāng)遇到工期緊、輔助墩墩頂操作空間受限、支架或托架局部承載力較弱時，此方法往往會影響合龍精度或施工進(jìn)度，甚至影響支架安全。本文以溫州市七都大橋北汊橋工程為背景，為克服此方案的弊端，提高拼裝精度和保證施工進(jìn)度，對原設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化，大橋于2020年1月10日順利實(shí)現(xiàn)輔助墩合龍。該優(yōu)化方案可為供類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

七都大橋北汊橋主橋設(shè)計為58 m+102 m+360 m+102 m+58 m雙塔中央索面疊合梁斜拉橋。采用五跨連續(xù)半漂浮體系，空間密索型布置。主橋主梁分為近塔段(T節(jié)段)、標(biāo)準(zhǔn)段(22對)、合龍段(MH)，主梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，二者通過剪力釘相結(jié)合。橋面板寬度為37.62 m，梁高(鋼箱梁)3.5 m。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索。斜拉索在主梁上的基本索距為8 m，邊跨尾索區(qū)為6 m；塔上索距為2.5 m，全橋共168根斜拉索，最大斜拉索長度193.8 m。主橋立面布置見圖1。

圖1 七都大橋北汊橋主橋立面布置圖(單位：m)

2 方案優(yōu)化

2.1 原方案

原方案為塔區(qū)S0-T-M0梁段在支架上拼裝，S1～S11、M1～M11采用橋面吊機(jī)懸臂拼裝方案，輔助墩墩頂節(jié)段包括S11、S12、S13。輔助墩墩頂梁段施工工序?yàn)榇钤O(shè)輔助墩臨時支架→依次吊裝S12、S13節(jié)段→調(diào)整節(jié)段并臨時擱置(節(jié)段向邊跨側(cè)預(yù)先偏移20～30 cm左右，確保S11節(jié)段吊裝空間)→吊裝S11節(jié)段→調(diào)整節(jié)段，順序完成S11、S12、S13節(jié)段焊接→澆筑濕接縫，并張拉縱向預(yù)應(yīng)力→安裝BS11、MS11斜拉索并完成張拉→橋面吊機(jī)前移→吊裝M12節(jié)段→澆筑濕接縫→安裝BS12、MS12斜拉索并完成張拉→橋面吊機(jī)前移→吊裝M13節(jié)段→澆筑濕接縫→安裝BS13、MS13斜拉索并完成張拉→橋面吊機(jī)前移，準(zhǔn)備S14、M14節(jié)段的吊裝。

原方案輔助墩合龍示意圖見圖2，運(yùn)梁船定位位置向主跨側(cè)預(yù)偏約1 m，橋面吊機(jī)起吊S11節(jié)段，同時在棧橋上利用鋼絲繩留纜，此時橋面吊機(jī)鋼絞線控制2°左右的斜度，節(jié)段起吊5 m左右，運(yùn)梁船離開，將節(jié)段緩慢恢復(fù)至垂直狀態(tài)起吊就位，S11后端與S10焊接，采用三向千斤頂調(diào)整S12梁段位置，使S11前端與S12梁段焊接。

圖2 原方案輔助墩合龍流程示意圖

2.2 優(yōu)化方案

受潮位影響，運(yùn)梁船無法靠近主墩墩旁托架，S11梁段起吊角度過大，起吊安全風(fēng)險大，故需將S11梁段長度減小，重量減輕，減小起吊夾角，才能安全起吊。將S11梁段較小部分增加至S12梁段，S12梁段自重增加至4 200 kN，現(xiàn)場需更換大的三向千斤頂才能對S12梁段進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，由于原輔助墩墩旁支架設(shè)計未考慮梁重增加因素，造成墩頂操作空間受限及支架局部受力不能滿足頂梁要求。針對以上問題，結(jié)合施工線形控制及結(jié)構(gòu)受力的分析結(jié)果，需對原輔助墩合龍方案進(jìn)行優(yōu)化。

方案優(yōu)化的思路是以成橋狀態(tài)為目標(biāo)，調(diào)整吊裝工序，并采用有限元模型計算的方式對2種方案的塔偏、索力、線形進(jìn)行計算分析，根據(jù)計算結(jié)果論證優(yōu)化方案的可行性。

優(yōu)化方案為將S11梁段縮短1 m，S12梁段增長1 m，運(yùn)梁船定位位置向主跨側(cè)預(yù)偏約2 m，橋面吊機(jī)起吊S11節(jié)段，同時在棧橋上利用鋼絲繩留纜，此時橋面吊機(jī)鋼絞線控制2°左右的斜度，節(jié)段起吊5 m左右，運(yùn)梁船離開，將節(jié)段緩慢恢復(fù)至垂直狀態(tài)起吊就位，S11后端與S10焊接，橋面吊機(jī)前移，張拉BS11、MS11斜拉索，輔助墩墩頂梁段施工工序?yàn)椋旱跹bS12節(jié)段→調(diào)整節(jié)段，順序完成S11、S12節(jié)段焊接→澆筑接縫，并張拉縱向預(yù)應(yīng)力→施加S12梁段一期配重→安裝BS12、MS12斜拉索，并完成張拉→橋面吊機(jī)前移，準(zhǔn)備S13、M13節(jié)段的吊裝。S12梁段起吊匹配示意圖見圖3。

圖3 S12梁段起吊匹配示意圖

3 結(jié)構(gòu)分析與控制

3.1 計算模型及思路

輔助墩合龍方案的變化，必然造成輔助墩合龍前邊跨索力與線形的變化，甚至?xí)绊懯┕み^程中的受力安全[6-8]。為保證合龍后線形的平順性，主梁、橋面板受力及斜拉索索力安全系數(shù)滿足設(shè)計文件要求[9]，采用有限元軟件midas Civil建立三維模型，對原方案與優(yōu)化方案進(jìn)行施工過程模擬，對比分析合龍前后邊跨的受力及線形影響。

主橋主塔采用C55海工耐久性混凝土，輔助墩、過渡墩采用C40海工耐久性混凝土，橋面板采用C60混凝土，鋼梁采用Q345qD，斜拉索為鍍鋅平行鋼絲斜拉索，共9種規(guī)格。計算模型見圖4。邊界條件、臨時荷載與實(shí)橋保持一致，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，主塔、主梁、橋墩采用梁單元模擬，材料特性根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行修正。

圖4 三維有限元計算模型

方案優(yōu)化計算分析的原則為輔助墩合龍后(即BS12、MS12斜拉索張拉完成)，塔偏、索力、線形、應(yīng)力與原方案結(jié)果基本保持一致，細(xì)微差別可通過成橋調(diào)索工況進(jìn)行調(diào)整。計算的思路為輔助墩合龍前，根據(jù)梁重和吊重變化，提前調(diào)整索力、塔偏、線形，實(shí)現(xiàn)S12梁段與S11梁段的無應(yīng)力線形匹配，然后施加S12梁段一期壓重，確保輔助墩支座處于受壓狀態(tài)，待BS12、MS12斜拉索張拉完成后，調(diào)整墩頂附近的斜拉索索力，使結(jié)構(gòu)狀態(tài)與原方案保持一致。

3.2 計算分析結(jié)果

原方案與優(yōu)化方案的工序變化與區(qū)別見表1，其余施工階段工序相同，表中未列出。根據(jù)表1的工序，為保證S12梁段與S11梁段的預(yù)應(yīng)力匹配角度，且匹配后S12梁段支座位置處標(biāo)高達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，優(yōu)化方案對S11、M11的一次張索力進(jìn)行了調(diào)整，由原方案的3 792，3 547 kN(邊、中)調(diào)整為2 916，3 235 kN(邊、中)。

表1 原方案與優(yōu)化方案工序?qū)Ρ缺?/p>

原方案與優(yōu)化方案的塔偏計算結(jié)果(工序1～9)見圖5，橋面吊機(jī)前移，工序5狀態(tài)下2種方案塔偏差別較大，但是輔助墩合龍后，工序9狀態(tài)下優(yōu)化方案與原方案塔偏值趨于一致，優(yōu)化方案與原方案塔偏分別為-168，-182 mm(“-”代表向邊跨偏，下同)，差值14 mm。

圖5 各工序下塔偏計算結(jié)果

工序9狀態(tài)下，邊跨BS1～BS12斜拉索索力見表2，該工序下，優(yōu)化方案的斜拉索索力與原方案的斜拉索索力最大偏差為-4.5%，小于5%，最小安全系數(shù)為3.0，大于2.0，滿足JTG/T 065-01-2007 《公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則》施工工期斜拉索安全系數(shù)不小于2.0的要求。

工序9狀態(tài)下，邊跨S1～S12梁段線形見圖6，該工序下，優(yōu)化方案的邊跨主梁線形與原方案的主梁線形基本一致，最大偏差為6 mm，滿足設(shè)計文獻(xiàn)中線形偏差不大于20 mm的要求。

表2 工序9狀態(tài)下優(yōu)化方案與原方案索力表

圖6 工序9狀態(tài)下邊跨線形對比圖

根據(jù)計算結(jié)果，工序9狀態(tài)下，原方案S1梁段根部橋面板最大壓應(yīng)力為-8.25 MPa，鋼梁最大壓應(yīng)力為-62.45 MPa；優(yōu)化方案S1梁段根部橋面板最大壓應(yīng)力為-8.42 MPa，小于理論限值-26.5 MPa，鋼梁最大壓應(yīng)力為-63.65 MPa，小于理論限值-210 MPa。滿足設(shè)計要求，由于后續(xù)工況按照原設(shè)計方案進(jìn)行，因此優(yōu)化方案僅對過程中的塔偏、索力、線形有影響，對成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)基本無影響。

綜上，雖然施工過程中2種方案的塔偏、索力、線形、應(yīng)力不同，但是輔助墩合龍后，優(yōu)化方案與原方案對比，控制指標(biāo)基本一致，即工序的變化改變了過程中的結(jié)構(gòu)變形與受力，但是對最終的成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響較小，且優(yōu)化后的方案現(xiàn)場起吊施工風(fēng)險小、墩旁支架無千斤頂局部作用、工期較原方案節(jié)約2～3 d時間，說明優(yōu)化方案可行。

3.3 控制成果

大橋現(xiàn)場采用優(yōu)化方案進(jìn)行施工控制，于2020年1月10日順利實(shí)現(xiàn)輔助墩合龍，合龍后工序9狀態(tài)下對主橋的塔偏、應(yīng)力、索力及線形控制指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)測對比。實(shí)測塔偏-172 mm，與計算值-168 mm基本一致；S1梁段根部橋面板實(shí)測平均應(yīng)力-7.92 MPa，鋼梁實(shí)測應(yīng)力-60.02 MPa，與理論計算值-8.42 MPa、-63.52 MPa基本一致，且實(shí)測值均小于理論計算值；邊跨BS1～BS12斜拉索實(shí)測索力與理論索力對比見圖7。

圖7 實(shí)測索力與理論索力對比柱狀圖

由圖7可見，實(shí)測索力與理論索力最大偏差4.1%，小于5%。

邊跨S1～S12梁段實(shí)測高程與理論高程對比見圖8。

圖8 實(shí)測線形與理論線形對比圖

由圖8可見，最大偏差13 mm，位于S6梁段，S12梁段前端較理論值小6 mm，小于理論限值±20 mm的要求。

綜合以上各控制指標(biāo)，說明當(dāng)現(xiàn)場條件及工期受限，采用調(diào)整斜拉索索力、橋面吊機(jī)起吊匹配過輔助墩取代輔助墩三向千斤頂合龍的方式是可行的，且降低了現(xiàn)場施工風(fēng)險，節(jié)約了工期，最終的控制狀態(tài)與原方案對比是吻合的。

4 結(jié)語

對于大跨度疊合梁斜拉橋主梁輔助墩合龍施工，當(dāng)現(xiàn)場條件受限，墩旁支架較弱，運(yùn)梁船難靠近支架時，采用調(diào)整索力與線形，改變合龍段梁長，橋面吊機(jī)起吊墩頂梁段匹配的方式過輔助墩，取代原來的通過墩頂三向千斤頂調(diào)整梁段合龍的方案是可行的。對比理論計算與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可得，施工控制過程中結(jié)構(gòu)的塔偏、應(yīng)力、線形、索力在允許范圍內(nèi)變化，輔助墩合龍后的狀態(tài)與原方案對比，各指標(biāo)基本一致，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果相吻合，大橋于2020年1月10日順利完成輔助墩合龍施工，比原預(yù)計工期節(jié)約了3 d，此優(yōu)化方案可為類似橋梁施工控制提供借鑒。