矮塔斜拉橋邊跨合龍施工工序調(diào)整分析

王 迪

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200030）

對矮塔斜拉橋的主梁來說，采用懸臂施工法有許多優(yōu)點(diǎn)，施工方便，經(jīng)濟(jì)效益高，在橋梁工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用[1-2]。懸臂施工過程中應(yīng)嚴(yán)格把控各個(gè)節(jié)段的高程控制工作，保證成橋后結(jié)構(gòu)的線形滿足設(shè)計(jì)要求[3]。但是，當(dāng)橋塔兩側(cè)結(jié)構(gòu)不對稱時(shí)，會產(chǎn)生不平衡彎矩，不平衡彎矩超過容許范圍可能會導(dǎo)致梁體傾覆。除此之外，還應(yīng)避免施工過程中主梁出現(xiàn)過大的應(yīng)力，保證施工狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)最大程度吻合。

合龍段的施工是橋梁施工的重要環(huán)節(jié)。該文對一采用懸臂澆筑施工方法的（94.2+220+94.2） m矮塔斜拉橋在邊跨合龍時(shí)的施工工序進(jìn)行調(diào)整，并對施工工序調(diào)整前后的梁體線形變化、結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了計(jì)算和分析。該文的研究成果可為類似斜拉橋懸臂施工工序的調(diào)整提供參考。

1 工程概況

潁上特大橋主橋橋型為預(yù)應(yīng)力混凝土雙矮塔斜拉橋，全長410 m，計(jì)算跨度為（94.2+220+94.2） m。主梁采用單箱雙室直腹板變高度連續(xù)箱梁，中支點(diǎn)處橋面寬度11.6 m，其他部位橋面寬14.1 m。采用塔梁分離的半漂浮體系，橋塔為縱向“A”型、空間桁架式橋塔，主塔高66.50 m，分為塔座、下塔柱、縱向系梁、上塔柱及上橫梁。斜拉索采用雙索面布置，每個(gè)索塔設(shè)8對斜拉索。橋梁總體布置圖見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：m）

全橋采用先塔后梁的施工工藝，主梁施工與斜拉索施工交叉進(jìn)行，主梁施工采用懸臂澆筑法，斜拉索錨固于主梁腹板外側(cè)。

該橋兩邊跨配跨相同，為對稱結(jié)構(gòu)，因此該橋的施工方案：先對稱懸臂施工，再邊跨合龍，最后中跨合龍[5]。

主梁共分為97個(gè)節(jié)段。其中，邊跨分20個(gè)懸臂澆筑節(jié)段、1個(gè)邊跨支架現(xiàn)澆段以及1個(gè)邊跨1.50 m合龍段，從0#塊到邊墩分別命名為1#~20#、邊跨合龍段和21#塊；中跨分為51個(gè)懸臂澆筑節(jié)段（包括中跨2.0 m合龍段），最大懸臂澆筑長度為4.50 m，從0#塊到中跨合龍段分別命名為1'#~20'#、22'#~26'#和中跨合龍段。

主梁頂、底板及腹板內(nèi)布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，主梁支點(diǎn)橫隔板及斜拉索橫梁內(nèi)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，0號段布置豎向預(yù)應(yīng)力束。邊跨合龍段截面預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖2。

圖2 邊跨合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束布置示意圖

2 施工工序調(diào)整方案

2.1 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)邊跨合龍施工步驟：1）安裝邊跨合龍段臨時(shí)剛性連接構(gòu)造，并臨時(shí)張拉合龍束，邊跨合龍須張拉2根T21b、2根B3鋼束，每根鋼束的臨時(shí)張拉力均為200 MPa。2）在吊架上現(xiàn)澆邊跨合龍段，養(yǎng)生。3）待混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，依次張拉（或補(bǔ)張拉）并錨固縱向預(yù)應(yīng)力束B7、B6、B5、T21a、B4、B3。4）邊跨掛籃暫不拆除（按2000 kN計(jì)），移動中跨側(cè)掛籃至下一節(jié)段。5）懸臂澆筑22節(jié)段，待混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，張拉并錨固22'#塊的頂板預(yù)應(yīng)力鋼束T22。

2.2 工序調(diào)整方案

擬調(diào)整的邊跨合龍施工步驟：1）懸臂澆筑22節(jié)段。2）安裝邊跨合龍段臨時(shí)剛性連接構(gòu)造，并臨時(shí)張拉合龍束，邊跨合龍須張拉2根T21b、2根B3鋼束，每根鋼束的臨時(shí)張拉力均為200 MPa。3）在吊架上現(xiàn)澆邊跨合龍段，養(yǎng)生。4）待混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，先張拉并錨固22'#塊的頂板預(yù)應(yīng)力鋼束T22，然后依次張拉（或補(bǔ)張拉）并錨固縱向預(yù)應(yīng)力束B7、B6、B5、T21a、B4、B3。5）邊跨掛籃暫不拆除（按2000 kN計(jì)），移動中跨側(cè)掛籃至下一節(jié)段。

3 線形與受力分析

3.1 計(jì)算模型

要判斷工序調(diào)整方案是否可行，須從主梁線形和結(jié)構(gòu)受力性能2個(gè)方面論證調(diào)整后的方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求。該文采用MIDAS/Civil空間有限元軟件建立（94.2+220+94.2） m矮塔斜拉橋的全橋模型，見圖3。通過定義不同的施工階段可模擬全橋施工全過程的變形與受力情況[4]。

圖3 全橋模型

3.2 22'#塊上、下緣應(yīng)力

在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.3-2005）中6.4.4條，在傳力錨固或存梁階段，C55混凝土壓應(yīng)力σc≤22.2MPa，拉應(yīng)力限值為σct≤1.848 MPa。

按照調(diào)整后的施工工序，計(jì)算頂板預(yù)應(yīng)力束T22張拉并錨固后，22'#塊的上、下緣應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見圖4~圖5。從圖可知，中跨22'#塊上緣最大應(yīng)力為-1.4 MPa，下緣最大應(yīng)力為0.2 MPa，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。顯然，T22頂板束張拉后，中跨22#塊上、下緣的應(yīng)力均小于規(guī)范限值。

圖4 22'#塊的上緣應(yīng)力（單位：MPa）

圖5 22'#塊的下緣應(yīng)力（單位：MPa）

3.3 不平衡彎矩對比

在不考慮斜拉索作用的情況下，計(jì)算在自重作用下產(chǎn)生的不平衡彎矩。圖6和圖7分別為按照原設(shè)計(jì)和工序調(diào)整后方案計(jì)算得到的塔梁臨時(shí)固結(jié)處彎矩示意圖。

圖6 原設(shè)計(jì)方案塔梁臨時(shí)固結(jié)處彎矩圖（單位：kN·m）

圖7 工序調(diào)整后塔梁臨時(shí)固結(jié)處彎矩圖（單位：kN·m）

由圖6可知，按原設(shè)計(jì)方案施工時(shí)，邊跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處彎矩為-2.930×106kN·m，中跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處彎矩為-2.693×106kN·m，即不平衡彎矩為2.37×105kN·m（前兩項(xiàng)數(shù)值之差）。由圖7可知，調(diào)整施工工序后，邊跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處為-2.930×106kN·m，中跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處為-2.901×106kN·m，即不平衡彎矩為2.9×104kN·m（前2項(xiàng)數(shù)值之差）。

對比2種施工工序產(chǎn)生的不平衡彎矩，發(fā)現(xiàn)先澆筑22'#塊的工況比原設(shè)計(jì)工況產(chǎn)生的不平衡彎矩小2.08×105kN·m，對結(jié)構(gòu)受力更有利。

3.4 徐變引起的線形變化量

22'#塊的澆筑順序不同，梁體由于徐變影響引起的線形變化量也會發(fā)生改變。施工步驟調(diào)整前后，主梁成橋累計(jì)變形分別如圖8、圖9所示。

圖8 原設(shè)計(jì)主梁成橋累計(jì)變形（單位：mm）

圖9 工序調(diào)整后主梁成橋累計(jì)變形（單位：mm）

經(jīng)計(jì)算分析，主梁變形在施工階段調(diào)整前后，最大變化量為15.4 mm，因此在計(jì)算立模標(biāo)高中，須對相應(yīng)預(yù)拱度做相應(yīng)調(diào)整。

3.5 斜拉索索力

施工步驟調(diào)整前后，張拉并錨固T22鋼束后的斜拉索索力大小及其比較結(jié)果見表1，其中A、B分別表示0#塊兩側(cè)的斜拉索。

表1 工序調(diào)整前后斜拉索索力（單位：kN）

不難發(fā)現(xiàn)，施工步驟調(diào)整前后，在張拉并錨固T22鋼束后索力的變化很小，斜拉索索力差值的最大變化率僅為0.47%，且同根索的不平衡力均小于抗滑裝置所能承擔(dān)的275t不平衡力限值。

4 結(jié)論

該文針對1個(gè)（94.2+220+94.2） m矮塔斜拉橋，在邊跨合龍時(shí)提出對原設(shè)計(jì)施工工序進(jìn)行調(diào)整，并對中跨梁體上、下緣應(yīng)力、不平衡彎矩、線形變化量和斜拉索索力4項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，驗(yàn)證調(diào)整方案的可靠性。得出如下結(jié)論：1）工序調(diào)整后，先澆筑中跨22'#塊，再進(jìn)行邊跨合龍，22'#塊頂板預(yù)應(yīng)力束T22張拉并錨固后，22'#塊上、下緣應(yīng)力仍滿足規(guī)范要求。2）工序調(diào)整后的不平衡彎矩比原設(shè)計(jì)小2.08×105kN·m；工序調(diào)整前后斜拉索索力變化很小；與原設(shè)計(jì)相比，主梁變形最大變化量為15.4 mm，立模標(biāo)高計(jì)算時(shí)需調(diào)整預(yù)拱度的大小。

從分析結(jié)果來看，該文提出的工序調(diào)整方案在受力性能和主梁線形2個(gè)方面都可以滿足設(shè)計(jì)要求，甚至在不平衡彎矩上具有一定優(yōu)勢，可為今后同類工程的施工方案優(yōu)化提供參考。