支架現澆法塔梁同步施工獨塔混凝土斜拉橋仿真分析

游勇利, 劉 輝

(1.江西省公路科研設計院有限公司，江西 南昌 330002；2.江西省交通工程集團有限公司，江西 南昌 330038;3.武漢理工大學 交通與物流工程學院，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著城市的發展，越來越多的城市景觀橋梁成為一座城市的標志，造型獨特，體現當地歷史文化特色的空間結構橋梁成為首選。斜拉橋因其結構新穎、美觀、跨越能力大等特點，在現代橋梁橋型方案設計中具有較強競爭力。斜拉橋施工方法對成橋內力、變形影響較大，而橋梁施工控制是實現設計合理成橋狀態的關鍵。根據國內外專家學者的研究成果，施工控制方法主要有無應力長度控制法、卡爾曼濾波法、最小二乘法、自適應控制法等方法[1]。獨塔斜拉橋是高次超靜定結構，結構構件受力復雜，為確保橋梁施工過程結構安全、設計的合理成橋狀態在橋梁施工中得以順利實現，需采用有限元軟件建立空間模型進行計算分析，確定合理的施工狀態，應用仿真分析結果，分析斜拉橋施工過程中的結構內力、應力、索力、變形等變化規律，指導施工，最終實現設計意圖。因此，獨塔斜拉橋對施工監控計算的要求更高，把握該類型橋梁結構監測與控制重點，才能保證施工安全及實現合理的成橋狀態，指導現場施工。獨塔斜拉橋主要有懸臂現澆或懸臂拼裝施工法、預制安裝法、轉體施工法、頂推施工法、支架現澆法等施工方法，其中懸臂澆注和支架現澆法最為常用[2]。本研究以江西省某獨塔混凝土斜拉橋為背景，采用MIDAS Civil建立整體模型進行施工全過程仿真計算，開展支架現澆法塔梁同步施工斜拉橋力學性能研究。針對該橋結構特點、受力模式，明確了支架現澆法施工主梁、塔梁同步施工、主梁豎向位移、人字塔中塔柱施工臨時橫撐千斤頂頂推力控制、塔梁固結處應力、拉索索力值及結構體系轉換是控制的重點。計算結果表明，該橋主梁、主塔、斜拉索在各擬定施工階段均滿足控制要求，且具有一定安全儲備,施工方案切實可行，可為類似支架現澆法塔梁同步施工混凝土斜拉橋仿真計算分析提供借鑒參考。

1 概況

江西省境內某大橋跨越撫河，橋跨布置為4×35 m(預制小箱梁)+2×132 m(預應力混凝土斜拉橋)+4×35 m(預制小箱梁)，橋梁全長560 m。其中主橋采用2跨132 m獨塔預應力混凝土斜拉橋，橋梁結構為塔梁固結體系。主要設計技術標準:一級公路兼顧城市道路功能，雙向6車道，橋面寬度為28 m；設計荷載為公路-I級，人群3.5 kN/m2；設計洪水頻率為1/100。

主梁采用雙邊肋板式斷面(π形梁)，中心梁高2.65 m，邊肋板梁高2.5 m。主梁頂寬為26.5 m。主梁0號塊總長30 m，其余縱向分段長度8 m，分為13對梁段。主塔采用人字形塔身，主塔下塔柱高度為16.46 m,中塔柱高為37.81 m,上塔柱高44.5 m,自承臺頂起塔柱高98.77 m。下橫梁與主梁固結，采用橫、豎雙向預應力體系,箱形截面。斜拉索采用平行鋼絲拉索體系，全橋共設26對斜拉索。兩塔柱底承臺平面尺寸分別為15.5 m×15.5 m，厚4.5 m，承臺系梁高4.5 m，寬6 m。為抵抗塔柱傳遞下來的較大水平力，在承臺及系梁內橫橋向布置預應力鋼束。每個承臺下設9根φ2.5 m的鉆孔灌注樁，系梁下設2根φ2.5 m的鉆孔灌注樁[3]。橋型布置圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

針對此類獨塔斜拉橋結構特點，結合橋位區地勢平坦，河床地形平緩、水位較淺、橋下凈空較低等現場條件，主橋采用的施工方法主要有：0#段采用托架上現澆施工，兩側主梁采用少支架現澆法同時對稱施工；主梁合龍段采用吊架現澆施工，現澆段在墩旁支架上現澆施工；主塔基礎位于淺水區，采用筑島圍堰施工。主塔塔柱采用爬模法施工。擬定施工方案后，進行施工階段內力分析，了解橋梁結構構件在各施工階段下內力狀態。

2 施工階段分析

根據本橋的結構特點(人字塔、主塔剛度較大，主梁剛度較小)，結合橋位區河道現狀未通航，河床平緩、水位較淺、橋下凈空較低等特點，考慮到施工難易程度、造價、工期等多方面因素，綜合考慮確定本橋采用現澆支架法分節段施工預應力混凝土主梁，即塔梁同步施工方法，主要施工流程見表1。首先主塔樁基、承臺、系梁等下部結構施工；其次采取爬模施工中下塔柱，同時配置一臺塔吊輔助施工，中塔柱施工時設橫、豎向支撐鋼管，同時在爬模施工人字塔中塔柱時須分批預頂橫向支撐鋼管。完成中塔柱合龍后施工主梁0#塊，上塔柱與主梁分節段同步施工。A1～A13范圍主梁采用8 m一段滿堂支架逐段現澆施工，并設置臨時支撐鋼管，臨時支撐鋼管間距8 m，在斜拉索終張拉完成后拆除臨時支撐鋼管。斜拉索的兩端均采用張拉端錨具，施工時在主塔內張拉。

表1 施工流程圖

根據該橋結構受力特點，塔梁同步施工，主梁采用支架法施工，主塔采用爬模法施工，根據擬定的施工專項方案，將有限元計算模型劃分為24個施工階段(表2)。

表2 施工階段劃分

3 有限元模型

3.1 結構受力模式分析

斜拉橋由主梁、主塔、拉索等3種基本構件組合構成，主梁受力類似于多跨彈性支撐連續梁，斜拉索與主梁錨固處可看做一個多點的彈性支承，使得主梁彎矩大大減小[4-5]。在恒載作用下，斜拉索張拉力使得塔梁處于合理的受力狀態下；其他附加荷載和活載的共同作用下，斜拉索發揮力的傳遞和彈性支承作用[5-7]。一般情況下，塔柱和主梁處于偏心受壓受力狀態，并且斜拉索索力具有可調性，在恒載的作用下，可通過調整斜拉索的索力來改變主梁的彎曲內力[5, 8]。因此，拉索承受拉力，主塔、主梁承受較大壓力。

3.2 有限元模型

斜拉橋計算模型，按主梁的模擬情況，可分為Ⅱ形模型、三主梁模型、雙主梁模型和單主梁模型；按斜拉索的模擬情況，可分為曲線索單元法、等效彈性模量法和多段直桿法[6, 9-10]。本研究中斜拉橋主塔、主梁均采用單梁模型模擬。

采用橋梁結構分析軟件MIDAS Civil建立空間有限元分析模型(見圖2)。全橋共離散為391個節點，322個單元，其中采用只受拉桁架單元模擬斜拉索，其余構件均采用梁單元進行模擬,塔梁固結(主梁與主塔橫梁固結)采用剛性連接模擬，現澆支架采用只受壓彈性連接模擬[11]。根據施工階段劃分(表2)，模型共劃分為24個施工階段。通過理論計算得出施工過程中的最不利施工工況及結構最不利受力位置，使成橋后的索力、內力和線形既滿足施工過程中的結構安全要求又能達到理論的設計狀態。

圖2 有限元仿真模型

4 仿真計算重點

支架現澆法塔梁同步施工獨塔斜拉橋，建立有限元仿真模型進行計算分析，研究關鍵施工階段主塔、主梁、斜拉索等主要構件的應力、撓度(偏位)以及穩定性情況，特別是主梁合龍前最大單懸臂狀態下的穩定性。針對索塔錨固區、塔梁固結處等局部受力復雜構件，需要進一步建立實體模型進行局部分析研究，本研究不做闡述。其中支架現澆法施工主梁、塔梁同步施工、中塔柱施工臨時橫撐千斤頂頂推力控制、主梁豎向位移、塔梁固結處應力、拉索索力值及結構體系轉換是施工控制計算的重點。

(1)主塔施工過程及成橋后水平位移控制。由于該橋主塔為人字形塔、塔高近99 m，其中中塔柱高為37.81 m，中塔柱各節段施工采用旋臂架爬模施工工藝。人字塔傾斜中塔柱在施工階段，隨著各節段塔柱施工，自重作用下產生的傾覆力矩越來越大，同時爬模及風荷載作用下，塔柱根部產生較大的應力[12]。首先，施工中塔柱時，中塔柱處于單懸臂狀態，應合理設置臨時橫撐設計，在水平臨時橫撐鋼管內設置千斤頂，并根據中塔柱節段施工情況，調整臨時橫撐千斤頂頂推力，嚴格控制中塔柱底截面應力、塔頂位移，保證主塔施工安全，如圖3所示。

圖3 主塔施工示意圖

(2)主梁應力及變形。主橋主梁施工采用搭設支架現澆，為嚴格控制主梁線形，澆注混凝土前必須進行壓載試驗，以檢驗現澆施工平臺系統各構件、驗證關鍵點的受力情況、消除非彈性變形。仿真計算首先根據總體施工方案擬定的施工順序進行模擬，并在施工過程中嚴格按照現場實際的施工順序、施工參數對計算模型進行修正，重點對各施工階段主梁應力、位移進行控制，特別是拆除節段支架、調索、合龍階段，同時根據計算結果提供各節段主梁預拋高理論值。

(3)結構體系轉換控制。拆除主梁節段支點支架時，主塔兩側應同時一起卸架，達到同步、均衡的要求，嚴格控制主塔水平位移情況。落架是一次重要的體系轉換過程，應重點計算各節段落架前后的主塔、主梁位移、拉索索力變化情況，以保證結構安全穩定。主塔偏位和主梁線形均應控制在允許范圍以內。

(4)斜拉索索力控制。對于斜拉橋結構，斜拉索是整個結構體系中最為關鍵的一個構件，拉索索力值對主梁、主塔受力狀態產生較大影響。通過理論計算得出拉索初張拉及調索索力值是施工監控計算中的重中之重。根據施工方案，確定斜拉索進行3次調索。斜拉索：①第1次調索：各拉索掛索初張拉；②第2次調索：主梁合龍，體系轉換，拆除主梁支架；③第3次調索：橋面系施工后，調索至成橋設計索力值。

(5)主梁行車舒適性。結合本橋的結構特點，主梁主要承受軸向壓力，主梁有索區彎矩應盡可能均勻分布，同時應避免主梁無索區出現過大的變形撓度和較大的彎矩，盡量使主梁受力合理，線形滿足行車舒適性要求[13]。

5 塔梁同步施工仿真分析成果

斜拉橋是高次超靜定結構,結構受力復雜，拉索索力對結構的內力影響顯著,尤其是對于主梁剛度較小的獨塔斜拉橋,由于其主梁截面面積小、自重小、剛度小等特點,斜拉索的張拉力對主梁的線形和內力影響很大,因此,預應力混凝土斜拉橋合理成橋狀態和合理施工狀態的確定在結構分析理論中尤為關鍵[14]。

5.1 設計合理成橋狀態

根據本橋的結構設計特點(主梁剛度較柔，主塔剛度較大)，擬定合理成橋狀態而確定拉索成橋索力，使主塔、主梁應力及位移均滿足規范要求。所謂合理成橋狀態是指斜拉橋在施工完成后在所有恒載作用下受力滿足某種理想狀態[15]，如梁、塔中彎曲應變能最小。在斜拉橋成橋狀態的確定時只考慮結構自重、預應力等恒載，而擬定設計合理成橋狀態。合理成橋狀態下成橋索力設計值如圖4所示。

圖4 合理成橋狀態下索力設計值

5.2 成橋狀態下主梁、主塔、斜拉索計算結果

(1)主梁。成橋狀態下,主梁截面上下緣均受壓，主梁混凝土上緣最大壓應力-8.2 MPa，下緣最大壓應力-10.8 MPa，滿足規范要求，主梁上下緣應力圖如圖5所示。

圖5 成橋狀態下主梁正應力(單位:MPa)

(2)主塔。成橋狀態下,主塔截面上下緣基本處受壓狀態，主梁混凝土上緣最大壓應力-6.5 MPa，下緣最大壓應力-8.7 MPa，滿足規范要求，主梁上下緣應力圖如圖6所示。從主塔應力圖中可知，塔梁固結處局部出現較小的拉應力(0.74 MPa)，分析其原因為，主塔、主梁均采用單梁模型模擬，塔梁固結處通過剛性連接進行處理，產生一定偏差。可進一步對塔梁固結處建立實體模型進行局部分析，求出精確解。

圖6 成橋狀態下主塔正應力(單位:MPa)

(3)斜拉索。斜拉橋成橋索力及成橋應力如圖7所示，成橋狀態下斜拉索應力在520～603 MPa之間。斜拉索的安全系數不應小于2.5[16]，即[σ]≤0.4fpk=0.4×1 670=668 MPa，滿足規范要求。

圖7 成橋狀態下斜拉索應力(單位：×102 MPa)

(4)行車舒適性。在公路-I級和人群荷載作用下，主梁跨中最大撓度為48 mm，遠小于規范要求的橋梁跨徑的1/500，說明主梁行車舒適性很好。但施工過程中還應注意澆注主梁混凝土前應進行支架預壓，預壓重為1.2倍主梁節段自重。

5.3 施工階段計算結果

可使用MIDAS Civil 程序中未知荷載系數功能做斜拉橋的正裝分析，通過設定目標函數值而計算出各施工階段較為理想的索力，可避免較為繁瑣的試算工作[17-18]。

施工控制可采用以標高(位移)、拉索張拉力控制相結合方法。塔柱、主梁、拉索同步施工，應重點解決好塔梁相互影響，同時在主塔施工過程中保護好斜拉索索體。當現場調整施工工序時，需重新劃分施工階段，優化計算模型，得出拉索施工索力值[19]。

根據擬定的施工工況，對橋梁結構進行有限元分析，調整拉索索力、臨時橫撐千斤頂頂推力等方式，并經多次修正計算，使各施工階段橋梁構件(主塔、主梁、拉索)內力、位移及應力值均在控制目標范圍內，確保結構構件施工安全。結果證明，各構件應力值均符合各施工階段的控制要求，且具有一定安全系數。

(1)合理施工索力理論值。根據施工方案，擬定4次調索工況：①第1次調索：各拉索初張拉；②第2次調索：拆除各節段支撐點鋼管支撐；③第3次調索：主梁合龍，體系轉換；④第4次調索：橋面系施工后，調索至成橋設計索力值。各施工工況索力理論值如圖8所示。

圖8 各工況施工索力理論值

(2)施工中塔柱橫撐千斤頂頂推力。中塔柱施工，采用旋臂架爬模施工，模板高4.3 m，每次最大施工階段為4 m，共分11次澆注。在中塔柱中間位置設置水平臨時橫撐，在水平臨時鋼管內設置千斤頂，中塔柱施工臨時橫撐千斤頂頂推力理論值如圖9所示。

圖9 中塔柱施工臨時橫撐千斤頂頂推力

(3)主塔。主塔混凝土最大壓應力為-7.8 MPa，小于容許壓應力值[σ]=32.4×0.5=16.2 MPa,表明主塔主要呈受壓狀態。各施工階段，塔頂水平位移最大值為27.1 mm(→)，小于H/300=99/300=0.33 m且不大于30 mm,滿足設計要求。

(4)主梁。各施工階段主梁上下緣應力均為壓應力，主梁軸力分布較均勻。主梁上緣最大壓應力為-12.6 MPa，下緣最大壓應力為-9.4 MPa，均小于容許壓應力值[σ]=35.5×0.5=17.75 MPa。這表明主梁為全預應力混凝土構件。

(5)斜拉索。成橋狀態下，斜拉索最大拉應力為621.8 MPa，最小拉應力為534.6 MPa，均小于容許應力值[σ]=1 670 MPa/2.5=668 MPa，滿足規范要求。結果表明斜拉索未出現松弛現象，拉索應力分布較均勻，斜拉索安全系數均大于2.68。

6 結論

通過對支架現澆法塔梁同步施工獨塔混凝土斜拉橋進行施工全過程仿真分析，驗證了采用的施工方案是否可行，并得出結構最不利受力位置和最不利施工工況，從而確定下一步現場施工重點監測斷面及控制目標值。同時可以得出以下結論：

(1)主梁、主塔、斜拉索在各擬定施工階段均滿足控制要求，主梁有支架施工數值模型中模擬方法有效，塔梁同步施工仿真分析方法合理可行。明確了支架現澆法施工主梁、塔梁同步施工、中塔柱施工臨時橫撐千斤頂頂推力控制、主梁豎向位移、塔梁固結處應力、拉索索力值及結構體系轉換是控制的重點。

(2)通過對獨塔斜拉橋施工階段仿真計算，可得出斜拉索施工階段張拉索力值；并根據中塔柱節段劃分，控制中塔柱底截面應力及塔頂水平位移為目標函數，確定臨時橫撐千斤頂頂推力理論值。

(3)基于此類型橋梁結構特點(主塔的剛度較大，主梁剛度較小)，計算時應重點關注支架拆除、調整索力、體系轉換等關鍵階段，主梁豎向位移變化幅度。

(4)主塔塔頂偏位和塔身局部應力控制。由于主塔為變截面人型塔，塔柱空間受力復雜，調整索力對主塔內力影響較大，特別是主塔固結點(塔底、塔梁固結處，上塔柱與中塔柱分叉點)受力變化較大，塔身局部應力有可能超限。因此，應重點關注主塔3個固結點的局部應力，如有必要，擬采用ANSYS有限元分析軟件建立局部分析模型，進行局部應力驗算。