非對稱組合梁斜拉橋轉體施工敏感性分析

邢 云，周 煒，沈毅凱

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海市 201108）

0 引言

橋梁轉體施工，是一種將橋梁結構在非設計軸線位置澆筑或拼接成形后，利用摩擦系數很小的滑道及合理的轉動系統，通過轉體使結構就位的施工方法[1，2]。該施工方法能夠有效減少對既有交通的影響，是跨越繁忙既有線路的橋梁施工首選，可在斜拉橋、拱橋、剛構橋等多種結構形式中應用[3]。

非對稱橋梁進行轉體施工時，轉體合龍是施工關鍵控制內容[4，5]。本文以某轉體施工的大跨度非對稱組合梁斜拉橋為研究對象，進行結構施工過程中主梁支架剛度、斜拉索初始張拉力、梁體配重等施工因素的敏感性分析。研究影響結構受力和線形的因素，為結構順利轉體提供支撐，可為同類橋梁參考。

1 工程背景

1.1 結構概況

本文研究對象為雙塔單索面鋼混組合梁斜拉橋，橋跨布置為（105+310+155）m，橋型布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

斜拉橋主橋結構體系采用半漂浮體系，塔墩固結，塔梁間設置支座體系及液壓阻尼器，橫向設置抗風支座，兩邊墩及輔助墩設置豎向支撐。主橋加勁梁采用鋼混組合梁，橫斷面全寬35 m，混凝土橋面板采用C60 預制板，厚28 cm。混凝土橋面板在兩邊箱范圍內設置。斜拉橋主塔設計為縱向“人”字型鋼筋混凝土結構，主塔結構由下、中、上塔柱及塔冠部分組成。斜拉索采用中央索面布置，橫橋向采用雙排索，呈扇形布置，全橋共96 根斜拉索。

1.2 施工方案

由于該橋涉及跨鐵路施工，因此采用轉體施工技術來實現主梁合龍。主要的施工步驟為：（1）基礎、承臺、墩身及主塔施工；（2）在完成墩身及塔身的施工之后，順鐵路方向搭設鋼管支架；（3）分別在7 號塔和8號塔兩側拼裝鋼梁、安裝預制橋面板，并將預制橋面板與鋼梁結合；（4）安裝轉體段邊箱內永久壓重塊；（5）從橋塔中心向兩側一次安裝并張拉斜拉索；（6）主梁脫離支架；（7）安裝兩端頂升支架及千斤頂支撐體系，通過調節頂升支架頂力，使兩側橋塔和主梁體系保持平衡狀態，達到轉體狀態；（8）轉體施工；（9）調整邊跨配重，使邊跨梁段落于支座上；（10）封固球鉸，卸載臨時轉動系統支撐體系；（11）拼裝邊跨段；（12）施工完箱內永久壓重段，卸除臨時壓重塊；（13）中跨合攏；（14）張拉橋面板縱向鋼束；（15）施工橋面鋪裝及橋面附屬設施；（16）索力調整。

2 有限元模型

采用MIDAS CIVIL 建立斜拉橋模型，其中主梁、橋塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。模型整體如圖2 所示。全橋共473 個單元，684 個節點，其中主梁單元307 個，橋塔單元70 個，索單元96 個。全橋的邊界條件為：斜拉索與橋塔、主梁之間的連接通過剛性連接模擬，支座通過一般支承模擬，橋塔和橋墩底部完全固結。

圖2 模型整體示意圖

模型共分為31 個施工階段，其中通過施工階段聯合截面模擬組合梁施工，通過僅受壓節點彈性支承模擬主梁施工支架，通過剛性連接模擬塔梁臨時固結。

3 支架剛度敏感性分析

斜拉橋主梁施工過程中，轉體鋼梁部分的拼裝以及預制橋面板的澆筑均在支架上進行。研究首先進行施工過程的支架剛度敏感性分析。

取支架剛度為1×105～1×106kN/m，分別得到不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的彎矩，如圖3所示。由圖3 可得，支架剛度對主梁的內力影響很小，這是由于支架解除后的結構體系外部靜定，主梁的內力狀態主要取決于拉索索力。分析結果與理論吻合。

圖3 不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的彎矩圖（單位：kN/m）

計算不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的位移（向上為正，下同），如圖4 和表1 所示。由圖4 和表1 可知：（1）7 號塔和8 號塔主梁位移隨著支架剛度的增大而略有減小。（2）支架剛度對兩側中跨主梁懸臂端位移差影響較小。支架剛度由1×105kN/m提升至1×106kN/m 時，位移差由31.9 mm 減小到30.5 mm，僅減小了1.4 mm。

表1 不同支架剛度下的主梁中跨懸臂端位移

圖4 不同支架剛度下的主梁在支架拆除后的位移（單位：mm）

4 初始索力敏感性分析

斜拉橋主梁脫離支架之前，需在支架上進行斜拉索的張拉。斜拉索的初始張拉力至關重要，對主梁脫離支架后的內力和位移都會產生重要影響，需進行相應的敏感性分析。

分別將所有斜拉索的初始張拉力調整為設計初始張拉力的0.95、1.05、1.10（張拉力系數）倍，計算不同初始張拉力下的主梁在脫離支架后的彎矩，如圖5 所示。由圖5 可知：斜拉索初始張拉力對主梁內力有很大的影響。隨著全橋初始索力的增大，兩側主梁中跨及邊跨的負彎矩逐漸減小，靠近橋塔處主梁的正彎矩逐漸增大。這表明增大初始索力能夠減小主梁跨中處的內力，且同時會增大塔根處主梁的內力。在實際工程中，應合理調節斜拉索的初始張拉力，盡量使主梁內力分布合理、均勻。

圖5 不同初始張拉力下主梁在支架拆除后的彎矩圖（單位：kN/m）

除了內力之外，斜拉索初始張拉力也會影響主梁的位移。計算不同初始張拉力下的主梁在脫離支架后的位移，如圖6 和表2 所示。分析圖6 和表2 可得：

表2 不同初始張拉力下的主梁中跨懸臂端位移

圖6 不同初始張拉力下的主梁在支架拆除后的彎矩圖（單位：mm）

（1）主梁位移對斜拉索的初始張拉力非常敏感，5%的初始張拉力的改變會使得主梁位移發生成倍數的變化。

（2）初始張拉力的改變會導致主梁脫離支架后的形態發生改變。當初始張拉力較小時，主梁脫離支架后呈現下撓的形態，當初始張拉力較大時，主梁脫離支架后開始呈現上抬的形態。

（3）初始張拉力由設計值的0.95 倍增至1.10 倍的過程中，7 號塔主梁中跨懸臂端位移由-79.8 mm逐漸減小然后增至50.3 mm，8 號塔主梁中跨懸臂端位移由-146.6 mm 逐漸減小然后增至104.9 mm，兩側中跨懸臂端位移差由66.8 mm 先減小然后增至54.6 mm。這表明適當調整初始張拉力可以減小主梁脫離支架后的位移以及兩側中跨懸臂端位移差，初始張拉力過大或過小都對主梁不利。

5 平衡壓重敏感性分析

在斜拉橋轉體施工之前，需要保證橋塔和主梁體系保持平衡狀態，即橋塔底部彎矩接近于0。由于轉體前主梁邊跨長度小于中跨長度，需要在主梁邊跨設置壓重以達到平衡狀態。邊跨壓重從主梁懸臂端開始配置，其具體形式如圖7 所示，其中q1和q2表示壓重單位重量，L1和L2表示壓重范圍。

圖7 壓重形式示意圖

以塔底彎矩為0 的目標進行不同壓重荷載下壓重范圍的設計：當單位重量較大時，壓重范圍減小，若單位重量較小，壓重范圍增大。不同的壓重方式對斜拉橋內力和線形產生影響。因此，本節對主梁平衡壓重進行敏感性分析。

該橋的設計平衡壓重為7 號塔主梁771 kN/m，8號塔主梁340 kN/m。分別計算當壓重單位重量為設計值的0.8、1.1、1.2 倍（壓重系數）時，為保證平衡所需的壓重范圍及壓重總重，如表3 所示。由表3 可知，壓重總重隨著壓重系數的增大而減小，壓重系數由0.8 增至1.2 時，壓重總重減小1 010 kN，降幅為4.4%，相對較小。

表3 不同壓重系數所需壓重范圍及壓重總重

圖8 為不同壓重系數下主梁在支架拆除后的彎矩圖，由圖8 可知：

圖8 不同壓重系數下的主梁在支架拆除后的彎矩（單位：kN/m）

（1）壓重單位重量對邊跨主梁內力有較大的影響，而對中跨主梁內力的影響很小。

（2）主梁脫離支架之后，平衡壓重會使得邊跨主梁靠近懸臂端處產生較大的負彎矩，且最大負彎矩值會隨著單位重量的增大而增大；壓重系數由0.8 增至1.2 的過程中，7 號塔邊跨主梁的最大負彎矩由-16 255 kN/m 增至-51 595 kN/m，8 號塔邊跨主梁的最大負彎矩由-24 611 kN/m 增至-34 880 kN/m，變化幅度都很大。這表明增大壓重單位重量后，荷載的過度集中對主梁的受力不利，彎矩過大有可能導致結構的損壞，因此在施工中，壓重方案應充分考慮主梁的受力情況。

壓重在改變主梁內力的同時，必然會對斜拉橋拉索索力產生影響。在拉索初張力相同的情況下，計算不同壓重系數下斜拉橋各拉索在支架拆除后的索力，結果如圖9 所示。

圖9 不同壓重系數下支架拆除后的拉索索力（單位：kN）

由圖9 可知：

（1）壓重單位重量對兩側中跨拉索索力影響很小，但對邊跨跨中拉索索力有一定的影響。

（2）隨著壓重單位重量的增大，邊跨外側幾根拉索索力值逐漸增大，而邊跨跨中至塔根范圍的拉索索力值逐漸減小。

（3）壓重單位重量對邊跨最外側拉索索力值影響最大。壓重系數由0.8 增至1.2 的過程中，7 號塔邊跨最外側拉索索力值由6 158 kN 增至6 355 kN，8 號塔邊跨最外側拉索索力值由6 541 kN 增至6 674 kN。在轉體施工之前，兩側主梁處于懸臂狀態，邊跨最外側拉索對主梁內力會產生較大影響。在實際施工調整配重時，需考慮拉索索力的變化。

除此之外，壓重對主梁的位移也會產生影響。因此，需要進一步分析平衡壓重對斜拉橋主梁位移的影響。計算不同壓重系數下主梁在支架拆除后的位移，如圖10 和表4 所示。

圖10 不同壓重系數下的主梁在支架拆除后的位移（單位：mm）

表4 不同壓重系數下的主梁中跨懸臂端位移

由圖10 和表4 可知：

（1）當壓重的單位重量較小時，脫離支架后，兩側邊跨懸臂端的位移為正，即主梁存在上翹的趨勢；當單位重量增大時，邊跨懸臂端位移變為負，且位移隨著單位重量的增大而增大。這表明增大單位重量，可以減小主梁跨中懸臂端的下撓，但同時會增大主梁邊跨的下撓。

（2）兩側主梁中跨懸臂端的位移均隨著單位重量的增大而減小，但單位重量對兩側中跨懸臂端位移差影響較小。當單位重量由設計值的0.8 倍增大至1.2 倍的過程中，兩側中跨懸臂端位移差在29.8～30.6 mm 之間浮動，最大波動差僅0.8 mm。

6 結論

本文采用有限元數值模擬方法，對影響某座非對稱組合梁斜拉橋轉體合龍結果的因素進行了敏感性分析，得出以下結論：

（1）架設主梁所用的支架剛度對主梁內力影響很小，但對主梁脫離支架后的位移存在影響，較大剛度的支架能夠一定程度上抑制主梁的下撓，但支架剛度對兩側中跨主梁懸臂端位移差的影響較小。

（2）斜拉索的初始張拉力對主梁內力和位移均有很大影響。增大初始張拉力能夠減小主梁跨中處的彎矩，但同時會增大塔根處主梁的彎矩。隨著初始張拉力的增大，主梁脫離支架后的形態由下撓轉變為上抬，主梁位移以及兩側中跨懸臂端位移差則呈現先減小后增大的趨勢。

（3）增大單位重量可以減小主梁跨中懸臂端的下撓，同時會增大主梁邊跨的下撓，但對兩側中跨懸臂端位移差影響較小。

（4）壓重單位重量對拉索索力有一定的影響，主梁脫離支架后，壓重單位重量對邊跨最外側拉索索力值影響最大。

（5）壓重單位重量對邊跨主梁內力有較大影響，壓重單位重量的增大會顯著增大主梁邊跨的負彎矩。