獨塔混合梁斜拉橋施工過程技術分析

董 梅

（佛山市交通投資集團有限公司，廣東 佛山 528200）

1 概述

斜拉橋施工過程控制是確保橋梁成橋線形和受力與合理成橋狀態保持一致的關鍵。施工監控是連接設計與施工的重要技術環節。施工監控的主要內容是在橋梁施工過程中，控制橋梁的索力、線形、應力和溫度等，以確保成橋時，橋梁的線形、結構內力與理論值的誤差最小，滿足設計和使用要求。在施工監控之前，必須要對結構進行仿真分析，嚴格按照施工工序，對施工過程進行詳細的技術分析，如主塔、主梁在施工過程中的應力和變形，拉索的索力和無應力長度等。混合梁斜拉橋整個過程的控制方法是基于索力和索長的雙重控制[1]。

佛山市三水三橋主橋采用獨塔雙索面斜拉橋，主橋跨徑組合為（52+56+72+338）m，全長518 m。主跨主梁形式采用整體式鋼箱梁方案，邊跨主梁采用混凝土主梁。

橋型布置圖如圖1所示。

主橋采用塔梁固結體系，輔助墩和過渡墩墩頂均設置縱向活動支座。本橋索塔采用花瓶型主塔，為普通鋼筋混凝土結構。總高度（塔座頂至塔頂）為168 m，橋面以上高141 m。主塔塔身由下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱（含塔冠）等組成。主塔斷面布置圖如圖2所示。

圖2 主塔橫斷面圖（單位：cm）

2 計算模型

三水三橋主橋采用Midas Civil建立空間有限元模型，全橋共劃分為1 789個單元，1 975個節點。其中，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，主塔和主梁采用梁單元模擬[2]。

主梁采用魚骨梁的方式模擬，拉索錨固點與主梁采用主從約束模擬，橋塔處主梁與下橫梁固結，邊跨混凝土主梁的澆筑支架采用僅受壓節點彈性支撐模擬。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

3 主要施工工序

本橋索塔承臺以上總高度為168 m，共分為30個節段，標準節段混凝土澆筑高度為6 m。下塔柱1#～5#節段采用搭設鋼管支架作為施工平臺兼作模板支撐、配合翻模法進行施工，中塔柱前2節（6#、7#節段）翻模法施工，其余節段采用液壓爬模進行施工。

根據實際施工流程，主塔施工工序劃分情況見表1。

表1 主塔施工工序劃分

根據主梁架設方案，全橋主梁節段架設可分為3種類型：

（1）浮吊吊裝。主梁鋼混結合段利用浮吊吊裝至塔旁支架處。

（2）支架現澆。主梁混凝土節段H1～H6施工，搭設滿堂支架現澆。

（3）駁船+橋面吊機。主梁主跨側安裝橋面吊機，駁船運輸鋼主梁節段進行懸臂吊裝施工。

4 中塔柱、上塔柱施工過程分析

由于索塔中塔柱、上塔柱向內傾斜，因此索塔爬模施工會在塔柱根部產生拉應力。為確保拉應力不超限，在中塔柱、上塔柱施工過程中需在兩塔柱之間設置主動橫撐[3]。中塔柱共設置4道橫撐，上塔柱設置1道橫撐。主動橫撐的布置位置見表2。

根據橫撐的設置位置和施工過程，對索塔進行受力分析，根據計算分析結果，得到中塔柱、上塔柱主要施工階段的應力（見表3）。

由表3可知，中塔柱、上塔柱施工過程中，塔柱根部拉應力均未超過1 MPa，滿足《公路橋涵施工技術規范》要求。中塔柱、上塔柱最大拉應力發生拆除橫撐后，位于上橫梁與塔柱交接處，拉應力為1.1 MPa。此處存在弧形實心加厚段，因此實際拉應力應小于1.7 MPa。塔柱其余地方混凝土拉應力均較小，因此橫撐設置位置和頂推力大小（詳見表2）基本合理。

表2 主動橫撐布置參數

表3 中塔柱、上塔柱主要施工階段應力結果 單位：MP a

塔柱施工過程中，主動橫撐的軸力分析結果見表4。

表4 主動橫撐軸力分析結果 單位：kN

橫撐的工作環境溫度對塔柱應力影響較為顯著。由于索塔施工周期較長（計劃工期385 d），氣溫變化較大，因此需分析索塔施工過程中，橫撐溫度變化對塔柱的影響。主要分析每一道橫撐安裝后、上橫梁施工后及索塔成塔后，橫撐溫度變化對塔柱應力的影響。橫撐安裝頂推力采用年平均氣溫21.6℃計算得到，考慮橋位處最高氣溫及最低氣溫，分析橫撐升溫15℃及降溫15℃對塔柱的影響（即橫撐與塔柱溫差±15℃）。橫撐與塔柱溫差下的主塔應力分析見表5。

表5 橫撐與塔柱溫差下的主塔應力分析結果 單位：MP a

主動橫撐的拆除順序對受力影響較大，若在第4道橫撐安裝完成后即拆除第1～3道橫撐，則上橫梁與塔柱交界處存在較大拉應力。因此，對橫撐拆除順序進行調整：第1～4道橫撐均在主塔成塔后拆除。橫撐拆除前，各橫撐內力見表6。

表6 橫撐拆除前軸向力 單位：kN

考慮以下6種橫撐拆除順序（見表7）。

表7 橫撐拆除順序

在考慮橫撐6種拆除工況下，各橫撐拆除時的內力計算結果見表8。

表8 各工況下橫撐拆除力 單位：kN

由表8可知，工況二的最大橫撐拆除力較小、所有橫撐拆除力較均勻，且最長橫撐（G1）拆除力最小。因此，建議采用工況二的拆除順序。

5 塔柱橫向預偏量計算分析

考慮10 a收縮徐變，計算中塔柱最大橫向預偏量為16.81 mm，位于+120.79 m高度（上塔柱第21節頂面），全塔高度橫向預偏量計算結果如圖4所示（圖中正值表示向外預偏）。

圖4 塔柱施工橫向預偏量

考慮10 a收縮徐變，計算上塔柱最大豎向預抬量為64.98 mm，最小預抬量為14.19 mm，平均預抬量為45.79 mm，全塔高度豎向預抬量計算結果如圖5所示。

圖5 塔柱施工豎向預抬量

6 主梁最大懸臂工況分析

懸臂拼裝完M21梁段后，主梁達到最大懸臂狀態。根據施工方案，需要利用橋面吊機吊裝M23梁段至支架上。對此階段進行以下工況分析：

（1）工況一：恒載+主梁橋面吊機最大豎向力+橫橋向風荷載。

（2）工況二：恒載+主梁橋面吊機最大豎向力+順橋向風荷載。

（3）工況三：恒載+主梁橋面吊機最大豎向力+不對稱橫橋向風荷載橋面吊機。

豎向力考慮1.2倍動力系數；不對稱橫橋向風荷載按邊跨主梁0.5Fg、主跨主梁1.0Fg計算。最大懸臂狀態各工況計算結果見表9。

?

7 斜拉索張拉控制分析

由于斜拉索水平分力作用，成橋階段，主梁會產生彈性壓縮及混凝土收縮，導致軸向長度變短。同時，由于主梁縱坡（包括制造預拱度）的影響，沿主梁豎曲線方向長度也需要進行修正。

經計算，混凝土主梁（H1梁段前端）彈性壓縮及收縮量為120.8 mm，縱坡修正量為15.1 mm，合計107.6 mm。鋼箱梁（M21梁段前端）彈性壓縮量為68.8 mm，縱坡修正量為7.7 mm，合計76.5 mm。計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 主梁節段彈性壓縮量計算結果

圖7 主梁梁長縱坡修正量計算結果

8 結語

通過對施工過程的仿真計算分析，得出以下結論。

（1）通過對施工階段的詳細模擬，對不同施工階段的主塔受力進行精細化控制，確保了施工過程中結構受力滿足規范要求。

（2）索塔中塔柱、上塔柱向內傾斜，索塔爬模施工會在塔柱根部產生拉應力。為保證拉應力不超限，在中塔柱、上塔柱施工過程中，需在兩塔柱之間設置主動橫撐。主動橫撐的設置位置對受力影響較大，根據計算分析提出了合理的設置位置。

（3）主動橫撐的拆除順序對受力影響較大，通過對橫撐的不同拆除順序進行分析，總結出了最合理的拆除工況。

（4）考慮10 a收縮徐變，對塔柱最大橫向預偏量進行精確分析，以指導施工準確放樣。

（5）對最大懸臂狀態下各種工況進行詳細分析，施工過程中受力滿足規范要求。

（6）成橋階段，主梁會產生彈性壓縮及混凝土收縮，導致軸向長度變短。通過計算分析，指導施工過程中的梁長進行精確控制。