獨塔混合梁斜拉橋施工過程技術(shù)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(tài)保持一致的關(guān)鍵。施工監(jiān)控是連接設(shè)計與施工的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。施工監(jiān)控的主要內(nèi)容是在橋梁施工過程中，控制橋梁的索力、線形、應(yīng)力和溫度等，以確保成橋時，橋梁的線形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力與理論值的誤差最小，滿足設(shè)計和使用要求。在施工監(jiān)控之前，必須要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，嚴(yán)格按照施工工序，對施工過程進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)分析，如主塔、主梁在施工過程中的應(yīng)力和變形，拉索的索力和無應(yīng)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(jié)體系，輔助墩和過渡墩墩頂均設(shè)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(jié)構(gòu)。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(jié)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(jié)，邊跨混凝土主梁的澆筑支架采用僅受壓節(jié)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(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段混凝土澆筑高度為6 m。下塔柱1#～5#節(jié)段采用搭設(shè)鋼管支架作為施工平臺兼作模板支撐、配合翻模法進(jìn)行施工，中塔柱前2節(jié)（6#、7#節(jié)段）翻模法施工，其余節(jié)段采用液壓爬模進(jìn)行施工。

根據(jù)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(jù)主梁架設(shè)方案，全橋主梁節(jié)段架設(shè)可分為3種類型：

（1）浮吊吊裝。主梁鋼混結(jié)合段利用浮吊吊裝至塔旁支架處。

（2）支架現(xiàn)澆。主梁混凝土節(jié)段H1～H6施工，搭設(shè)滿堂支架現(xiàn)澆。

（3）駁船+橋面吊機。主梁主跨側(cè)安裝橋面吊機，駁船運輸鋼主梁節(jié)段進(jìn)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(nèi)傾斜，因此索塔爬模施工會在塔柱根部產(chǎn)生拉應(yīng)力。為確保拉應(yīng)力不超限，在中塔柱、上塔柱施工過程中需在兩塔柱之間設(shè)置主動橫撐[3]。中塔柱共設(shè)置4道橫撐，上塔柱設(shè)置1道橫撐。主動橫撐的布置位置見表2。

根據(jù)橫撐的設(shè)置位置和施工過程，對索塔進(jìn)行受力分析，根據(jù)計算分析結(jié)果，得到中塔柱、上塔柱主要施工階段的應(yīng)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(yīng)力均未超過1 MPa，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求。中塔柱、上塔柱最大拉應(yīng)力發(fā)生拆除橫撐后，位于上橫梁與塔柱交接處，拉應(yīng)力為1.1 MPa。此處存在弧形實心加厚段，因此實際拉應(yīng)力應(yīng)小于1.7 MPa。塔柱其余地方混凝土拉應(yīng)力均較小，因此橫撐設(shè)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(shù)

表3 中塔柱、上塔柱主要施工階段應(yīng)力結(jié)果 單位：MP a

塔柱施工過程中，主動橫撐的軸力分析結(jié)果見表4。

表4 主動橫撐軸力分析結(jié)果 單位：kN

橫撐的工作環(huán)境溫度對塔柱應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分析見表5。

表5 橫撐與塔柱溫差下的主塔應(yīng)力分析結(jié)果 單位：MP a

主動橫撐的拆除順序?qū)κ芰τ绊戄^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(yīng)力。因此，對橫撐拆除順序進(jìn)行調(diào)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(nèi)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(nèi)力計算結(jié)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(yù)偏量計算分析

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

圖4 塔柱施工橫向預(yù)偏量

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

圖5 塔柱施工豎向預(yù)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(dá)到最大懸臂狀態(tài)。根據(jù)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(jìn)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(fēng)荷載。

（2）工況二：恒載+主梁橋面吊機最大豎向力+順橋向風(fēng)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(fēng)荷載橋面吊機。

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

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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(chǎn)生彈性壓縮及混凝土收縮，導(dǎo)致軸向長度變短。同時，由于主梁縱坡（包括制造預(yù)拱度）的影響，沿主梁豎曲線方向長度也需要進(jìn)行修正。

經(jīng)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(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 主梁節(jié)段彈性壓縮量計算結(jié)果

圖7 主梁梁長縱坡修正量計算結(jié)果

8 結(jié)語

通過對施工過程的仿真計算分析，得出以下結(jié)論。

（1）通過對施工階段的詳細(xì)模擬，對不同施工階段的主塔受力進(jìn)行精細(xì)化控制，確保了施工過程中結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。

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

（3）主動橫撐的拆除順序?qū)κ芰τ绊戄^大，通過對橫撐的不同拆除順序進(jìn)行分析，總結(jié)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(yù)偏量進(jìn)行精確分析，以指導(dǎo)施工準(zhǔn)確放樣。

（5）對最大懸臂狀態(tài)下各種工況進(jìn)行詳細(xì)分析，施工過程中受力滿足規(guī)范要求。

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