外傾索面矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)拉索張拉施工控制優(yōu)化

李群鋒

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030032）

矮塔斜拉橋是介于梁式橋和斜拉橋之間的一種橋型，其適用跨度也介于梁式橋和斜拉橋之間[1]。目前國內(nèi)寬翼緣外傾雙索面矮塔斜拉橋建設(shè)較少，而其索梁錨固區(qū)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為三向受力狀態(tài)，有別于常規(guī)矮塔斜拉橋索梁錨固受力方式，外傾雙索面矮塔斜拉橋拉索在梁上的錨固位置位于箱梁兩側(cè)懸臂板端部，屬斜拉索與混凝土箱梁的錨固[2]。如何保證寬翼緣大箱斷面在施工階段結(jié)構(gòu)安全及避免拉索及橫梁中預(yù)應(yīng)力施工過程中對索梁錨固區(qū)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損傷，拉索和橫梁鋼束詳細(xì)張拉控制過程還需要進(jìn)一步研究與分析。本文依托實(shí)際工程對寬翼緣外傾雙索面矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)進(jìn)行拉索張拉施工控制優(yōu)化，可為同類型橋梁結(jié)構(gòu)提供參考借鑒。

1 工程概況

浮山縣丞相河特大橋主橋?yàn)椋?7+160+87）m 雙塔斜向雙索面PC 矮塔斜拉橋，主橋采用塔、墩、梁固結(jié)體系，主梁采用單箱雙室箱形截面，其施工采用懸臂澆注法施工[3]。主梁根部28 m 范圍內(nèi)梁高和底板厚度采用1.7 次拋物線變化，主梁根部梁高5 m，跨中梁高3.5 m。橋塔為Y 型塔，塔高24.8 m，每個橋塔共設(shè)置8 對斜拉索，采用分絲管索鞍形式，每根斜拉索貫穿主塔并錨固在主梁上。

拉索區(qū)箱型梁橋梁中心線處梁高3.5 cm，箱梁頂寬28 m，底寬18 m，懸臂長5 m。兩邊腹板厚度80 cm，中腹板厚度60 cm，懸臂頂板厚35 cm，箱室內(nèi)頂板厚28 cm，底板厚45 cm。拉索區(qū)上橫隔梁寬55 cm，懸臂段上橫梁高120～140 cm，箱室段上橫梁高140～158 cm。拉索區(qū)下橫梁寬25 cm，高50 cm。拉索區(qū)梁段及橫梁構(gòu)造圖見圖1、圖2。

圖1 拉索區(qū)橫梁橫斷面（單位：cm）

圖2 拉索區(qū)橫梁立面（單位：cm）

2 空間實(shí)體模型建立

主橋主梁及橫梁采用C55 混凝土，橫梁中3 束25-?s15.2 預(yù)應(yīng)力筋和箱梁頂板7 束4-?s15.2 預(yù)應(yīng)力筋均采用1860 鋼絞線，腹板豎向預(yù)應(yīng)力筋采用JL32 精軋螺紋粗鋼筋。索梁錨固區(qū)橫梁3 束橫向預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖3。

圖3 索梁錨固區(qū)橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖（單位：cm）

對于邊界條件，實(shí)體分析模型將靠近橋塔側(cè)的主梁截面固結(jié)，另一面自由。加載及邊界條件見圖4。

圖4 索梁錨固區(qū)梁段邊界及荷載加載示意（單位：m）

采用Midas FEA 實(shí)體有限元軟件建立拉索區(qū)箱型梁及橫梁三維實(shí)體分析模型。索梁錨固區(qū)箱型梁實(shí)體分析模型及預(yù)應(yīng)力鋼束單元見圖5、圖6。

圖5 索梁錨固區(qū)箱型梁實(shí)體單元

圖6 索梁錨固區(qū)箱型梁預(yù)應(yīng)力鋼束單元

3 張拉施工控制分析工況

根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型提取斜拉索施工階段各拉索初張拉索力，斜拉索施工張拉階段分別取最大拉索張拉力Fmax=6480 kN（拉索S1，型號為61-?s15.2）和最小拉索張拉力Fmin=5370 kN（拉索S6，型號為61-?s15.2）進(jìn)行實(shí)體模型分析計(jì)算。

索梁錨固區(qū)主梁節(jié)段施工過程中，當(dāng)考慮橫梁橫向鋼束及拉索索力同時作用時，拉索區(qū)橫梁的應(yīng)力大小能夠滿足規(guī)范限值要求，具體計(jì)算結(jié)果可見后續(xù)第五步分析結(jié)論。然而在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于受箱型梁翼緣板下方斜拉索和橫梁鋼束張拉作業(yè)空間的限制，不可能同時對斜拉索和橫梁鋼束進(jìn)行張拉，所以需要考慮分階段交替進(jìn)行張拉作業(yè)。

原先考慮先將橫梁中的3 束橫向束依次張拉完畢后，再進(jìn)行斜拉索的張拉作業(yè)。但經(jīng)過實(shí)體有限元模擬分析后發(fā)現(xiàn)，該張拉順序會導(dǎo)致施工過程中拉索區(qū)箱梁頂板及橫梁部分區(qū)域混凝土拉應(yīng)力大大超過其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。圖7 為僅橫梁鋼束張拉完畢后拉索區(qū)箱梁及橫梁橫橋向應(yīng)力分布結(jié)果。

圖7 橫橋向應(yīng)力σx分布圖

由圖7可見，當(dāng)全部張拉完橫梁3道橫向鋼束后（斜拉索尚未張拉），箱梁懸臂板頂部區(qū)域出現(xiàn)較大橫橋向拉應(yīng)力，最大值約4.86 MPa，超過C55 混凝土短暫狀況抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.52 MPa；拉索區(qū)橫隔板底部（懸臂板下方）則出現(xiàn)較大橫橋向壓應(yīng)力，最大值約28.1 MPa，超過C55 混凝土短暫狀況抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值19.88 MPa。結(jié)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，該張拉流程會導(dǎo)致懸臂板頂部在施工過程中出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，同時懸臂板下方的橫梁底部局部區(qū)域混凝土壓應(yīng)力過大。

根據(jù)上述分析結(jié)論，認(rèn)為原先的張拉方案不可行，故需進(jìn)一步優(yōu)化橫梁3 道橫向鋼束和斜拉索的詳細(xì)張拉方案。優(yōu)化后施工張拉流程如下：第一步，張拉橫梁橫向束Ⅱ；第二步，張拉斜拉索其中50%鋼絲束；第三步，張拉橫梁橫向束Ⅲ；第四步，張拉橫梁橫向束Ⅰ；第五步，張拉斜拉索剩余50%鋼絲束。

4 張拉施工控制分析結(jié)果

索梁錨固區(qū)上橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，可依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）7.2.8 條[4]進(jìn)行短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算。預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：

壓應(yīng)力：σtcc≤0.70fc'k。

拉應(yīng)力：當(dāng)σtcc≤0.70ft'k時，預(yù)拉區(qū)應(yīng)配置其配筋率不小于0.2%的縱向鋼筋；當(dāng)σtct= 1.15ft'k時，預(yù)拉區(qū)應(yīng)配置其配筋率不小于0.4% 的縱向鋼筋；當(dāng)0.70ft'k＜σtc＜t1.15ft'k時，預(yù)拉區(qū)應(yīng)配置的縱向鋼筋配筋率按以上兩者直線內(nèi)插取用；拉應(yīng)力σtct不應(yīng)超1.15ft'k。

按照施工過程中箱型梁及橫梁C55 混凝土達(dá)到80%強(qiáng)度再進(jìn)行下階段的預(yù)應(yīng)力鋼束張拉施工，則0.70fc'k=0.7×0.8×35.5=19.88 MPa，0.70ft'k=0.7×0.8×2.74=1.53 MPa，1.15ft'k=1.15×0.8×2.74=2.52 MPa。

首先確定拉索區(qū)橫梁應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)位置，由于箱梁結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，只需取相對于橋面中心線處箱梁一半截面的應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行分析研究，具體應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)分布見圖8。

圖8 拉索區(qū)橫梁應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)分布圖

a）工況一（第一步） 對于工況一，拉索S1 和S6 處橫梁均只張拉了橫向鋼束Ⅱ，此時兩者的應(yīng)力分析結(jié)果相同，此處不重復(fù)列舉。根據(jù)實(shí)體模型分析結(jié)果，箱梁及橫梁橫橋向最大拉應(yīng)力值為1.71 MPa＜2.52 MPa，最大壓應(yīng)力值為11.02 MPa＜19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應(yīng)力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)橫橋向應(yīng)力σx分布圖如圖9 所示。

圖9 工況一 橫橋向應(yīng)力σx分布圖

b）工況二（第二步） 根據(jù)實(shí)體模型分析結(jié)果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應(yīng)力值分別為2.47 MPa、1.62 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應(yīng)力值分別為10.59 MPa、11.01 MPa，均小于19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應(yīng)力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)橫橋向應(yīng)力σx分布圖如圖10、圖11所示。

圖10 工況二 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S1）

圖11 工況二 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S6）

c）工況三（第三步） 根據(jù)實(shí)體模型分析結(jié)果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應(yīng)力值分別為2.00 MPa、1.87 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應(yīng)力值分別為16.93 MPa、17.77 MPa，均小于19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應(yīng)力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)橫橋向應(yīng)力σx分布圖如圖12、圖13所示。

圖12 工況三 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S1）

圖13 工況三 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S6）

d）工況四（第四步） 根據(jù)實(shí)體模型分析結(jié)果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應(yīng)力值分別為1.80 MPa、1.63 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應(yīng)力值分別為18.70 MPa、19.86 MPa，均小于19.88 MPa。滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應(yīng)力限值要求。拉索區(qū)上、下橫隔梁應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)橫橋向應(yīng)力σx分布圖如圖14、圖15 所示。

圖14 工況四 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S1）

圖15 工況四 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S6）

e）工況五（第五步） 根據(jù)實(shí)體模型分析結(jié)果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應(yīng)力值分別為1.91 MPa、1.88 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應(yīng)力值分別為15.37 MPa、15.38 MPa，均小于19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應(yīng)力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)橫橋向應(yīng)力σx分布圖如圖16、圖17所示。

圖16 工況五 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S1）

圖17 工況五 橫橋向應(yīng)力σx分布圖（拉索S6）

5 結(jié)論

a）對于采用先行張拉完索梁錨固區(qū)橫梁橫橋向鋼束再張拉斜拉索的施工方案，當(dāng)張拉完橫梁鋼束后導(dǎo)致箱梁及橫梁橫橋向拉壓應(yīng)力值出現(xiàn)超限的情況，由此得出原先的索梁錨固區(qū)拉索張拉施工方案不具可行性。

b）對原先索梁錨固區(qū)拉索張拉施工方案進(jìn)行優(yōu)化并制定“五步”張拉施工控制措施，根據(jù)索梁錨固區(qū)箱梁及橫梁實(shí)體模型分析結(jié)論可知，箱梁及橫梁在5 個張拉施工工況下的橫橋向正截面拉、壓應(yīng)力結(jié)果均滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應(yīng)力限值要求，由此驗(yàn)證了該“五步”張拉施工控制工藝的可行性。