大跨徑鋼板組合梁協作體系斜拉橋線形控制研究

摘 要：巢湖大橋為主跨460 m的全漂浮體雙塔雙索面鋼—混組合梁協作體系斜拉橋，主梁為雙邊主梁鋼—混組合梁斷面。所采用的工字型主梁，抗扭性能弱，對主梁兩側標高誤差水平控制要求高；邊跨支架反力受主梁、壓重、預應力及斜拉索張拉影響，負彎矩區橋面板以及鋼主梁應力控制要求高；邊跨的壓重時機、主塔處主梁臨時固結的釋放時機對全橋結構安全和線形控制都會產生影響，需通過詳細的分析制定合理的施工順序；懸臂吊裝中風載、溫度、日照等對線形影響大。本文通過精細化施工過程仿真計算，對施工過程的關鍵力學問題進行分析，使得結構不僅能達到最終的合理成橋狀態，也保證了橋梁在每個施工階段均滿足線型控制要求。

關鍵詞：剩余污泥；污泥焚燒；熱干化；環境效益

一、工程背景

巢湖大橋是湖光路與巢湖的交叉工程，位于市區西部，是巢湖市“兩環三橫三縱”的關鍵性工程。工程范圍為西壩路—亞父路，樁號范圍K2+530～K4+679.266，全長2149.266m，其中橋梁長度1122m、北岸接線長309.5m、南岸接線長717.766m。工程內容包括：跨越巢湖的主橋工程、人行梯坡道橋工程、與主橋相接的引道工程、地面輔道工程、以及整個工程范圍內的排水、電器照明、交通監控、道路綠化、夜景照明和電力電纜隧道等。

全橋跨徑布置為：54m+216.5m+460m+216.5m

65m+55m+55m雙塔組合梁協作體系斜拉橋。大橋采用雙塔空間雙索面組合梁協作體系斜拉橋方案，主梁采用鋼—混凝土組合鋼板梁；主塔采用“人”字形橋塔，主塔基礎采用啞鈴形承臺，鉆孔灌注樁基礎；斜拉索采用扭絞型平行鋼絲斜拉索，冷鑄錨。

主塔基礎采用圍堰法施工，其余橋墩承臺可采用放坡開挖法基坑的方式進行施工；橋塔采用爬模法施工；組合梁水中部分安裝方法采用懸臂拼裝法，岸上部分采用支架法施工。

二、計算模型及參數

第一，材料計算參數。一是混凝土：主梁橋面板（C60）；主塔（C50）；輔助墩、邊墩（C40）；承臺（C30）；樁基（C30水下）。二是結構鋼材：主梁鋼結構大部分節段采用Q345qD鋼材，塔根、輔助墩附近部分節段采用Q420qD鋼材。三是拉索：采用7.0mm高強平行鋼絲。

第二，計算荷載。一是施工荷載：橋面吊機暫時按1000KN計算。二是二期恒載：非索區：90.354kN/m；拉索區：94.074kN/m。三是基礎變位：主塔墩基礎沉降按照-5cm，邊墩、輔助墩基礎沉降按照-2cm。四是混凝土收縮徐變：依據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》計算確定。五是汽車荷載：城市A級六車道橫向折減系數055，縱向折減系數0.96，折減后橫向分布調整系數取3.64。六是溫度作用：體系溫度：結構升溫40℃，結構降溫30℃；索塔梁溫差：斜拉索與塔、梁溫差10℃；主梁日照溫差：疊合梁按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）相關條文取值：鋼箱梁主梁梯度溫差：參考BS5400相關規定取值。七是風荷載：無車時距水面10m高度處基本風速取26.5m/s（100年重現期）

第三，計算模型及基本數據核對。采用橋梁博士建立全橋結構計算模型（見圖1），主梁采用組合截面單元，主截面為鋼主梁，附加截面為混凝土橋面板，附加截面計自重和參與組合截面受力按兩個施工階段計算；主塔采用鋼筋混凝土梁單元模擬。

第四，施工階段劃分。邊跨主梁及塔區0#塊采用支架施工，中跨LZ1～LZ24采用懸臂拼裝施工，全橋共劃分為222個施工階段。

三、施工過程仿真計算分析

第一，計算思路。在施工前期，首先根據設計文件和規范，按照容許應力法完成結構驗算，比對設計目標狀態，在充分理解設計意圖、建立全橋空間有限元分析模型的前提下，對實際結構離散。在設計目標狀態校核完成后，進行全橋施工工況模擬計算，并與設計進行對比，復核合理成橋目標狀態；成橋狀態各項控制參數滿足設計要求后，方可進一步確定理想施工狀態。

第二，非線性因素影響。對于大跨徑橋梁而言，結構的柔性增加，必須考慮索的垂度和梁柱效應的影響，幾何非線性的影響在計算中也需要進行考慮。由于結構的應力狀態一般在施工控制中處于較低的水平，因此不必考慮非線性的材料。早期拉索采用一個單元模擬，垂度影響采用修正彈性模量考慮，目前采用幾何非線性的索單元或者多段桁架單元模擬，垂度影響通過幾何非線性計算自動考慮。

第三，成橋狀態和施工過程控制目標的確定方法。從成橋狀態確定施工安裝索力及構件安裝線形的算法從斜拉橋開始建設時就得到研究，如倒退分析、無應力狀態法等。無應力狀態法從成橋狀態確定的每個施工步驟控制數據，在橋梁體系轉換時仍然存在倒退法分析的問題，需要施加強迫力才能達到成橋狀態。為避免上述問題，必須改變直接按照成橋結構確定理想狀態的設計方法，將成橋狀態與施工過程同時考慮，通過優化方法可以實現上述目標。

實際上斜拉橋的受力特點是比較明確的，即主梁彎矩接近連續梁就接近最優。根據這一特點可以人工從概念上確定施工過程中的索力方案。只要施工過程中斜拉索豎向分力等于索距范圍內節段重量，主梁就基本接近多跨連續梁，由此可以確定初張索力。索力確定后對結構進行正裝模擬計算，計算所得的成橋狀態如果與最優狀態差別不大，即認為該索力方法可以接受，如果偏差加大，根據力學概念作適當調整即可，正裝模擬的結果就作為最終成橋狀態。

根據以上介紹的算法可以得到橋梁施工全過程的仿真計算模型。進而可以得到每個施工階段橋梁各部位的內力和變形，且成橋時就是所要的狀態。至此，可以與靜定結構橋梁一樣，設置預拱度或者制造線型。將上述線型轉換為橋梁實際坐標，就成為現場每個施工階段的施工目標數據。

對于本橋，通過正裝迭代優化分析，使成橋時內力最優后，迭代的最后一套施工過程數據，即可得到各施工階段的初張拉索力、定位標高、已施工的線形等數據。而主梁的制造線形由最后一個成橋狀態主梁的無應力線形確定，斜拉索下料長度也是成橋狀態時的無應力長度。

第四，理想施工狀態確定。由于這兩種既不同又相互聯系的計算過程都存在于橋梁的設計和施工中，而在實際工作中可能會采用不同的計算模型，因此要達到施工能與設計結果相一致，就必須先對設計計算與施工計算的閉合性進行校核。直至兩者的計算結論基本一致。施工全過程模擬計算工況包括主塔施工、0#塊施工、主梁對稱懸拼（橋面吊機前移定位、梁段吊裝后、斜拉索張拉）、邊跨主梁支架施工、邊跨合龍、中跨主梁繼續懸拼、中跨合龍、橋面鋪裝等。

四、精細化有限元分析

（一）施工階段結構應力及變形

1.南岸及北岸24#拉索二張完成。南岸及北岸24#拉索二張完成（見圖2），鋼主梁最大壓應力為285.9MPa，最大拉應力為229.5MPa；附加截面最大壓應力為11.0MPa，全截面受壓；邊跨最大位移0.316m，中跨最大位移0.265m。

2.成橋階段。成橋階段鋼主梁最大應力為194.2MPa；橋面板最大應力為12.7MPa；主梁中跨最大位移-0.257m。主塔最大壓應力為12.5MPa，最小壓應力為4.1Mpa。

3.收縮徐變。收縮徐變完成后，鋼主梁最大應力為219.2MPa：橋面板最大應力為11.2MPa：中跨最大位移-0.353m。主塔最大壓應力為11.2MPa，最小壓應力為5.5Mpa。

（二）使用階段應力及位移計算

1.使用階段鋼主梁應力計算。使用階段計算包括鋼主梁、橋面板、主塔、斜拉索等計算。使用階段鋼主梁上緣最大應力為186.1MPa，下緣最大應力為280.6MPa。滿足規范要求。

2.斜拉索索力計算。恒載狀態下最長索計算成橋索力4884kN，安全系數3.95；標準組合索力6494kN，安全系數2.97.0號索計算成橋索力4012kN，安全系數3.58；標準組合索力4969kN，安全系數2.89。

3.計算結論。施工階段及使用階段主要計算結果表明：施工階段，全橋鋼主梁、橋面板、主塔的應力均滿足規范要求；N1、S2、S3墩頂區鋼主梁應力偏高。持久狀態正常使用極限狀態下，橋面板最大壓應力滿足規范要求。使用階段，鋼主梁受力滿足規范要求，N1、S2、S3鋼主梁應力偏高；使用階段，斜拉索最小安全系數2.53，斜拉索受力滿足規范要求；使用階段，主梁剛度滿足規范要求。

五、應對措施

第一，橋塔施工。本橋塔高較大，混凝土數量多，施工難度大，主塔塔柱采用液壓自爬模施工，塔柱施工期間受力明確，只要按照預定的施工流程和加載方式進行施工，在外形達到要求后，自動實現內力目標，因此控制的直接目標是塔柱的外形尺寸。塔柱施工將對塔柱立面垂直度、塔柱高程、斜塔肢橫向傾斜角度和索塔應力進行控制。

第二，主梁施工。預拼裝線形對主梁工廠預制階段后期監控影響最大，在加工完成后，主梁梁段需要將多個梁段按預拼裝線形拼合在胎架上，并重新復核或調整相鄰梁段的接縫寬度，一旦完成此項工作，就確定了新老兩個梁段之間轉角關系。

1.無應力制造線形的確定。對于鋼主梁，通過計算分析得到鋼梁無應力制造線形、節段下料長度、施工階段主梁安裝高程。根據設計線形、成橋預拱度，并結合考慮切線拼裝計算的施工預拱度，得到主梁制造線形數據，并根據節段壓縮變形，提供各節段的長度修正值。對于主梁制造線形的實現，可通過頂、底板長度不一致和調整主梁上下緣焊縫寬度兩種方式實現。

2.主梁標高豎曲線控制。一是鋼梁制造線形。主梁的制作預拱度，各節點的總位移曲線的反向曲線即為制作預拱度曲線，該線形加上設計線形即是制造線形。

制造線形=設計線形+設計預拱度+施工總位移

二是鋼梁安裝線形。懸臂拼裝結構線形控制主要在于定位標高確定，在本橋的懸臂拼裝施工過程中，主梁的線形是否平順、是否符合設計關鍵在于梁段定位標高的合理確定。結合實際情況正確地確定定位標高，則最終成橋線形一般是較為良好的；相反，如果控制不力，考慮的因素與實際情況不符合，則最終成橋線形會與設計線形有較大的偏差。

三是斜拉索張拉階段的主梁線形控制。斜拉索張拉階段需要考慮溫度效應的影響并通過對幾何測點坐標進行全局測量并調整斜拉索的無應力索長量來控制主梁節段的標高值。

四是合龍階段控制。本橋采用對稱懸拼，邊跨過渡墩與輔助墩間采用支架施工，先合龍邊跨后繼續懸拼中跨剩余節段，最后進行中跨合龍。邊跨可采用切配或頂推合龍，中跨可采用合龍長度切配合龍。

第三，斜拉索施工控制。一是無應力索長的確定。斜拉索作為一種常見的柔性結構，呈現為自重作用下的懸鏈曲線。與懸索橋不同，目前在斜拉橋中，普遍采用以拋物線理論為基礎的公式求解。本橋斜拉索最大索長255余米，拉索受垂度非線性影響，在斜拉索下料時需充分考慮。本橋監控中采用多段桿單元法進行模擬斜拉索，可以較為準確地模擬斜拉索的垂度效應。

節點間距+垂度修正-安裝伸長量+工作長度+溫度修正=斜拉索的制作長度

可見，無應力索長需要考慮主梁成橋預拱度、錨點間距離、垂度效應、彈性伸長量、張拉工作長度等因素綜合確定。

二是索力的控制方法。由于施工過程中的臨時荷載容易對索力造成影響，因此，施工過程中索力控制轉化為引伸量的控制，索力值和主梁的標高作為參考。張拉時，通過測量標記相對套筒出口的相對移動距離即可得到斜拉索伸長量，換算后即可得到張拉力。同時，本橋可通過千斤頂油壓數據、振動頻率法與引伸量數據的三方比對，實現對索力的精確控制。當出現誤差，索力需要調整時，索力調整量通過最優控制法計算確定。調整量的張拉通過斜拉索的引伸量來控制。

結論

根據設計圖紙和施工過程進行前期計算分析，按照考慮施工過程的優化迭代，得到成橋目標狀態、主梁無應力線形及斜拉索無應力索長，并由此得到各施工控制目標值。在現場安裝階段，將主梁無應力線形、無應力索長的控制轉換成夾角、引伸量控制，并進行結構狀態監測和施工測量，監控單位根據誤差進行數據分析和參數識別，并進行結構計算模型調整，指導后續階段施工，直至全橋合龍、成橋。

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