不對稱高低塔斜拉橋施工控制的理論分析

王興球

摘 要：以黃艤長江特大斜拉橋為背景，根據(jù)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點對鋼箱梁施工工序進行一定的優(yōu)化調(diào)整。文中提出倒拆與正 裝試算結(jié)合的綜合方法確定高低塔不對稱結(jié)構(gòu)斜拉橋施工索力，解決了合攏時懸臂長度不一致標(biāo)高對齊的難點。最后討論了如何確定鋼箱梁主梁定位的標(biāo)高。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；不對稱；施工工藝；索力；主梁標(biāo)高；施工控制

中圖分類號：U448.27 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：

Theoretical Analysis of Constructional Supervisory Control of Asymmetric High-low Tower Cable-stayed Bridge

（School of Civil Engineering， Central South University， Changsha， 410075）

Abstract： Using Huang Yi Yangtze River cable-stayed bridge as the background， according to the structural characteristics of cable-stayed bridge， optimize and adjust the construction process of steel box girder. In this article， it puts forward a synthesis method to determine the cable force of high-low tower cable-stayed bridge with asymmetric structure during construction， which combines backward trial with forward trial， and it solves the difficulty of elevation alignment when its cantilever length inconsistent at closure stage. Finally， it discusses how to position the elevation of steel box girder beam.

Keywords： cable-stayed bridge； asymmetric； construction technology； cable force； the elevation of the main beam； construction control

1 工程概況

黃艤長江特大橋位于四川省瀘州市黃艤鎮(zhèn)境內(nèi)，是成自瀘赤高速公路（瀘州段）上跨越長江的一座特大型橋梁，為亞洲同類型橋梁中主跨最大的橋梁。該橋于2010年1月1日開工，經(jīng)過建設(shè)者們28個月的施工于2012年4月11日順利合攏。該橋為主跨520米高低塔空間雙索面十跨半漂浮混合梁斜拉橋。其跨徑布置為39m+48m+53m+520m+53m+5×48m，中跨為鋼箱梁，邊跨為混凝土梁，鋼混結(jié)合段長5m（含漸變段），位于中跨距離索塔12m位置。主梁采用整幅橋面布置，橫斷面布置為雙向4車道。中跨采用封閉式流線形扁平鋼箱梁，標(biāo)準(zhǔn)梁段鋼箱梁內(nèi)設(shè)2道桁架式縱隔板，在合攏段和鋼混結(jié)合段采用實腹式縱隔板。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，矮塔每一扇面由10對拉索組成，高塔每一扇面由21對斜拉索組成，全橋共設(shè)62對斜拉索。中跨標(biāo)準(zhǔn)索距為16m，邊跨16m、12m、8m。斜拉索在鋼箱梁的錨固采用錨管承壓式構(gòu)造。

南北岸索塔采用不對稱高低塔，南岸高塔塔高為210m，北岸矮塔塔高123.5m。索塔采用下塔柱分離，上塔柱內(nèi)收的酒瓶型塔型。矮塔1#斜拉索和高塔的1#、2#斜拉索通過錨塊錨固在塔柱內(nèi)壁上，其余斜拉索通過鋼錨梁錨固在上塔柱內(nèi)。在上塔柱斜拉索錨固區(qū)內(nèi)配置了JL32的精扎螺紋粗鋼筋。

黃艤長江大橋主橋結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。

圖1 黃艤長江大橋主橋結(jié)構(gòu)示意圖

Fig 1 The main bridge structure diagrammatic sketch of Huang Yi Yangtze River

2 施工方案

索塔采用液壓爬模施工，邊跨混凝土箱梁采用支撐排架法主跨現(xiàn)澆施工，中跨鋼箱梁采用橋面吊機懸臂拼裝施工。合理施工工藝是確定合理施工狀態(tài)的第一步，也直接影響后續(xù)合理施工張拉索力大小的確定。大跨度斜拉橋懸臂施工[1]過程主梁自重較大，特別是大跨度鋼箱梁斜拉橋主梁剛度較小，在橋面吊機等臨時荷載作用下應(yīng)力變化較大，故斜拉索施工通常采用兩次張拉到位，成橋后不進行調(diào)索的施工方法。目前國內(nèi)大部分鋼箱梁斜拉橋或混合梁斜拉橋懸臂拼裝施工常使用施工工藝如圖2所示：

圖2 國內(nèi)常見鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)施工流程

Fig 2 Domestic common standard construction process of steel box girder

從施工控制的角度看，上述鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)施工方法中前一梁段拉索是在下一梁段起吊前進行二張，因此如果N#梁段起吊后引起的主梁變形較大，則無法再次通過修改索力來調(diào)整標(biāo)高。這就可能造成梁段安裝匹配時，由于前一梁段標(biāo)高誤差較大，出現(xiàn)梁段間頂?shù)装搴缚p[2]寬度過大而無法焊接或為了兼顧焊縫寬度而造成梁段前端標(biāo)高無法達到要求的問題出現(xiàn)。該現(xiàn)象不僅增大了施工控制的難度，也在一定程度上影響主梁線形控制的效果。考慮到上述因素，將中跨鋼箱梁“起吊下一梁段”階段調(diào)整至“N-1#斜拉索二次張拉”階段之前。其施工工藝流程如圖3所示：

圖3 黃艤長江大橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)施工流程

Fig 3 The standard construction process of Huang Yi Yangtze River steel box girder

該橋為高低塔混合梁斜拉橋，邊跨混凝土梁采用支架現(xiàn)澆施工與主塔施工同時進行。鋼混結(jié)合段塔設(shè)支架，通過浮吊將鋼混段吊裝到位后進行鋼格室混凝土的澆筑和預(yù)應(yīng)力鋼束張拉。使用溫度配切的方法進行合攏。由于黃艤長江大橋主梁為不對稱結(jié)構(gòu)，因此合攏時采用高塔側(cè)橋面吊機單側(cè)起吊，矮塔側(cè)設(shè)置等效荷載代替橋面吊機。在起吊合攏段前先使用等效荷載模擬起吊狀態(tài)并進行，起吊合攏段時同步卸除等效荷載，將合攏段吊至合攏口并在夜間溫度較低時喂入合攏口完成合攏焊接。

3 確定施工索力

在施工工序確定后，斜拉索施工張拉索力[3]是確定合理施工狀態(tài)的核心內(nèi)容，各梁段施工立模標(biāo)高在施工張拉索力確定后也隨之得到。本橋擬采用倒拆法[4]和正裝[5～7]試算相結(jié)合的綜合方法。其基本原理是在首輪倒拆中不計混凝土的收縮、徐變和結(jié)構(gòu)的幾何非線性。根據(jù)首輪的倒拆結(jié)果，再正裝計算，正裝計算中考慮混凝土的收縮、徐變和結(jié)構(gòu)的幾何非線性，將相應(yīng)的影響結(jié)果儲存，在下一輪的倒拆計算中，將上述儲存的影響結(jié)構(gòu)計入，如此反復(fù)，直至計算結(jié)果基本閉合。先以成橋理想狀態(tài)為初始狀態(tài)進行倒拆計算，確定一組索力以解決兩端合攏標(biāo)高不一致的難題，按照該組索力進行正裝試算，但由于結(jié)構(gòu)施工過程的非線性問題以及混凝土的收縮徐變等非線性因素造成了成橋狀態(tài)與理想成橋狀態(tài)的不閉合。因此，在倒拆得到的施工索力基礎(chǔ)上進行正裝試算，通過多次調(diào)整施工索力的大小使成橋索力不斷接近設(shè)計成橋索力。

由于斜拉橋的成橋索力由該拉索最后一次主動張拉力大小所決定，先將設(shè)計成橋索力作為倒拆模型的初始狀態(tài)索力進行倒拆，得到各拉索對應(yīng)的二張索力。代入正裝模型中且暫不考慮一次張拉索力大小，進行施工階段正裝計算后得到的成橋索力與倒拆模型成橋索力對比曲線圖及成橋索力誤差如圖4和圖5所示：

圖4 倒拆模型與正裝計算模型成橋索力對比曲線

Fig 4 The comparison of cable force curve of backward model and forward calculation model

圖5 第一次正裝計算成橋索力誤差

Fig 5 The first forward calculation error of cable force of the finished bridge

從圖2-3和圖2-4可以看出：正裝計算得到的成橋索力與倒拆模型成橋索力分布規(guī)律基本一致，該正裝模型計算結(jié)果能保證合攏時南北岸主梁標(biāo)高一致，但部分拉索索力相對誤差超過10%，不能滿足工程精度要求。因此，僅僅通過簡單的倒拆模型計算仍不能得到理想施工張拉索力，這主要是因為倒拆模型無法考慮施工過程中混凝土的收縮徐變[8]，以及體系轉(zhuǎn)換等造成了倒拆模型與正裝模型的不閉合。

在該組倒拆得到的施工張拉索力基礎(chǔ)上經(jīng)過多次試算調(diào)整，以最大限度逼近設(shè)計成橋索力為控制目標(biāo)，試算出各梁段階段末對應(yīng)的二次張拉索力。各拉索二次張拉索力大小及在該組索力作用下的成橋索力與設(shè)計成橋索力對比如圖6所示：

圖6 正裝計算成橋索力與設(shè)計索力誤差柱狀圖

Fig 6 The error in forward calculation of cable force of the finished bridge and designed cable force

從圖3-3中正裝試算得到的成橋索力與設(shè)計成橋索力對比可以看出：大部分拉索索力相對誤差控制在1%以內(nèi)，最大誤差也僅為2.3%，滿足工程精度要求。

4 定位主梁標(biāo)高

該橋邊跨混凝土梁采用支架整跨現(xiàn)澆施工，其定位標(biāo)高[9]在設(shè)計標(biāo)高的基礎(chǔ)上考慮支架變形即可。大跨度鋼箱梁斜拉橋采用懸臂拼裝施工法，其施工過程中主梁標(biāo)高不斷發(fā)生變化。通常采用在主梁拼裝定位標(biāo)高中設(shè)置預(yù)拱度[10]的方法來保證成橋主梁線形。預(yù)拱度的作用是消除主梁施工過程中的變形，保證成橋線形的平順并逼近設(shè)計成橋線形。

當(dāng)施工張拉索力確定后，正裝計算施工模型中最后一個施工階段主梁累計位移量為f，設(shè)主梁各梁段的控制點成橋設(shè)計標(biāo)高為H，則懸臂施工過程中各梁段的定位標(biāo)高H1為：

各梁段定位標(biāo)高計算結(jié)果如表1所示：

實際工程中，鋼箱梁定位后頂?shù)装宓暮缚p寬度總是存在差異的?？紤]到鋼箱梁焊接[2]過程中頂?shù)装搴缚p收縮規(guī)律不同造成的影響，一般來講，底板焊縫的收縮量會比頂板焊縫收縮量大2-3mm，該橋標(biāo)準(zhǔn)梁段長16m、梁高3.2m。按照底板焊縫收縮量比頂板大2mm考慮，焊縫頂?shù)装搴缚p不均勻收縮引起主梁前端標(biāo)高下降2mm×（16/3.2）=10mm。因此，在對該橋鋼箱梁定位時，在表4-1計算得到的預(yù)拱度基礎(chǔ)上再加上頂?shù)装搴缚p不均勻收縮造成的影響即可。

5 結(jié)束語

本文針對大跨度鋼箱梁斜拉橋的施工特點，對黃艤長江大橋的施工工藝進行優(yōu)化，并討論了采用倒拆法和正裝試算相結(jié)合的綜合方法確定合理施工索力及采用設(shè)置預(yù)拱度的方法確定主梁的定位標(biāo)高。以此為依據(jù)在施工過程中進行及時必要的調(diào)整，對大橋的施工安全和質(zhì)量控制起到了十分重要的作用。

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