斜拉橋結(jié)構(gòu)受力特點及施工控制方法研究

崔勝海

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

斜拉橋構(gòu)思于17世紀，受當時技術(shù)條件的限制，很長時間未得到發(fā)展，一度甚至被遺棄，20世紀30年代，德國造橋?qū)＜已芯吭O(shè)計了第一條橋梁，由于其受力特點和結(jié)構(gòu)外形的優(yōu)勢，非常具有競爭力，尤其體現(xiàn)在跨徑大橋的施工上，因此在很短的時間內(nèi)在世界各國迅速發(fā)展。我國這項技術(shù)研究較晚，起步于20世紀90年代，隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，斜拉橋設(shè)計建設(shè)相繼建成，較為著名的有惠青黃河公路大橋、漳州戰(zhàn)備大橋、無錫市清寧大橋等。截至目前，我國已建成跨度400 m以上的斜拉橋30余座，其中最為著名的是蘇通大橋，跨度為1 088 m，為世界之最。

1 斜拉橋總體布置及結(jié)構(gòu)受力特點

斜拉橋總體布置類型較多，一般來說可以區(qū)分為獨塔雙跨式、雙塔三跨式，由于工程實際需要，也可以設(shè)置為獨塔單跨式、雙塔單跨式、多塔多跨式三種。斜拉橋一般由以下部分構(gòu)成：主梁、索塔、拉索以及下部結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)又主要包括橋臺、橋墩等基本構(gòu)件，共同組合成體系橋梁。從受力情況看，主梁主要受軸向的拉力，索塔受壓，拉索受拉。

拉索是主要承重件，對主梁有較好的支承作用，對斜拉橋整體經(jīng)濟合理性以及剛度起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)索面的不同，可以區(qū)分為豎琴形、輻射形、扇形三種基本形式，受力特點是：輻射形由于易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使用已經(jīng)日趨減少；豎琴形由于其受力特點，一般僅用于跨度較小的斜拉橋中；扇形布置兼顧了以上兩種優(yōu)點，有著較好的抗扭剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性，也是當前采用最多的索型。采用混凝土主梁，拉索最科學(xué)的間距為4～12 m，采用鋼主梁時，拉索最科學(xué)的間距為8～24 m。主梁一般分為連續(xù)和非連續(xù)體系兩種，前者為連續(xù)梁和連續(xù)鋼構(gòu)；后者主梁主跨斜拉橋中央，帶一個剪力鉸或簡支掛孔。鋼主梁斜拉橋受力分析：斜拉橋的受力主要存在材料和結(jié)構(gòu)的非線性影響。材料的非線性影響主要指在長期負荷下發(fā)生徐變的影響，結(jié)構(gòu)非線性影響主要指塔和梁的軸力效應(yīng)和大撓度影響。

在外負荷作用下，斜拉橋的塔和橋均承受了較大壓力，達到一定值時就會產(chǎn)生平面或彎扭屈曲，其精確計算可按空間桿系屈曲有限元法實施。拉索錨固區(qū)的應(yīng)力可按照圣維南假定實施計算，從整體中取出一個梁高或半個梁寬作為錨固體，按彈性階段實施受力分析。如果有預(yù)應(yīng)力，可作為外力考慮。此外，還要充分考慮風(fēng)力、靜力、地震等自然災(zāi)害以及動力如風(fēng)雨激振的影響，嚴寒地區(qū)還要充分考慮到拉索馳振的影響。

2 斜拉橋施工控制及監(jiān)理要點研究

由于斜拉橋結(jié)構(gòu)形式和施工方法多樣，施工也最能體現(xiàn)一個企業(yè)的裝備層次和技術(shù)水平，比如對于鋼索塔的施工，就必須充分考慮其起吊能力、焊接工藝以及安裝的精度等。由于施工安裝程序和施工方法與結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力關(guān)系密切，要求其上部結(jié)構(gòu)必須嚴格按照工藝和步驟實施施工，必須實施嚴密的施工控制。作為監(jiān)理人員，筆者結(jié)合港珠澳大橋深水區(qū)橋梁工程(包括青州航道橋、江海直達船航道橋)，對施工控制和監(jiān)理重點進行闡述，具體見表1所示。

2.1 鋼管沉樁

為滿足施工要求，需要在鋼管樁內(nèi)外壁實施防腐處理，設(shè)置內(nèi)外剪力環(huán)，由于其設(shè)計頂標處于水面下，標高取6.0 m或5.0 m。沉樁工藝一般使用液壓打樁錘配合大型打樁船完成，傾斜度控制在≤1/250，中心平面允許的偏差值≤100 mm。

此階段監(jiān)理重點為：對鋼管樁的運輸、堆存管理要科學(xué)，避免出現(xiàn)摩擦和碰撞情形，因為其極易導(dǎo)致防腐涂層的損壞以及管端的變形；對于樁錘的選型必須根據(jù)試驗結(jié)果而定，確保垂直度和位置的精確控制。

2.2 灌注樁施工

主要采用的復(fù)合樁直徑分別為2.15 m、2.5 m，確保樁底嵌入深度≥1.5倍的樁徑，平均樁長為103 m，最大樁長為129.7 m，必須全過程進行鉆孔施工記錄，并留樣。監(jiān)理人員、業(yè)主和設(shè)計人員必須到場簽認；現(xiàn)場加工制作鋼筋籠，并根據(jù)運輸要求實施分節(jié)制作；鋼筋籠施工完畢后，必須安裝混凝土保護塊，強度達到標準后，可實施抽芯檢測和超聲檢測，順序一般按先超聲檢測后抽芯檢測的順序，數(shù)量按照每墩2芯實施。

此階段監(jiān)理重點：(1)必須常態(tài)落實對于泥漿的含砂率、比重、泥皮厚度等指標的檢查，確保孔壁的穩(wěn)定，確保不發(fā)生卡鉆、掉鉆等現(xiàn)象，保證鉆孔效率；(2)泥漿凈化處理必須符合環(huán)保標準；(3)鉆孔的孔徑、垂直度等必須符合設(shè)計要求；(4)要充分考慮混凝土連續(xù)灌注能力，確保不出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象；(5)注重把握混凝土的初凝時間、澆筑時間、灌注的時間必須不少于首批混凝土初凝時間，以防鋼筋籠的上??；(6)對樁頂?shù)母叱?，必須嚴格控制，確保不發(fā)生松散等情況，確保施工質(zhì)量。

表1 斜拉橋施工控制和監(jiān)理要點表

2.3 承臺的安裝

承臺套箱一般由內(nèi)外圍壁、底板、護舷等支撐系統(tǒng)組成，節(jié)段間需安裝橡膠條，采取消能裝置對承臺的碰撞進行緩沖，減少沖擊能。必須按照《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》的標準要求對于焊接工藝、材料和規(guī)格嚴格規(guī)范，所有的主次要構(gòu)件以及焊縫必須檢驗合格，套箱實施防腐處理應(yīng)按照不少于20年的壽命進行設(shè)計，套箱所采用的焊接材料、預(yù)處理、焊接方法、焊后處理及檢驗要求等，均要滿足中國船級社要求。所有噴砂除銹必須達到Sa2.5級，涂裝必須在清潔合格后實施。樁頭處理中，直徑>20 mm鋼筋采用墩粗直螺紋機械連接。

此階段監(jiān)理重點：(1)鋼筋層次多，用量也較大較多，尤其要注意層間網(wǎng)格的對齊與間距控制的科學(xué)合理，確保鋼筋保護層厚度符合標準要求，二級承臺需保證模板的剛度、強度和穩(wěn)定度；(2)焊接必須牢固，確保外形均勻和光滑，無裂縫、殘渣、氣孔等缺陷。

2.4 墩身的安裝

浮吊吊裝墩身時，必須擱置于承臺支墩上，完成初步定位，以滿足設(shè)計要求，固定臨時裝置進行安裝時，必須拆除千斤頂，完成承臺頂面與墩身的連接。

此階段監(jiān)理需注意：(1)墩身連接預(yù)應(yīng)力粗鋼筋的張拉；(2)墩身整體吊裝的定位精度；(3)支承墊石頂面的高程精度。

2.5 索塔施工

索塔施工控制的基本原理，就是利用工程控制論的普遍原理，建立誤差處理系統(tǒng)，正確評估線形偏差，做出線形調(diào)整，利用可靠穩(wěn)定的參考點實現(xiàn)模板或鋼錨箱節(jié)段的準確定位。以柳州三門江大橋施工為例，大橋主塔分5個施工節(jié)段，第一、二節(jié)段高各4.8 m，第三節(jié)段高4.4 m，第四節(jié)段高4.7 m，第五節(jié)段高2.8 m。塔身直順，主塔高度較低，主塔采用塔外搭設(shè)支架翻模施工。主塔施工材料和設(shè)備通過便橋、碼頭及水上交通船運至墩位，垂直起吊運輸由塔吊負責(zé)，混凝土由設(shè)在主梁上的地泵直接送入模。

此階段監(jiān)理重點：(1)對于索塔預(yù)埋件要給予關(guān)注，確保位置準確、設(shè)置齊全；(2)索塔施工必須確保垂直度、錨箱定位和結(jié)形撐定位精度；(3)上塔柱實施混凝土施工時，必須嚴格控制其連接部位安裝質(zhì)量。

2.6 鋼箱梁的吊裝

鋼梁的拼裝需科學(xué)制定合龍方案，一般按照先合龍兩側(cè)，再向中跨延伸，再實施合龍主跨的步驟，科學(xué)進行轉(zhuǎn)角調(diào)整，使其準確合龍，達到平順。在鋼箱梁施工時，原材料是非常重要的，其包括鋼材、焊接材料、連接用緊固件等，要嚴把質(zhì)量關(guān)，才能從根源上控制鋼箱梁的質(zhì)量。主要檢測材料的質(zhì)量證明書，并對其力學(xué)性能、化學(xué)成分等進行分析和驗證，在選擇焊接材料時，要和母材的強度和硬度是相同的，連接用緊固件有高強度的螺栓等。構(gòu)件在連接時有焊接和高強度螺栓連接兩種。焊接時，運用材質(zhì)相同的材料進行焊接，并在焊縫兩端設(shè)置引出板，在焊接完成后，運用機械切割或者氣割的方式將引出板切除，不能用錘子擊打。焊接完后，還要對焊縫進行超聲波檢測和射線探傷。其次，高強螺栓在使用前要檢查摩擦面的抗滑移系數(shù)，螺栓的旋入方向要一致，初擰和終擰都要受力均勻。要在1～48 h之內(nèi)進行扭矩檢查，檢查采用松扣回扣法。

此階段監(jiān)理需注意：(1)鋼梁架設(shè)是施工安全中必須重點關(guān)注的環(huán)節(jié)，按照要求必須設(shè)置穩(wěn)定設(shè)施，確保大跨度懸臂施工安全；(2)對鋼箱梁懸臂精度必須嚴格控制。

2.7 斜拉索的安裝

對于斜拉索的保護是安裝重點，其索力也將直接影響橋梁的內(nèi)力以及主梁的線形。以公軌兩用雙層橋面鋼桁梁斜拉橋為例，在上游塔柱各設(shè)置1臺塔吊用于塔端斜拉索安裝及空中展索；在塔頂布置卷揚機，將斜拉索牽引入索導(dǎo)管并提升塔柱內(nèi)的千斤頂、撐腳、張拉桿等塔內(nèi)設(shè)備；在塔頂布置工字鋼扁擔(dān)梁支撐塔頂卷揚機；在橋面塔柱安裝卷揚機將索頭提升至索導(dǎo)管位置；采用卷揚機及導(dǎo)向滑輪組、手拉葫蘆將梁端索頭牽引到位；采用千斤頂張拉斜拉索。

此階段監(jiān)理重點：(1)做好斜拉索的保護，包括運輸、堆放過程的保護；(2)防止錨頭進水；(3)使用高密度聚乙烯實施連接防腐處理；(4)索長達到預(yù)定長度后，要對溫度、軸線、傾斜度實施測量，控制誤差。

3 結(jié)語

綜上所述，斜拉橋安裝程序和施工方法與主橋線形以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力有著緊密的關(guān)系，施工過程中必須嚴格實施監(jiān)控，其施工過程和施工設(shè)計之間必須形成反饋機制，信息的反饋要及時，并逐步完善這種機制，所以在施工中必須全面掌控設(shè)計意圖和標準要求，科學(xué)編制設(shè)計方案，促進斜拉橋施工工程的科學(xué)穩(wěn)定。

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