不對稱雙懸臂混合梁斜拉橋主梁施工方法研究

姚 森

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050)

1 工程概述

迫龍溝特大橋為156 m+430 m+156 m的雙塔雙索面、邊跨無輔助墩的混合梁斜拉橋，全橋總長743 m，見圖1。橋梁位于西藏林芝境內(nèi)，距迫龍溝溝口上游約100 m[1]。橋位處為迫龍溝冰川泥石流活動頻繁地段，成都側(cè)邊跨處于橫向斜坡地帶，山體十分陡峭且邊坡穩(wěn)定系數(shù)小，拉薩岸地勢較為平坦，為歷史上多次泥石流堆積形成，兩岸均不適合設(shè)置輔助墩[2]。

圖1 橋式布置圖(單位：m)

中跨組合梁由鋼主梁、橫梁、小縱梁及預(yù)制混凝土橋面板組成，Z0為鋼-混結(jié)合段，Z0～Z17為組合梁節(jié)段，Z18為中跨合龍段。鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段長12 m，縱梁、橫梁、小縱梁均為工字形斷面，其中縱梁高2.2 m，橫梁高2.2～2.331 m，小縱梁高0.3 m，組合梁橋面板為C50預(yù)制混凝土板，橋面板厚度為28 cm，中跨半跨組合梁總重35 500 kN[3]。

邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土主梁采用雙邊肋斷面結(jié)構(gòu)，B0為墩頂節(jié)段，B1～B17為邊跨節(jié)段。主梁中心高度2.62 m，全寬14.3 m，頂板厚28 cm，標(biāo)準(zhǔn)梁段長8.5 m，每梁段設(shè)有2道橫隔板，一側(cè)邊跨混凝土主梁總重88 040 kN，邊跨混凝土梁段重量約為中跨組合梁段重量的2.5倍。

2 主梁施工方案比選

混凝土梁斜拉橋的主梁一般采用牽索掛籃對稱雙懸臂澆筑，組合梁斜拉橋主梁一般采用架梁吊機(jī)雙懸臂拼裝，而混合梁斜拉橋的主梁施工，鑒于邊跨與中跨結(jié)構(gòu)重量的差別，邊跨混凝土主梁施工一般采用現(xiàn)澆支架法，待主梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，懸臂安裝主跨側(cè)主梁，再對稱掛設(shè)斜拉索。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點、橋位處自然環(huán)境、機(jī)械設(shè)備資源等因素，經(jīng)分析研究，提出了以下3種施工方案：①邊跨牽索掛籃懸澆，中跨架梁吊機(jī)懸拼；②邊跨支架現(xiàn)澆，中跨架梁吊機(jī)懸拼；③邊跨支架現(xiàn)澆，中跨纜索吊機(jī)整節(jié)段吊裝[4]，從施工安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)創(chuàng)新等因素出發(fā)，通過層次分析法[5]進(jìn)行比選以確定最優(yōu)方案。

2.1 方案說明

1) 方案1。邊跨采用牽索掛籃懸澆，中跨采用架梁吊機(jī)懸拼。本方案邊跨混凝土梁采用牽索掛籃懸臂澆筑，中跨組合梁采用架梁吊機(jī)懸臂拼裝并配置平衡重的雙懸臂施工方案，見圖2。在邊跨B1梁段頂面安裝提升站，在主跨結(jié)合段處安裝架梁吊機(jī)。鋼梁及預(yù)制橋面板等構(gòu)件由提升站提升到橋面后，使用運梁小車運輸至中跨待架位置。

邊跨B1，B0梁段及Z0鋼-混結(jié)合段，在主墩設(shè)置墩旁托架進(jìn)行現(xiàn)澆；B2～B14節(jié)段采用牽索掛籃懸臂澆筑；由于成都側(cè)B15～B17節(jié)段位于圓曲線之上，設(shè)有4%的超高，結(jié)合兩岸的地勢，采用部分支架現(xiàn)澆較為合適。中跨Z0節(jié)段利用塔吊在墩旁托架上安裝，Z1～Z18節(jié)段利用架梁吊機(jī)懸臂拼裝。

圖2 方案1上部結(jié)構(gòu)施工總體布置圖(單位：m)

2) 方案2。邊跨全部采用支架現(xiàn)澆，中跨采用架梁吊機(jī)懸拼?；旌狭盒崩瓨虻闹髁菏┕ぃ吙缁炷林髁阂话悴捎弥Ъ芊侄维F(xiàn)澆，中跨主梁采用單懸臂拼裝，再對稱掛設(shè)斜拉索。本方案的墩頂節(jié)段(B1，B0及Z0)托架現(xiàn)澆、梁面提升站及吊機(jī)、構(gòu)件運輸、中跨主梁拼裝等施工方法和總體布置與方案1相同，僅邊跨節(jié)段全部采用支架進(jìn)行現(xiàn)澆，見圖3。

圖3 方案2上部結(jié)構(gòu)施工總體布置圖(單位：m)

由圖3可見，方案2在兩側(cè)邊跨搭設(shè)鋼管支架，支架基礎(chǔ)采用人工挖孔樁。成都岸邊跨支架處于陡坡之上，無法開挖便道，支架搭設(shè)采用釣魚法從0號橋臺向1號主塔方向推進(jìn)，拉薩岸地形開闊有施工便道，可直接用吊機(jī)在便道上完成支架安裝。

3) 方案3。邊跨采用支架現(xiàn)澆，中跨采用纜索吊機(jī)整節(jié)段吊裝。在方案1和方案2中，中跨鋼梁均采用架梁吊機(jī)進(jìn)行單件懸拼，每節(jié)段鋼梁構(gòu)件較多(2根主梁、3根橫梁、3根小縱梁、2段風(fēng)嘴)，高空作業(yè)不易定位，安裝周期較長。

本方案將鋼主梁、橫梁、小縱梁、風(fēng)嘴在成都側(cè)鋼梁拼裝臺上組拼成一個節(jié)段，采用1 000 kN纜索吊機(jī)進(jìn)行整節(jié)段吊裝，可減少高空拼裝時間和安全風(fēng)險。利用塔柱處提升站起吊橋面板，在橋面設(shè)置移動式門吊進(jìn)行安裝。邊跨支架布置及施工方法同方案2，見圖4。

圖4方案3上部結(jié)構(gòu)施工總體布置圖(單位：m)

2.2 方案優(yōu)缺點

通過以上分析和比較，本橋主梁施工方案方案的優(yōu)缺點見表1。

表1 主梁施工方案對比表

2.3 層次分析法評價

采用層次分析法，考慮影響主梁施工方案比選的各個因素，對3種施工方案進(jìn)行客觀、全面的評價。

1) 評價指標(biāo)的選擇。在橋梁施工過程中，安全、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)創(chuàng)新等因素對方案的優(yōu)劣性具有較大的影響程度。針對邊跨主梁重量是中跨主梁的2.5倍，且邊跨無輔助墩，施工過程中對主塔施工應(yīng)力和線形控制難，以及兩岸山體的特殊地質(zhì)和地形條件等因素，選擇了7項比選評價指標(biāo)，見圖5。

圖5 主梁施工方案比選指標(biāo)體系

2) 構(gòu)建判斷矩陣，計算特征向量與一致性檢驗。根據(jù)以上遞階層次結(jié)構(gòu)，引入1～9重要性標(biāo)度值，構(gòu)建判斷矩陣，賦值計算特征向量W，并進(jìn)行一致性檢驗。

利用求和法，近似計算AHP法的判斷矩陣特征向量，即A～B層次特征向量W=(0.677，0.226,0.097)；通過矩陣運算求解器，得到最大特征值λmax=3.065，CR=0.056<0.1。同樣方法可以得到B1～Ci，B2～Ci,B3～Ci的特征向量W、最大特征值λmax及CR檢驗值。

3) 層次總排序。在同層次各要素的相對重要性關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各層級要素對總體的綜合評價。取最終評價結(jié)果D中最大值對應(yīng)的方案為最佳方案。

首先計算第二層對第一層(目標(biāo)層)的權(quán)向量，W(2)=(0.442,0.088,0.147,0.188,0.038,0.073,0.024)，依次獲得層次C對層次B，層次D對層次C的綜合重要度。最終獲得3種方案的總排序權(quán)重，見表2。

表2 層次D總排序權(quán)重

由表2可見，層次D總排序權(quán)重W(3)=(0.588,0.261,0.155)。即3種方案的優(yōu)劣順序為：D1，D2，D3，且方案1明顯優(yōu)于其他2種方案，因此，選擇方案1為實施方案。

3 不平衡力矩控制措施

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)特點

1) 橋梁位于迫龍溝冰川泥石流活動頻繁地段，成都側(cè)山體陡峭，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小，拉薩側(cè)山體為多次泥石流堆積形成，兩岸均不適合設(shè)置輔助墩。

2) 橋梁邊跨混凝土梁重量是中跨鋼混組合梁重量的2.5倍，懸臂澆筑時，具有橋塔兩側(cè)受力高度非對稱特性。

3) 橋梁無輔助墩，在雙懸臂施工過程中，橋梁橫向抗風(fēng)性能差[6-7]。

4) 橋面全寬13.8 m，中跨全長壓重后，橋面運輸通道狹小，影響施工。

3.2 施工階段線形控制

本橋如采用常規(guī)的雙懸臂對稱施工，通過有限元模擬計算，主塔在不考慮溫度荷載的情況下，1號主塔(高147 m)的最大偏位達(dá)43 cm，在整體升溫10°時，塔頂最大偏位約56.8 cm。由于主塔偏位較大，主梁線形控制非常困難，需要采取措施減小主塔兩側(cè)的不平衡力矩。一般采取在中跨主梁壓重方式，經(jīng)計算，中跨壓重約50 kN/m。如此巨大的壓重，其材料組織、搬運、拆除都相當(dāng)困難，另外，壓重物還占用橋面，影響運輸通道，因此，中跨全長配重方案不具備可操作性。

通過分析計算，在邊跨合適位置設(shè)置臨時墩[8]，主跨盡量不壓重的條件下，可控制主塔兩側(cè)的不平衡力矩。受地形地質(zhì)條件限制，成都側(cè)邊坡極不穩(wěn)定，本側(cè)僅在距塔中線27 m左右位置有一塊較為完整的基石，適合做臨時墩基礎(chǔ)，但此位置距主塔太近，對主梁兩側(cè)的不平衡力矩影響有限，并不能明顯降低塔頂偏位。

綜合考慮以上問題，結(jié)合橋位地形地質(zhì)條件，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過優(yōu)化施工工序，中跨鋼梁安裝超前邊跨現(xiàn)澆梁1個節(jié)段、在邊跨距主塔中線27.75 m處設(shè)置1處臨時墩，以及塔梁臨時固結(jié)等技術(shù)措施，來控制兩側(cè)主梁對主塔的不平衡力矩，以達(dá)到減小塔頂偏位，降低主梁線形控制難度的目的[8]，見圖7。

圖7 主梁不對稱施工總體布置(單位：m)

經(jīng)有限元模擬分析計算，采用上述控制措施后，當(dāng)邊跨懸澆至B6節(jié)段、中跨懸拼至Z7節(jié)段，完成斜拉索的張拉時,1號主塔塔頂向中跨最大偏位150 mm,2號主塔塔頂向中跨最大偏位141 mm；中跨合龍后，澆筑完成Z16節(jié)段濕接縫，并張拉16號斜拉索，1號主塔塔頂向邊跨最大偏位222 mm，2號主塔塔頂向邊跨最大偏位204 mm；二期恒載施工完成后，1號主塔塔頂向邊跨偏位85 mm，2號主塔塔頂向邊跨偏位80 mm；10年收縮徐變完成后，在恒載作用下主塔基本處于豎直狀態(tài)。

4 結(jié)語

針對本橋邊跨與中跨主梁不同的結(jié)構(gòu)形式及邊跨無輔助墩的特點，結(jié)合橋位處特殊地形及地質(zhì)條件，通過方案比選，選擇了邊跨采用牽索掛籃懸臂澆筑(邊跨部分支架)，中跨采用架梁吊機(jī)懸臂拼裝的總體方案。通過計算分析，優(yōu)化了主梁施工步驟，采取邊跨設(shè)置臨時支墩、中跨鋼梁超前邊跨拼裝一個節(jié)段，取消了在中跨全長配重。

本橋的不對稱雙懸臂施工混合梁斜拉橋的施工方法，有效地降低了兩側(cè)主梁對主塔的不平衡力矩，減小了橋塔在施工階段的應(yīng)力及偏位控制難度，增加了施工階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性，解決了兩岸山體地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)問題。該施工方案安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，可為同類橋梁的施工提供參考和借鑒。