甌江特大橋懸澆施工過程斜拉索索力張拉控制技術

林南昌，丁兆峰，陳舜東，鄒春蓉

(1.浙江樂清灣鐵路有限公司，浙江 溫州 325002；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

現(xiàn)代斜拉橋多屬于密索體系，PC斜拉橋的索距一般在5～8 m，大部分PC斜拉橋都采用牽索掛籃進行分節(jié)段懸臂澆筑施工。牽索掛籃充分利用了現(xiàn)代斜拉橋結構的特點，采用斜拉索作為掛籃的牽索，為掛籃提供支撐。設置牽索不僅減輕了掛籃的重量，也增加了主梁施工節(jié)段的長度。采用牽索掛籃懸澆施工的PC斜拉橋，施工現(xiàn)場最主要的工作是混凝土節(jié)段的懸澆和斜拉索的掛設與調整[1-2]。

主梁進行懸灌澆筑時，一般都是在混凝土澆筑過程中通過幾次張拉牽索，及時將混凝土重量通過牽索掛籃傳遞給索塔，以減輕懸臂主梁及掛籃的負擔，確保主梁及掛籃施工過程安全。對于大跨度PC斜拉橋，當主梁節(jié)段混凝土方量較大時，在多數情況下還需要在節(jié)段混凝土澆筑過程中進行斜拉索索力調整作業(yè)。為保證節(jié)段混凝土澆筑質量，要求節(jié)段混凝土連續(xù)不間斷澆筑，節(jié)段混凝土的澆筑引起橋上荷載變化，而且量值極難準確把握。如果以索力作為混凝土澆筑過程中調索的依據，很難取得較好的效果[3]。本文以甌江特大橋為背景，對預應力混凝土斜拉橋懸澆施工過程索力張拉控制方法進行研究。

預應力混凝土斜拉橋由于具有經濟節(jié)約、結構剛度大、維修養(yǎng)護工作量小且費用低等優(yōu)勢，在200～500 m 的經濟適用跨度范圍，廣泛應用于公路、市政橋梁。鐵路混凝土斜拉橋僅應用于少數幾座中小跨度橋梁(主跨小于150 m)，但在大跨度鐵路橋梁上未見應用。

1 工程背景

甌江特大橋跨甌江，主橋為溫州樂清灣港區(qū)鐵路的控制性工程。根據項目交通功能、線路標高、梁高限制、橋位地形條件、通航防洪、入海口的海洋環(huán)境等建橋條件，并以經濟節(jié)約為原則，主橋采用跨徑組合為(52+90+300+90+52)m的雙塔雙索面半漂浮體系預應力混凝土斜拉橋，目前為世界最大跨度鐵路預應力混凝土斜拉橋，見圖1。

圖1 甌江特大橋主橋立面(單位：cm)

主橋主梁共分為75個節(jié)段。其中G0，MG1，SG1,SG19梁段采用支架現(xiàn)澆,邊跨合龍段2個(SG18),中跨合龍段1個(MG19)。牽索掛籃懸澆66個梁段，其中邊跨側主梁懸澆段節(jié)段編號為SG2—SG17，中跨側懸澆段節(jié)段編號為MG2—MG18，懸澆梁段長8 m。在每個懸澆梁段施工過程中進行3次斜拉索張拉作業(yè)，即掛籃就位進行初張,混凝土澆筑1/2后進行第2次張拉,預應力張拉完畢后進行第3次張拉。懸臂現(xiàn)澆至成橋合龍過程中，索力多次調整，結構體系不斷轉換，控制難度大，結構受力復雜。

2 懸澆施工過程索力張拉控制方法研究

本橋在牽索掛籃調整到位后需要掛設斜拉索，并在梁端對稱進行斜拉索第1次張拉，由于塔、梁單元的實際位置會影響斜拉索兩端錨固點的幾何距離，故斜拉索掛設時以索的張拉力作為控制參數[3]。

在節(jié)段混凝土澆筑施工時，需要在混凝土澆筑50%時調整索力，在這種荷載條件下可以計算需要調整的索力值與斜拉索無應力長度之間的關系，再換算成拉索在梁端或塔端的拔出量(回縮量)進行控制。施工現(xiàn)場操作時，節(jié)段混凝土澆筑至50%左右的時段內(混凝土方量的估計不需要很準確)，用千斤頂把需要調整的斜拉索錨頭拔出或放回至預先設定的數值即完成調索工作。斜拉索調整完成時，斜拉索索力可能不是結構施加50%梁段重量的索力值，但當全部節(jié)段混凝土澆筑完畢后，索力會自動達到節(jié)段混凝土澆筑完成的索力值。

預應力張拉完畢后，將牽索索力由掛籃轉至主梁上，并在塔端進行第3次索力張拉，此時仍采用拔出量(回縮量)的方法進行索力控制，并采用索力動測儀及千斤頂油表對斜拉索索力進行驗證。

1)結構仿真計算分析

采用橋梁計算軟件MIDAS對橋梁結構進行計算[4-5]。在前2次張拉斜拉索、澆筑混凝土時，主梁僅產生重量而無剛度，因此在仿真分析時需在掛籃上進行斜拉索的張拉，此掛籃單元的剛度通過掛籃預壓試驗確定。主梁標準梁段的計算工況為：安裝掛籃(以掛籃荷載方式施加)；安裝虛擬梁單元(無重量，通過此單元節(jié)點變形并考慮掛籃變形的修正后，可以看出施工過程主梁前端變形)；第1次張拉斜拉索；澆筑1/2 混凝土(以梁段荷載方式施加)；第2次張拉斜拉索；澆筑剩余1/2混凝土(以梁段荷載方式施加)；張拉該梁段預應力；第3次張拉斜拉索；掛籃前移。

2)結構中間施工理想狀態(tài)確定

施工階段仿真計算分析時，先假定一個張拉索力，按正裝計算得到一個成橋狀態(tài)，將該成橋狀態(tài)與事先定好的合理成橋狀態(tài)比較，按最小二乘法原理使2個成橋狀態(tài)相差最小，以此來修正張拉索力，再進行新的一輪正裝計算，直到收斂為止[6-7]。通過計算分析，計算出各個施工階段斜拉索的目標索力及梁段節(jié)點的理論坐標位置。

3)斜拉索無應力索長及拔出量(回縮量)計算

3次張拉后斜拉索塔至梁錨點間的水平長度l1,l2,l3分別為

(1)

(2)

(3)

第3次張拉后斜拉索塔至梁錨點間的豎直高度為

h1=|Z1，i-Z1，j|

(4)

h2=|Z2，i-Z2，j|

(5)

h3=|Z3，i-Z3，j|

(6)

按照懸鏈線索長計算公式，錨點之間斜拉索的曲線長度L為[8-9]

(7)

式中：雙曲線正弦函數sinh(γ)=1/2(eγ-e-γ)。

設此狀態(tài)下斜拉索無應力長度為L0，則張拉后斜拉索錨固點之間的曲線長度計算如下

(8)

式中：T為斜拉索的索力平均值；E0為斜拉索材料彈性模量；As為斜拉索的截面面積。

根據式(8)求得

(9)

通過式(9)計算出每次張拉后斜拉索無應力長度，分別為L1,0,L2,0,L3,0。

第1次張拉以索的張拉力作為控制量；第2次、第3次張拉以斜拉索拔出量(回縮量)的方法進行索力控制，按式(10)—(11)計算。

第2次張拉時斜拉索拔出量(回縮量)為

L2,b=L2,0-L1,0

(10)

第3次張拉時斜拉索拔出量(回縮量)為

L3，b=L3，0-L2，0

(11)

3 索力控制效果評價

根據上述索力張拉控制方法，對甌江特大橋17#索塔、邊跨S2#～S8#及中跨M2#～M8#斜拉索3次張拉后，斜拉索無應力長度進行了計算，并根據斜拉索3次張拉的無應力長度，計算出第2次張拉、第3次張拉斜拉索拔出量，結果列于表1。

表1 斜拉索無應力索長L0及拔出量Lb m

在斜拉索張拉實施過程中，按照表1斜拉索拔出量對2次張拉、3次張拉索力進行控制，并以第3次張拉作為評價工況，采用索力動測儀及千斤頂油表對斜拉索索力控制情況進行了評價。本文對邊跨S2#～S8#及中跨M2#～M8#下游側斜拉索評價結果詳見表2、圖2。

表2 斜拉索目標索力值與測試索力值對比

由表2可知，各索力偏差均滿足小于4%的誤差要求，其中M2#索偏差最大，為2.7%，其他均在2%內。測試索力與目標索力吻合較好，索力狀況符合設計要求，為后續(xù)索力控制奠定了基礎。

4 結語

在斜拉橋的施工中，索力的調整和實現(xiàn)是非常重要和關鍵的。牽索張拉力是懸澆施工中最活躍的因素之一。本文基于PC混凝土斜拉橋采用牽索掛籃懸澆施工過程的分析，提出了懸澆施工過程斜拉索索力的控制方法。首先通過有限元計算分析確定結構中間施工理想狀態(tài)。由于塔、梁單元的實際位置會影響斜拉索兩端錨固點的幾何距離，在橋梁施工現(xiàn)場操作時，斜拉索掛設時的初張拉采用張拉千斤頂控制張拉索力。其后斜拉索的索力調整則全部以斜拉索的無應力長度變化為調整基礎，以錨頭拔出量或回縮量進行索力控制，實現(xiàn)PC混凝土斜拉橋懸澆施工過程索力的精確控制和施工過程多工序同步作業(yè)。在局部或全橋調索時亦可采用本方法。