支架施工斜拉橋體系轉(zhuǎn)換方案的優(yōu)選與施工控制

劉海寬，于品德，程 坤，唐國斌

（1．河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450015；

2．公路橋梁安全檢測與加固技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450015）

0 引 言

斜拉橋是一種由塔、梁、索3種基本構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)體系，以結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)良、跨越能力大、造型豐富及抗震性能良好等優(yōu)勢成為大跨徑橋梁中優(yōu)選的一種橋型［1］。斜拉橋受力的基本特點是：由主梁直接承受豎向荷載，并通過斜拉索傳遞至索塔，再由索塔基礎(chǔ)傳遞給地基；斜拉索在傳遞豎向荷載的同時產(chǎn)生水平分力作用于主梁，斜拉橋主梁與索塔均為偏心受壓，預(yù)壓力的存在對結(jié)構(gòu)是有利的。斜拉橋?qū)俑叽纬o定結(jié)構(gòu)，其最為重要的特性之一是所采用的施工方法和安裝方式與成橋后幾何線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)息息相關(guān)［2］。在施工階段，隨著斜拉橋結(jié)構(gòu)體系和荷載狀態(tài)的不斷變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形亦隨之不斷發(fā)生變化［3］，施工過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形直接決定成橋狀態(tài)，施工過程中的荷載與結(jié)構(gòu)體系變化，均會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形［4－7］。該類橋梁的施工工藝復(fù)雜，影響因素眾多，施工調(diào)整方式多樣，因此其施工監(jiān)控是各類橋梁施工監(jiān)控中相對復(fù)雜的，所發(fā)揮的作用也是最顯著的［8］。

在斜拉橋施工前必須預(yù)先制定詳細的分階段施工方案，并進行施工階段仿真計算分析，以確定橋梁在各施工階段的梁塔位移、截面內(nèi)力和索力等控制參數(shù)，必要時應(yīng)進行關(guān)鍵施工步驟的調(diào)整和優(yōu)化，確定最優(yōu)施工方案以指導(dǎo)橋梁施工，并在施工過程中對各階段的橋梁狀態(tài)做好監(jiān)控。斜拉橋施工方法多種多樣［9－12］，可根據(jù)橋梁實際情況采用懸臂施工法、支架法、頂推法或平轉(zhuǎn)施工等方法。支架法是在橋位搭設(shè)滿堂支架，然后立模澆筑混凝土主梁，同步施工索塔，待主梁合龍、主塔封頂后在支架上安裝并張拉斜拉索，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換后拆除支架。本文以鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運河橋左幅橋為例，對橋梁體系轉(zhuǎn)換施工方案進行優(yōu)選，并在施工過程中進行施工監(jiān)測控制。

1 橋梁體系轉(zhuǎn)換的要點

1．1 斜拉索的張拉

目前，平行鋼絲拉索及平行鋼絞線拉索應(yīng)用較多，大跨度斜拉橋中，平行鋼絞線拉索在結(jié)構(gòu)性能、運輸、安裝和可維護性方面都優(yōu)于平行鋼絲拉索，特別是在山區(qū)大跨度斜拉橋中，受運輸條件、施工設(shè)備等影響，平行鋼絞線斜拉索的應(yīng)用更加廣泛［13］。對于主梁采用支架施工的斜拉橋，主梁支架施工完成后，即可安裝和張拉斜拉索進行橋梁結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換。體系轉(zhuǎn)換時，全橋斜拉索不可能一次全部張拉，其張拉順序、張拉次數(shù)和每次的張拉力是體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵和施工控制要點。斜拉索的張拉一般逐根或分組進行，每一根斜拉索的張拉均會對已張拉斜拉索索力、主梁和索塔內(nèi)力產(chǎn)生影響，施工過程中應(yīng)以合理成橋狀態(tài)為目標，在保證橋梁結(jié)構(gòu)受力安全的前提下，優(yōu)化施工順序和斜拉索張拉次數(shù)，確定斜拉索的張拉力，從而降低體系轉(zhuǎn)換對工期的影響并節(jié)約施工成本。

1．2 部分二期恒載的影響

對于主梁支架施工的斜拉橋，在混凝土箱梁澆筑及預(yù)應(yīng)力張拉施工完成以后，橋梁即具備進行體系轉(zhuǎn)換的條件；但主梁頂一般有混凝土鋪裝層、人行道梁等少量混凝土工程，此部分一般作為二期恒載考慮，可在體系轉(zhuǎn)換之前隨主梁在支架上澆筑完成，也可以在體系轉(zhuǎn)換完成后進行澆筑。該部分二期恒載加載的先后順序直接影響體系轉(zhuǎn)換過程中斜拉索張拉力的確定和主梁、索塔的受力，也會直接影響成橋主梁累積位移和成橋線形。因此，該部分二期荷載的加載與體系轉(zhuǎn)換的先后順序應(yīng)在主梁支架施工澆筑前確定，以便施工控制相應(yīng)的斜拉索張拉力和主梁施工預(yù)拱度。

2 體系轉(zhuǎn)換施工控制與方法

斜拉橋施工控制是連接斜拉橋設(shè)計與施工的橋梁，它是斜拉橋建設(shè)中的一項關(guān)鍵內(nèi)容，對于實現(xiàn)設(shè)計合理成橋狀態(tài)具有重要意義［14－16］。橋梁體系轉(zhuǎn)換隨著斜拉索的逐步張拉實現(xiàn)，在此過程中應(yīng)重點做好每一步驟的索力、主梁位移、主塔偏位、塔梁關(guān)鍵截面受力的監(jiān)測；并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與當(dāng)前階段的理想控制狀態(tài)進行對比分析，出現(xiàn)過大偏差時應(yīng)停止施工，及時進行原因分析，并在下一步施工中進行調(diào)整，以保證合理成橋狀態(tài)的順利實現(xiàn)。對于索力監(jiān)測可采用錨下壓力傳感器或采用振動測試法進行；主梁線形控制是斜拉橋施工控制的主要內(nèi)容之一［17］，對于主梁位移和主塔偏位，可采用高精度水準儀和全站儀進行觀測；對于塔梁關(guān)鍵截面受力可通過預(yù)埋的應(yīng)變傳感器進行監(jiān)測。

3 工程案例分析

3．1 工程概況

鄭州市鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運河橋為獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。橋梁設(shè)計為分離式雙幅橋，并在跨徑組合上采用反對稱布置，其中左幅主橋跨徑組合為（80＋112）m，橋梁左幅箱梁全寬29．5 m，左幅立面布置如圖1所示，橫斷面布置如圖2所示。主橋邊跨、主跨各設(shè)16對斜拉索，全橋共計64根，拉索采用抗拉強度標準值fpk＝1 860MPa的高強度低松弛環(huán)氧涂層平行鋼絞線；橋梁主塔、主梁均采用C50混凝土。主梁采用滿堂支架施工，主塔采用爬模節(jié)段澆筑，塔、梁施工完成以后從主塔向兩側(cè)逐步張拉斜拉索實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。

3．2 體系轉(zhuǎn)換施工方案對比分析

根據(jù)前期有限元仿真計算的初步分析，制訂了2種結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換施工方案，并進行詳細的有限元計算分析，在比對的基礎(chǔ)上優(yōu)選施工方案。

圖1 北三環(huán)跨東運河橋左幅立面

圖2 橋梁左幅橫斷面布置

（1）方案1：塔梁施工完成后，邊主跨對稱張拉1?！?6＃斜拉索（1?！?＃索需進行2次張拉，4＃～16＃索1次張拉到位），主梁脫架，然后施工橋面系，最后2次張拉1?！?＃斜拉索成橋。施工方案具體內(nèi)容如表1所示。采用該方案體系轉(zhuǎn)換時若斜拉索1次張拉到位，計算可知體系轉(zhuǎn)換施工過程中主梁根部下緣將出現(xiàn)2．85MPa的拉應(yīng)力，有開裂風(fēng)險。因此，對于1?！?＃索采取2次張拉的施工措施，保證塔梁受力安全。

表1 方案1施工順序

（2）方案2：塔梁施工完成后，在支架上澆筑混凝土鋪裝、人行道梁等，對稱張拉1?！?6＃斜拉索（1次張拉到位），主梁脫架，然后施工瀝青鋪裝及其他成橋。施工方案具體內(nèi)容如表2所示。

表2 方案2施工順序

方案2先施加部分二期恒載于主梁，再進行拉索張拉體系轉(zhuǎn)換。由于該部分荷載的存在，經(jīng)計算所有斜拉索均可以1次張拉到位，且在施工過程中塔梁受力安全。但該部分二期恒載隨主梁在支架上施工，因此在進行支架荷載計算時應(yīng)考慮該部分荷載的影響。

對比2個施工方案，方案2混凝土澆筑和斜拉索張拉施工較集中，簡化了施工步驟，優(yōu)化了斜拉索的張拉次數(shù)，更便于現(xiàn)場施工組織，可節(jié)省7d工期并節(jié)約施工成本。因此，推薦采用方案2進行施工。

4 施工控制與監(jiān)測

4．1 預(yù)拱度與拉索張拉力的計算確定

對于鄭州市鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運河橋左幅橋，確定方案2作為施工方案后采用有限元計算軟件midas／Civil進行施工階段仿真計算，以合理成橋狀態(tài)為目標，確定主梁施工預(yù)拱度和體系轉(zhuǎn)換施工過程中各斜拉索的張拉力，以保證設(shè)計成橋線形和成橋索力。主梁預(yù)拱度值采用按結(jié)構(gòu)自重力和1／2活荷載頻遇值計算的長期撓度值之和，并考慮斜拉索松弛及混凝土收縮徐變產(chǎn)生的豎向撓度的影響。

橋梁斜拉索布置示意如圖3所示，主梁施工預(yù)拱度曲線如圖4所示，斜拉索的設(shè)計成橋索力和施工張拉力如表3所示。

4．2 塔梁受力與塔頂偏位監(jiān)測

在體系轉(zhuǎn)換施工過程中，實測了塔梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力，主梁、主塔均處于全截面受壓狀態(tài)，主梁最大壓應(yīng)力為－10．5MPa，主塔最大壓應(yīng)力為－15．5 MPa，均小于C50混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，塔梁受力安全。

圖3 斜拉索布置

圖4 主梁施工預(yù)拱度

施工過程中及成橋時應(yīng)控制塔頂偏位值不大于H／3 000（H 為承臺以上塔高），也不大于30mm，即當(dāng)橋梁承臺以上塔高為65．5m，塔頂偏位控制值為±21．83mm。體系轉(zhuǎn)換過程中實測主塔偏位較小，成橋以后塔頂最大偏位值為3．512mm，偏向主跨側(cè)。成橋塔頂偏位實測值與理論值對比如表4所示。

4．3 成橋線形與索力的測試

成橋后對橋面線形和成橋索力進行了測試，實測橋面線形平順，橋面標高與設(shè)計最大偏差未超過施工控制值±2．0cm的允許誤差。

成橋后索力與設(shè)計索力最大偏差要求不超過±10%，在最終成橋后對斜拉索索力進行通測，左幅橋調(diào)索完成后實測成橋索力與設(shè)計成橋索力對比如表5所示。

表3 斜拉索的施工張拉力

表4 成橋塔頂偏位理論值與實測值對比

由表5可知，鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運河橋左幅橋?qū)崪y成橋索力與設(shè)計成橋索力基本吻合，最大索力偏差不超過±10%，成橋索力均滿足施工控制要求。

5 結(jié) 語

支架法用于小跨徑斜拉橋施工方便，能較好地控制橋梁的設(shè)計線形。支架施工斜拉橋脫架實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵施工工序，實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換的施工方案并不惟一，需要事先確定可行的施工方案。以合理成橋狀態(tài)為目標，可通過有限元仿真軟件模擬施工過程，在保證橋梁結(jié)構(gòu)受力安全的前提下，優(yōu)選體系轉(zhuǎn)換方案，以節(jié)省工期和節(jié)約施工成本。在體系轉(zhuǎn)換施工過程中應(yīng)做好結(jié)構(gòu)受力、索力、主塔偏位和線形等內(nèi)容的監(jiān)測控制，以保證合理成橋狀態(tài)的順利實現(xiàn)。鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運河橋左幅橋工程實踐表明：通過施工方案優(yōu)化和施工過程監(jiān)測控制，可有效降低施工風(fēng)險，提高質(zhì)量控制水平，使成橋狀態(tài)各控制指標滿足設(shè)計和施工控制要求。

表5 左幅橋成橋索力測試結(jié)果