懸澆施工的預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋受力特性分析

胡士波，任榮明

（華藍(lán)設(shè)計（集團）有限公司，南寧 530000）

1 引言

矮塔斜拉橋是近幾十年發(fā)展起來的橋型，它的特點介于梁橋和斜拉橋之間，更多地具有梁橋的特點。但由于斜拉索的存在，此類橋型較好地融合了斜拉橋的優(yōu)勢，如減小梁高、增強美觀性能、減小跨中下?lián)系?。本文將以廣西鹿寨縣新勝大橋為例，著重分析懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋受力特性、構(gòu)造特點、經(jīng)濟適用性、優(yōu)化建議等，為橋梁設(shè)計者提供參考。

2 概述

廣西鹿寨縣新勝大橋位于鹿寨縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，跨越洛清江，結(jié)合河流走向、地形、航道規(guī)劃和通航評估報告結(jié)論、用地批復(fù)情況，設(shè)置大橋1 座，主橋上部結(jié)構(gòu)采用（47+80+47）m 矮塔斜拉橋，北岸引橋采用3×35m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，下部結(jié)構(gòu)采用端承樁基礎(chǔ)，鋼筋混凝土矩形截面橋墩，重力式U型橋臺，全橋長284m，橋梁寬度29m，橋梁面積8 236m2，為正交橋。橋梁主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，水中墩及承臺樁基采用筑島圍堰施工（見圖1）。

本文將著重介紹本橋的施工工序、受力特性及經(jīng)濟性分析，為類似橋梁工程總結(jié)經(jīng)驗，提供參考。

3 梁塔構(gòu)造

主橋主梁采用（47+80+47）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高4.8～2.5m，單箱4 室結(jié)構(gòu)，主梁與索塔固結(jié)，墩頂及索塔處設(shè)橫梁，拉索處設(shè)橫隔板；主梁共分為10 個節(jié)段，節(jié)段長3.0～4.5m。索塔采用縱A 字型結(jié)構(gòu)，置于橋梁中分帶，塔高16.0m，每個索塔設(shè)置拉索4 對，索距6.0m，拉索角度25°～45°，跨中無索區(qū)為20m，橫向為雙排索，間距1.0m。拉索采用M250A-12鋼絞線拉索，破斷索力3 125kN，運營期拉索安全系數(shù)為3.0。

上部結(jié)構(gòu)施工工序為：

1）懸臂澆筑主梁。

2）主梁合龍后現(xiàn)場澆筑索塔。

3）對稱安裝張拉A～D 號拉索。

圖1 新勝大橋橋型布置圖

4）施工二期恒載成橋。

4 梁塔受力特性

4.1 主梁受力特性

計算分析采用MIDAS8.05 建立全橋整體模型，施工工序均按照實際工序模擬，特殊構(gòu)件（索塔、橫梁、橫隔板等）建立局部模型計算分析，全橋有限元模型如圖2 所示。

圖2 新勝大橋全橋有限元模型圖

計算表明，主梁由于施工工序的限制，主梁受力特性與常規(guī)變截面連續(xù)箱梁橋基本相同。受力控制點為最后1 個懸澆節(jié)段澆筑后墩頂上緣受拉和墩頂下緣受壓控制，合龍段預(yù)應(yīng)力施加后，全橋應(yīng)力狀況改善。各控制階段主梁控制截面壓應(yīng)力儲備提升約30%。

由于主梁剛度大，斜拉索張拉后，主梁在施工階段應(yīng)力變化不大，基本在1MPa 左右，且均為全截面受壓，施工階段安全系數(shù)較高。但斜拉索張拉完成后，跨中上撓明顯，由斜拉索產(chǎn)生的跨中上撓約12mm，占比40%，對控制跨中下?lián)系呢暙I(xiàn)明顯。運營階段主梁全截面也均處于受壓狀態(tài)，且由于斜拉索張力的限制，主梁跨中長期下?lián)鲜艿郊s束，且后期使用可通過改變斜拉索張力的方式調(diào)節(jié)主梁跨中下?lián)希哂休^好的安全性和預(yù)期耐久性。

4.2 拉索張拉力的確定

基于上述施工工序特點，拉索張拉力主要控制因素為橫隔板承載能力及使用應(yīng)力控制。全橋?qū)?9m，扣除懸臂寬度，拉索橫隔板懸臂11.5m，最靠近跨中的拉索橫隔板梁高2.65m。計算結(jié)果表明，跨中處拉索橫隔板承載能力雖有富余，但無大幅提升空間，設(shè)計索力一定程度上受到拉索橫隔板承載能力控制。拉索張拉力轉(zhuǎn)換到索塔為軸力，轉(zhuǎn)換到主梁為剪力，主梁腹板抗剪截面要求較高，但可通過適當(dāng)增加支點截面的方式大幅提高承載力。因此，拉索張拉力受到長索橫隔板及主梁支點梁高的限制，應(yīng)在保證二者安全儲備相當(dāng)?shù)那闆r下確定拉索張拉力。

4.3 拉索受力特性

本橋拉索采用M250A-12，拉索索體由單根PE 防護環(huán)氧涂層鋼絞線和HDPE 外護套構(gòu)成，合龍后張拉索力為1 000～1 100kN，破斷索力為3 125kN，成橋階段最大索力為1 024.6kN，運營階段最大索力為1 256.5kN。

本橋主梁梁高受施工工序控制，截面較大，拉索所承擔(dān)的荷載僅為極小部分恒載以及小部分活載，其分擔(dān)比例主要受主梁剛度及拉索張拉力控制。計算表明，張拉拉索對先前已張拉拉索的影響較小，主梁合龍后張拉拉索，1 次張拉到位（先長索后短索），2 期恒載施加后、活載施加后索力依然均衡，最大索力和最小索力的差異均在2%以內(nèi)，無需2 次調(diào)索。

由于拉索的設(shè)置，拉索在主梁處要設(shè)置橫隔板，橫隔板重量在465.4～642.2kN，占運營索力的18.8%～25.6%，考慮斜拉索角度的影響，占運營索力（垂直分量，斜拉索角度25°～45°）的44.5%～51.2%。因此，采用高強輕質(zhì)的橫隔板，適當(dāng)增加拉索張拉力，可大幅提高橋梁承載能力。

4.4 索塔受力特性

理論狀態(tài)下，索塔基本為軸壓構(gòu)件，由于索塔高度較小，風(fēng)荷載基本可忽略。索塔受力主要考慮如下因素：

1）對稱張拉時的偏差導(dǎo)致索塔偏心。

2）運營時活載分布不對稱導(dǎo)致索塔偏心。

3）運營過程中斷索或單側(cè)索力下降導(dǎo)致索塔偏心。

4）綜合以上因素，計算索塔時考慮A 號索（與索塔夾角最小）單側(cè)失效疊加100a 一遇風(fēng)荷載作為控制工況，截面受力特性為偏壓構(gòu)件【1】。計算表明各種工況下索塔承載能力富余較大，截面及配筋受使用裂縫控制【2】。為保證索塔體量與主梁體量在景觀上的協(xié)調(diào)，拉索在索塔端固定（若在索塔端張拉，為保證張拉空間，要設(shè)置較大的索塔），張拉端設(shè)在箱梁內(nèi)部。

5 經(jīng)濟性分析

本橋橋面積8 236m2，建安造價7 184.9 萬元，單方造價8 724 元/m2。扣除引橋，主橋單方造價約 9 800 元/m2，與常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋造價相當(dāng)。

6 結(jié)論及建議

1）此類橋型在經(jīng)濟性方面與常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋造價相當(dāng)，但具有相當(dāng)好的景觀效果，且后續(xù)使用可以通過調(diào)整索力來提高承載能力，控制跨中下?lián)?，安全儲備相對于同等跨徑梁橋更高?/p>

2）此類橋型受力特性呈現(xiàn)出梁橋為主的受力特性，拉索承擔(dān)荷載相對較小，施工過程中也不需要2 次調(diào)索。

3）拉索區(qū)若采用混凝土材料自重大，影響拉索承擔(dān)荷載的有效性，若采用高強輕質(zhì)的拉索橫隔板可較大幅度地提升拉索所承擔(dān)的荷載的有效性。

4）拉索承擔(dān)的荷載最終轉(zhuǎn)換成剪力傳至主梁墩頂主梁，要求墩頂主梁具有較大的梁截面，若能在設(shè)計中做到塔梁分離，則可有效減小支點梁高。

7 結(jié)語

由上述分析可知，懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋更多地具備梁橋的特性，由于施工工序的限制，斜拉索的介入并不能大幅度減小梁高，但能顯著地改善跨中下?lián)?、增強橋梁美觀性能、為后續(xù)的加固以及提載預(yù)留空間，且具有良好的經(jīng)濟性。此類橋型設(shè)計的核心在于優(yōu)化拉索區(qū)橫梁布置，減輕橫梁自重，從而增強斜拉索分擔(dān)荷載的效率。若能將施工工序由懸臂澆筑改為滿堂支架澆筑或頂推施工，或做到塔梁分離，則此類橋型可顯著減小梁高，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更加顯著。

2018 年5 月，本橋已開工建設(shè)，預(yù)計2020 年12 月本橋?qū)⒔ǔ赏ㄜ?，建成后對鹿寨?jīng)濟發(fā)展具有重要意義。