組合梁斜拉橋主梁懸臂施工過程的體系轉換分析

戴 穎

（長沙理工大學土木工程學院 長沙410114）

0 引言

斜拉橋是大跨度橋梁中應用較多的一種橋型，對于斜拉橋輔助墩設置的研究已有一些成果。研究表明，對于大跨度PC 斜拉橋，在合理的位置設置輔助墩能很好地改善結構的受力和變形［1］；對于大跨度半漂浮體系的疊合梁斜拉橋，輔助墩的形式、設置位置、設置數(shù)量對斜拉橋的內(nèi)力變形影響很大，針對此做出了一些優(yōu)化方案［1-3］。此外，鋼箱梁斜拉橋臨時墩設置的機理與原則也已有詳細的研究［4，5］。但是對于輔助墩施工階段的詳細工序，如主梁標高調(diào)整、臨時墩的設置與拆除，以及臨時墩處調(diào)節(jié)裝置的利用等還沒有詳細的靜力分析［6-8］，而在施工過程中，由于橋梁結構復雜的體系轉換，這些細節(jié)的分析非常關鍵。

尤其由于組合梁斜拉橋的截面特性，鋼主梁與混凝土橋面板的共同受力情況是需要考慮的難點。本文就某大跨度組合梁斜拉橋過輔助墩的要點、難點進行計算分析，結果表明，利用臨時墩處設置的主動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)臨時墩支座支反力，既可以抵抗由混凝土橋面板增厚引起的不平衡荷載，又能調(diào)節(jié)連接輔助墩前主梁的標高，且主梁內(nèi)力得到有效分配，充分展示了組合梁截面的優(yōu)良性能，為組合梁斜拉橋輔助墩施工提供相關理論依據(jù)。

1 工程概況

某斜拉橋主橋為雙塔雙索面斜拉橋，半漂浮體系，其橋型布置為（90+240+720+240+90）m 鋼混組合梁斜拉橋，主塔墩為3#、4#墩，主塔為H 型塔，平面索面，兩岸各設置1 個輔助墩和1 個邊墩，以720 m 主跨跨越河槽，南輔助跨240 m作為備用通航孔，進一步覆蓋可通航水域，北側輔助跨240 m跨越北岸長江大堤，具體橋型布置如圖1所示。

圖1 斜拉橋橋型Fig.1 Bridge Type of Cable-stayed Bridge

BDCMS 系統(tǒng)是在微機上實現(xiàn)的橋梁結構設計與施工控制計算軟件，雖無直觀圖示界面，但計算文件方便編輯，是通過湖南省長沙湘江北大橋、安徽銅陵長江公路大橋、江西南昌新八一大橋、武漢江漢四橋、廣西南寧邕江三橋、廣州鶴洞大橋、湖南岳陽洞庭湖大橋、江西九江鄱陽湖口大橋、湘潭湘江三大橋、湖北荊州長江大橋等10 多座大型橋梁的設計與施工控制計算工作，經(jīng)不斷完善，最后總結出來的一套系統(tǒng)，具有相當?shù)目煽啃?，該軟件采用正裝迭代法計算合理施工狀態(tài)。

本斜拉橋南北大致對稱，為了方便說明，以下計算及分析取1/2橋梁（北側）進行，計算模型如圖2所示。

圖2 1/2主梁立面Fig.2 Elevation View of 1/2 Composite Beam

2 過輔助墩體系轉換要點

2.1 臨時墩的設置

主梁在雙懸臂過程中，架設至ZL14 節(jié)段后，邊跨主梁進入橋面板加厚段，開始出現(xiàn)不平衡荷載。至主梁上輔助墩前，最大不平衡荷載約為580 t。在此不平衡荷載作用下，主梁線形無法通過斜拉索調(diào)節(jié)，主塔因不平衡荷載作用懸臂端向邊跨偏移476 mm。同時，臨時水平桿內(nèi)力也達到464.5 t，利用主梁現(xiàn)有阻尼器牛腿無法實現(xiàn)。需采取在邊跨側ZL14 節(jié)段位置設置臨時墩，通過設置豎向支撐的方式以抵消邊跨橋面板加厚段造成的不平衡荷載，同時增加抗風。

臨時墩分為下部結構、上部結構、豎向反力調(diào)節(jié)裝置3部分。

3#墩處輔助跨臨時墩基礎采用混凝土擴大基礎，下部結構包括：擴大基礎、鋼管樁、聯(lián)結系、樁帽。

4#墩處輔助跨臨時墩基礎采用插打鋼管樁基礎，下部結構包括：鋼管樁、聯(lián)結系、樁帽。

上部結構包括：橫向分配梁、縱向分配梁，防護欄桿。豎向反力調(diào)整裝置包括：400 t千斤頂、油泵設備等。

2.2 過輔助墩主要工序

2.2.1 塔區(qū)支承體系轉換

臨時墩設置在ZL14節(jié)段下方，ZL14節(jié)段為鋼主梁與橋面板漸變節(jié)段，節(jié)段長16 m，橋面板部分為預制橋面板，部分為現(xiàn)澆橋面板，厚度從26 mm 到59 mm 變厚。由于墊石只能受壓不能受拉，而施工過程中的不平衡荷載變化復雜，為了避免出現(xiàn)支座脫空的情況，結構過臨時墩之前，需要安裝塔區(qū)永久支座，拆除塔區(qū)豎向抄墊，完成塔區(qū)支座體系轉換。

2.2.2 臨時墩與主梁的連接

首先是臨時墩支座與鋼主梁的連接，隨后按照施工工序，張拉斜拉索，施工橋面板，澆筑濕接縫。

2.2.3 臨時墩頂升

對于懸臂的增大，混凝土橋面板厚度遞增，利用輔助墩處支座頂升來抵抗橋面板的不平衡重量［9］。

2.2.4 臨時墩的降落除了抵抗不平衡荷載和抗風［10］，臨時墩另一個主要的作用是在過輔助墩主梁懸臂施工的體系轉換過程中，利用支座處千斤頂調(diào)節(jié)主梁標高，使主梁與輔助墩順利連接。

2.2.5 臨時墩連接的拆除。

3 受力分析

在此方案中，為了優(yōu)化全橋受力和線形，南北兩側各設置1個輔助墩2#、5#墩。

3.1 臨時墩與主梁的連接

主塔墩頂約束裝置如圖3所示。由于不平衡荷載的增加，施工階段3#主塔抄墊支反力如表1所示，塔區(qū)抄墊邊中跨相差越來越大，江側墊石反力最小為19 t。而施工現(xiàn)場與設計計算難免有所偏差，為了規(guī)避抄墊脫空的情況，提前進行了塔區(qū)體系轉換，工序為：安裝永久支座，此時永久支座暫不受力；永久支座安裝到位后，拆除兩側豎向抄墊，主梁傳遞給主塔墩的力由永久支座承擔。

圖3 主塔墩頂臨時約束示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Temporary Restraint on the Top of The Tower Pier

表1 施工階段3#主塔抄墊支反力Tab.1 The Reaction Force of the 3#Main Tower in the Construction Phase（kN）

3.2 臨時墩頂升

ZL14節(jié)段落位臨時墩，通過臨時墩設置的主動調(diào)節(jié)裝置，控制豎向支反力抵抗邊中跨主梁的不平衡荷載。根據(jù)計算模型施工模擬（北塔臨時墩調(diào)節(jié)裝置頂升495 mm、南塔臨時墩調(diào)節(jié)裝置頂升431 mm），對于這一工況，可能帶來主梁截面局部應力變化，需要進行量化分析。

支座頂升會對邊跨鋼主梁應力產(chǎn)生較大影響，而對中跨鋼梁與混凝土橋面板幾乎沒有影響。由圖4可以看出，在臨時墩支座處用千斤頂頂升，在臨時墩墩頂未架設橋面板的節(jié)段，鋼梁主應力出現(xiàn)較大的局部變化，最大應力增量可達46.08 MPa，這是由于鋼主梁單獨受力而出現(xiàn)的局部應力變化；對于已施工混凝土橋面板的節(jié)段，鋼梁與混凝土橋面板之間的主應力相對變化量在10 MPa以內(nèi)。

圖4 支座頂升主梁應力變化Fig.4 Stress Changes of the Composite Beamwhen the Support is Lifted （MPa）

支座頂升會對邊跨主梁內(nèi)力產(chǎn)生較大影響，由圖5可以看出，在臨時墩支座處用千斤頂頂升，會使得鋼梁彎矩出現(xiàn)很大的變化，尤其在鄰近千斤頂?shù)闹髁航孛?，截面上鋼主梁彎矩出現(xiàn)大幅度增加。支座頂升后，主梁軸向壓力有所減小，混凝土橋面板軸向壓力增加，符合組合梁受力性能特點，使鋼主梁抗彎性能與混凝土橋面板抗壓性能得到充分利用。

圖5 支座頂升鋼主梁內(nèi)力變化Fig.5 The Internal Force Change of the Support Jacking Steel Composite Beam （kN）

3.3 臨時墩的降落

過輔助墩時主梁標高的調(diào)整是一控制難點。鋼主梁與輔助墩連接時，首先將支座下半部分提前安裝于支座墊石頂面，臨時抄墊、鋼梁和支座上半部分通過螺栓臨時固定一起吊裝，精確調(diào)整本節(jié)段主梁線形，使支座上下部分吻合，最后將支座下半部分灌漿，上半部分與鋼梁螺栓錨固。

如有上下部分標高的相對高差而強制連接，可能產(chǎn)生結構內(nèi)力和變形的偏差。為了達到過輔助墩的設計標高，在施工控制計算確定合理施工狀態(tài)時，通過調(diào)整合理的斜拉索張拉力，且利用臨時墩位置設置的調(diào)節(jié)設置調(diào)節(jié)主梁懸臂端標高（北塔臨時墩調(diào)節(jié)裝置下降564 mm、南塔臨時墩調(diào)節(jié)裝置下降518 mm），使鋼主梁拼接時懸臂梁端部的累計位移為0（見圖6），以避免主梁與輔助墩強制連接。

根據(jù)組合梁斜拉橋的施工特點，主梁與輔助墩連接時首先是輔助墩永久支座與鋼主梁的連接，輔助墩支座進入使用階段。

圖7中結果表明，在標高控制精確的情況下，連接輔助墩與鋼梁對混凝土橋面板應力幾乎沒有影響，對鋼梁應力的影響，最大應力變化在30 MPa 以內(nèi)。輔助墩墩頂與鋼主梁連接前后，鋼主梁豎向位移變化如圖6 所示。結合輔助墩與墩頂鋼梁后，中跨主梁豎向位移有所減小，鋼主梁與混凝土橋面板的共同受力進行了重新分配（見圖8），鋼主梁所承擔軸向壓力增加，混凝土橋面板承擔軸向壓力減小。

圖6 結合輔助墩主梁豎向位移Fig.6 Vertical Displacement of Composite Beam of Combined Auxiliary Pier（mm）

圖7 連接輔助墩主梁應力變化Fig.7 Stress Changes in the Composite Beam of the Connecting Auxiliary Pier（MPa）

圖8 結合輔助墩主梁軸力增量Fig.8 Combined Auxiliary Pier Composite Beam Axial Force Increment（kN）

在此過程中，索塔偏位變化十分明顯（見圖9），索塔根部彎矩變化也很大。在此階段監(jiān)控過程中須做好塔偏的監(jiān)測。

3.4 臨時墩連接的拆除

輔助墩與主梁連接前，臨時墩通過支座與主梁的連接起到支承作用。

如圖10 所示，在輔助墩連接前，臨時墩支座反力北側最大正反力為4 610.689 kN，南側最大為4 236.330 kN，此時臨時墩墩頂受壓；臨時墩支座最大負反力出現(xiàn)在連接輔助墩與鋼主梁時，北側為-155.237 kN，南側為-156.260 kN（見表2），此時臨時墩墩頂受拉，邊跨支承由臨時墩轉換為輔助墩。為了防止支座出現(xiàn)負反力超過支座限值而出現(xiàn)脫空，同時避免輔助墩出現(xiàn)挑扁擔式的受力，應在輔助墩與鋼主梁連接后，解除臨時墩約束。

圖9 過輔助墩各施工節(jié)段塔偏Fig.9 Tower Deviation of Each Construction Section of Auxiliary Pier（mm）

圖10 輔助墩、臨時墩、主塔支反力歷程Fig.10 Auxiliary Pier，Temporary Pier，Main Tower Support Reaction Force History（kN）

表2 臨時墩支座反力計算結果Tab.2 Calculation Results of Reaction Force of Temporary Pier Support

4 結論

⑴對于組合梁斜拉橋，用調(diào)整臨時墩支座支反力的方式調(diào)整過輔助墩標高是可行的，鋼主梁與混凝土橋面板之間的受力性能可以得到很好利用，但要注意懸臂端新架設鋼主梁的局部應力變化。

⑵通過計算，當橋梁施工到ZL14 節(jié)段時，塔部抄墊由于不平衡荷載中跨塔部抄墊反力過小，為規(guī)避現(xiàn)場施工與設計計算的偏差帶來的影響，可以提前進行塔部支承體系轉換。

⑶輔助墩支座與鋼主梁連接后，為避免出現(xiàn)負支反力導致支座脫空而改變結構受力，應及時拆除臨時墩與鋼主梁的連接。