基于合理施工狀態(tài)的斜拉橋調索方法研究

王家悅

（長沙市規(guī)劃設計院有限責任公司，湖南 長沙 410005）

近年來，隨著我國交通運輸?shù)陌l(fā)展、航道等級的提升以及城市景觀的優(yōu)化，斜拉橋的設計需求逐漸增加。斜拉橋是由斜拉索、橋塔、加勁梁三種基本構件組成的高次超靜定組合體系，其結構整體剛度大，跨越能力強，造型美觀。斜拉橋的施工階段分析對最終成橋索力、主橋結構受力狀態(tài)影響較大［1-2］。目前，研究斜拉橋合理施工狀態(tài)的方法主要有倒拆法、正裝—倒拆法、無應力狀態(tài)法、正裝迭代法、應力平衡法等［3-4］。但這些方法在實際運用中或多或少存在缺陷，比如正裝—倒拆法存在不閉合、未知荷載系數(shù)法計算出來的荷載系數(shù)為負值等［5］。文章依托國內首座高速鐵路混合梁斜拉橋——昌吉贛客專贛江特大橋，基于合理施工狀態(tài)確定了斜拉索的成橋索力值，與正裝—倒拆法得出的成橋狀態(tài)相吻合。

1 工程背景

新建鐵路南昌至贛州客運專線贛江特大橋全橋長2 155.44m，是昌吉贛客運專線跨越贛江的控制性工程。文章研究的贛州贛江特大橋的主橋（見圖1）是一座雙塔三跨混合梁斜拉橋，屬于半漂浮體系，全橋共采用96 根斜拉索。主橋邊跨及延伸至中跨20m 范圍采用混凝土梁體，中跨采用鋼混結合梁，鋼混結合梁和混凝土梁之間采用5m 的鋼混過渡段進行主梁剛度的過渡。索塔采用人字形混凝土塔，單箱單室截面，下塔柱為傾斜直線，中、上塔柱為曲線。

圖1 贛江特大橋主橋（單位：cm）

混凝土箱梁采用單箱三室等高，截面如圖2 所示，橋面寬16.5m，中心處梁高4.5m。中跨采用箱形鋼—混凝土結合梁（見圖3），橋面寬16.3m，中心梁高約4.5m，混凝土橋面板厚30cm，局部加厚至50cm，鋼梁高400cm。斜拉索縱向間距為12m。鋼梁采用工廠分節(jié)段制造、現(xiàn)場焊接連接的方式。鋼梁標準節(jié)段長12m，合攏段4m，橫梁每6m 設置一道?；炷翗蛎姘逋ㄟ^設置在翼板上的剪力釘與鋼梁結合。

圖2 混凝土箱梁截面（單位：cm）

圖3 箱形鋼—混凝土結合梁截面（單位：mm）

2 主要施工階段

斜拉橋的成橋狀態(tài)和索力值與施工階段緊密相關，如何合理地確定每一施工階段的張拉索力對后期成橋狀態(tài)的影響很大［6-7］。由于贛江特大橋結構的特殊性，文章對其混凝土主梁和鋼混混合梁部分采取的是支架現(xiàn)澆工藝，對其鋼混結合梁部分采取的是半懸臂拼裝的方法，主要施工步驟見圖4、圖5、圖6。

圖4 將鋼混混合梁吊裝到位，澆筑施工主塔、主墩和A—D 段混凝土主梁橋面板

圖5 依次移動吊機、吊裝鋼箱梁、澆筑橋面板，張拉斜拉索至施工索力，使張拉橋面板內預應力至合攏前的最后一步

圖6 施工合攏段鋼箱梁，使兩端無曲率合攏；施工二恒及附屬，進行合攏后的二次調索

3 基于合理施工狀態(tài)的調索分析

贛江特大橋的主梁結構采用閉口式鋼箱和混凝土橋面板的組合形式，橋面板內設置預應力鋼束，這種組合結構形式是首次在國內工程中得到應用。施工過程中的橋面板預應力張拉和混凝土收縮徐變效應會影響本段甚至前段的索力值，增加調整索力的難度。文章通過以保證橋面施工階段的合理線形為控制指標，以理想成橋狀態(tài)為目的對贛江特大橋索力進行調整，得到了合理的成橋狀態(tài)［8］。

3.1 斜拉橋主橋有限元模型

文章基于新建鐵路南昌至贛州客運專線贛江特大橋主橋混合梁斜拉橋，采用midas Civil 軟件建立空間桿系模型（見圖7）。全橋共建立節(jié)點745 個，空間梁單元378 個，索單元96 個。主梁、主塔、橋墩采用空間梁單元，斜拉索采用索單元。

圖7 全橋有限元模型

主梁和拉索、主塔和拉索之間的連接均采用主從約束，輔助墩和交接墩的約束均采用一般約束；主塔底部采取固結處理，主梁和主塔之間采用剛性連接；現(xiàn)澆支架的模擬采用單向受壓的剛性連接處理［9-10］。

贛江特大橋既有鋼混混合段，又有鋼混結合梁截面，在有限元模型中需要對其分別處理［11］。由于鋼混混合段并不是文章研究重點，對鋼混混合段進行簡化處理，僅根據(jù)設計圖紙內容對這部分鋼混混合段進行容重修正［12-13］。施工階段對鋼混結合梁是先吊裝鋼梁再澆筑混凝土橋面板，為準確模擬施工階段混凝土收縮徐變效應，采用midas 施工階段聯(lián)合截面考慮橋面板的收縮徐變效應。

文章對贛江特大橋進行合理施工狀態(tài)計算分析，其主要考慮的荷載包括施工階段分階段施加的各種荷載：自重根據(jù)midas Civil 通過截面的形狀自動進行加載；預應力主要通過程序自動采用等效荷載的方法施加在主梁上，并考慮各種預應力的損失；斜拉索采用預應力荷載中的初拉力，以體外力的形式施加在每根斜拉索的兩端；橋面吊機采用節(jié)點荷載的形式進行模擬，吊機荷載重量為700kN；二恒通過換算橋面系的各項重量，以線荷載的形式施加在主梁上，為150.5 kN·m-1；活載采用雙線的ZK 靜活載。

3.2 合理施工狀態(tài)的確定

合理施工狀態(tài)的達成要保證每段鋼箱梁在安裝完畢后（即橋面板澆筑完成后的施工階段）線形基本水平（豎向位移控制在2cm 以內），并在最終合攏階段實現(xiàn)無曲率合攏，以此為目的進行施工階段索力的試算，最后在鋪裝之后進行二次調索達到合理成橋索力。圖8 為典型施工階段調索后的主橋位移及曲率（為簡化數(shù)據(jù)，僅以半幅橋梁位移數(shù)據(jù)示意，另一半幅與此對稱）。

圖8 調索后主橋位移及曲率

由上圖可知，各施工階段在施工索力的作用下線形基本水平，最大位移不超過2cm，在中跨前的梁端轉角幾乎為0，實現(xiàn)了施工狀態(tài)的無曲率合攏。

3.3 合理成橋狀態(tài)的確定

上面確定的合理施工階段索力能夠滿足工程施工階段應力、位移要求，但是不能滿足成橋狀態(tài)下的各項指標要求，故需要對全橋索力進行二次調索，以保證成橋狀態(tài)下主橋的應力、強度、位移、斜拉索應力達到規(guī)范要求。文章研究對象是基于合理施工狀態(tài)的調索方法，為驗證此方法能否達到傳統(tǒng)正裝—倒拆法的控制目標，合理成橋狀態(tài)下的二次調索應以正裝—倒拆法確定的最終成橋索力為目標，由此來觀察成橋階段的內力、變形是否一致。

根據(jù)有限元模型，在施工階段分析時保證每一節(jié)段的主梁水平，這樣合攏并鋪裝之后橋面線形和索力并不能達到設計要求的合理成橋狀態(tài)，如圖9所示，在二恒作用下主梁豎向位移達到了41cm，所以要根據(jù)成橋索力進行二次調索。

圖9 二恒及成橋時主橋位移

研究以成橋索力為目標，通過試算迭代使每根斜拉索索力達到設計的成橋索力，索力值如表1所示。

表1 調索索力

3.4 主要結果的對比與分析

為了驗證文章方法的正確性，將基于合理施工狀態(tài)調索得到的結果與正裝—倒拆法得到的結果進行對比。

如表2 所示，文章模型成橋索力與正裝—倒拆法得到的成橋索力相差較小，最大誤差僅約4%，這樣完全能夠保證成橋的各項指標達到設計的理想狀態(tài)。

表2 成橋索力的對比結果

續(xù)表

如表3 所示，靜活載作用下各項指標與正裝—倒拆法各項指標基本吻合，說明主橋剛度與正裝—倒拆法結果一致。

表3 靜活載作用下反力最大值與最小值的對比結果

如表4 所示，在考慮施工階段和各項荷載效應的累計值后，研究結果與正裝—倒拆法所得結果相比誤差較小。但是P32交接墩下反力值相差較大，可能是因為在建模時，不同的建模人員對模型的處理有不同的考慮，如收縮徐變階段的天數(shù)、施工階段體系轉化的方式、施工階段的臨時荷載值等，這些誤差的累計最終都會反映到模型的成橋內力上，但只要在工程允許的誤差范圍內，最終結果就不會受到較大影響。

表4 恒載作用下反力的對比結果

由上述各項對比可知，以橋面線形為控制指標基于合理施工狀態(tài)的調索方法是合理的，最終的成橋線形和狀態(tài)都能夠達到理想結果。

4 結論

文章以國內首座高速鐵路混合梁斜拉橋——昌吉贛客專贛江特大橋為工程背景，通過有限元數(shù)值分析方法研究了基于合理施工狀態(tài)的斜拉索的成橋索力值，與正裝—倒拆法得出的成橋狀態(tài)相吻合。主要結論如下：

（1）基于合理施工狀態(tài)的調索方法得到的成橋索力與正裝—倒拆法得到的成橋索力基本一致。

（2）基于合理施工狀態(tài)的調索方法得到的成橋狀態(tài)與正裝—倒拆法得到的理想成橋狀態(tài)基本一致，各項設計指標滿足要求。

（3）實際運用時可以將橋面線形作為施工階段的控制指標進行施工階段的索力試算，最后在成橋階段以合理成橋狀態(tài)為目標進行二次調索，達到理想的成橋狀態(tài)。