不對(duì)稱獨(dú)塔疊合梁斜拉橋塔梁同步施工可行性與影響因素分析*

易志慧， 趙超， 彭建新

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.中交路橋華南工程有限公司， 廣東 中山 528400)

傳統(tǒng)的斜拉橋施工工序是先澆筑塔柱，封頂后再進(jìn)行主梁架設(shè)和斜拉索張拉，即先塔后梁。近年來，塔梁同步施工技術(shù)以其較好的施工效果越來越受青睞，該技術(shù)的特點(diǎn)是在塔柱封頂前同時(shí)進(jìn)行主梁架設(shè)和斜拉索張拉。曾洋等以某混合梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析了斜拉橋張拉?jí)數(shù)、張拉次序、溫度變化等因素對(duì)塔梁同步施工中橋塔偏位的影響。顧箭鋒等運(yùn)用MIDAS/Civil軟件模擬混合梁斜拉橋施工過程，對(duì)比分析了塔梁同步和先塔后梁施工時(shí)成橋索力和成橋狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)2種施工方法的理論值均與實(shí)測(cè)值吻合，塔梁同步施工可行。張淑坤等分析了砼斜拉橋塔梁同步施工的影響因素，結(jié)果表明主要影響因素為橋塔垂直度、索力、高程控制、索導(dǎo)管施工、勁性骨架施工等。謝官模等依托某砼斜拉橋，利用MIDAS/Civil軟件模擬塔梁同步和先塔后梁施工方式，發(fā)現(xiàn)塔梁同步施工對(duì)箱梁應(yīng)力、主梁線形、支座反力的影響較小，相對(duì)于塔梁異步施工，塔梁同步施工可減小5%塔根處應(yīng)力。趙曉斌以鋼箱斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用MIDAS/Civil和橋梁博士軟件進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)塔梁同步施工時(shí)成橋索力、線形與設(shè)計(jì)結(jié)果較吻合。目前針對(duì)塔梁同步施工的研究主要以混合梁斜拉橋、砼斜拉橋和鋼箱斜拉橋?yàn)橹?，?duì)不對(duì)稱疊合梁斜拉橋塔梁同步施工的研究很少。該文以貴州省銅仁市凱峽河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用MIDAS/Civil分別模擬塔梁同步工藝和先塔后梁工藝的施工過程，比較2種施工方式下成橋索力、成橋預(yù)拱度、主塔根部壓應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)，分析不對(duì)稱獨(dú)塔疊合梁斜拉橋采用塔梁同步施工的可行性及影響因素。

1 工程概況

凱峽河特大橋全長(zhǎng)410 m，主梁采用鋼主梁與橋面板相結(jié)合的整體斷面，屬于不對(duì)稱獨(dú)塔雙索面疊合梁斜拉橋(見圖1)。全橋鋼梁劃分為A(主塔處梁段)、B、C、D、E、F 6種類型梁段，共39個(gè)梁段。主塔采用人字形，由61 m高的上塔柱和56 m高的中塔柱組成，分為23個(gè)節(jié)段施工，總高度為117 m。斜拉索采用7絲φs15.2環(huán)氧鋼絞線，共36對(duì)(72道)。

圖1 凱峽河特大橋的總體布置(單位：cm)

該橋原設(shè)計(jì)采用先塔后梁施工工藝。為保證施工進(jìn)度，施工方變更施工工序，采用塔梁同步施工工藝。表1為2種施工工藝的施工工序?qū)Ρ取?/p>

表1 塔梁同步和先塔后梁施工工序?qū)Ρ?/p>

2 塔梁同步工藝可行性分析

運(yùn)用MIDAS/Civil有限元軟件建立該橋計(jì)算模型，模擬塔梁同步和先塔后梁施工過程，通過對(duì)比2種施工工藝下成橋狀態(tài)驗(yàn)證不對(duì)稱疊合梁斜拉橋采用塔梁同步施工工藝的可行性。主梁和主塔采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬，斜拉索與主塔、主梁之間采用剛性連接。全橋共794個(gè)節(jié)點(diǎn)、693個(gè)單元(見圖2)。

圖2 凱峽河特大橋有限元模型

2.1 成橋索力對(duì)比

每種合理成橋狀態(tài)匹配一組最優(yōu)成橋索力，成橋索力的好壞決定斜拉結(jié)構(gòu)受力是否均勻。調(diào)整成橋索力的目的是使“塔直梁平”，即盡量使主塔處于軸心受壓狀態(tài)，主梁處于類似于多點(diǎn)彈性支撐的連續(xù)梁狀態(tài)。圖3為2種施工工藝下成橋索力對(duì)比。

由圖3可知：塔梁同步施工與先塔后梁施工時(shí)成橋索力無太大差別，差值在100 kN以內(nèi)。最小成橋索力差值出現(xiàn)在M4索，為0.08 kN，遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)成橋索力的1%；最大成橋索力差值出現(xiàn)在M15索，為92.31 kN，占原設(shè)計(jì)成橋索力的1.7%。表明改變施工工序?qū)Τ蓸蛩髁Φ挠绊懞苄。摌虿捎盟和绞┕すに嚳尚小?/p>

圖3 不同施工工藝下成橋索力對(duì)比

2.2 成橋預(yù)拱度對(duì)比

主梁線形是否平順直接影響橋梁運(yùn)營(yíng)期的安全和行車舒適度。考慮汽車荷載和砼收縮徐變的影響，主梁在成橋后需設(shè)置預(yù)拱度以實(shí)現(xiàn)合理的成橋

線形。通過有限元模型分別提取塔梁同步施工和先塔后梁施工時(shí)成橋預(yù)拱度，并將塔梁同步施工時(shí)預(yù)拱度與設(shè)計(jì)預(yù)拱度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 不同施工工藝下成橋預(yù)拱度對(duì)比

圖5 塔梁同步施工時(shí)預(yù)拱度與設(shè)計(jì)預(yù)拱度對(duì)比

由圖4、圖5可知：塔梁同步施工與先塔后梁施工時(shí)成橋預(yù)拱度差值的絕對(duì)值為0～1 mm，最大差值為0.7 mm；塔梁同步施工時(shí)預(yù)拱度與設(shè)計(jì)預(yù)拱度最大相差0.6 mm，出現(xiàn)在M4錨點(diǎn)處，兩者吻合較好。采用塔梁同步施工方法可控制主梁成橋線形，對(duì)合理成橋狀態(tài)的影響較小，疊合梁斜拉橋采用塔梁同步施工工藝可行。

2.3 主塔根部應(yīng)力對(duì)比

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，在斜拉橋塔梁同步施工中，由于主塔處于未封頂狀態(tài)，主塔根部壓應(yīng)力儲(chǔ)備不多，在這種情況下進(jìn)行斜拉索張拉應(yīng)注意保持橋塔兩側(cè)索力基本一致，從而保證主塔安全。對(duì)該橋主塔封頂前4種工況(分別為斜拉索S1、M1初次張拉，斜拉索S1、M1二次張拉，安裝橋面吊機(jī)，安裝梁段B2)下主塔根部壓應(yīng)力進(jìn)行分析，2種施工工藝下主塔根部壓應(yīng)力見表2。

表2 主塔根部應(yīng)力對(duì)比 MPa

由表2可知：不同工況下，塔梁同步施工和先塔后梁施工時(shí)主塔根部壓應(yīng)力幾乎完全吻合，只有在安裝梁段B2時(shí)，兩者相差0.01 MPa。這是因?yàn)樵谒和绞┕ぶ校粚?duì)斜拉索S1、M1進(jìn)行張拉。根據(jù)上述研究，斜拉索S1、M1的成橋索力不足2 700 kN，橋塔兩側(cè)斜拉索索力差值為70 kN左右，對(duì)橋塔的影響較小。該橋采用塔梁同步施工工藝，可通過減少不足1%的壓應(yīng)力儲(chǔ)備來?yè)Q取施工工期的縮短，說明該施工工藝可行。

3 塔梁同步施工影響因素分析

3.1 索塔順橋向溫差對(duì)橋塔偏位的影響

貴州銅仁地區(qū)的晝夜溫差常年較大。凱峽河特大橋坐西朝東，受陽(yáng)光照射的影響，一天中主塔兩側(cè)的溫差隨時(shí)間的推移而變化。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：背陽(yáng)側(cè)(石阡側(cè))橋塔的溫度滯后于向陽(yáng)側(cè)(大龍側(cè))的溫度，這種情況在14：00時(shí)表現(xiàn)最明顯；夏季橋塔背光側(cè)和向光側(cè)溫差最大可達(dá)20 ℃，冬季溫差達(dá)10 ℃。該橋塔梁同步施工在6月進(jìn)行，需考慮日照溫差的影響。

塔梁同步施工中，主塔兩側(cè)由于不平衡荷載使下部已澆筑的橋塔產(chǎn)生相對(duì)于理論軸線的偏位，而后續(xù)澆筑的橋塔節(jié)段按照原設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行爬模，導(dǎo)致成橋后塔柱的實(shí)際線形產(chǎn)生順橋向偏位，若該偏位超過容許值，會(huì)給工程帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，需探究日照溫差對(duì)橋塔偏位的影響。設(shè)定5、10、15、20 ℃ 4個(gè)順橋向溫差，提取塔柱頂部附近的單元位移進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。

圖6 不同溫差下橋塔偏位

由圖6可知：1) 隨著橋塔高度的增大，橋塔偏位增大，增長(zhǎng)速率在遠(yuǎn)離橋塔頂部時(shí)較大，在接近橋塔頂部時(shí)有所放緩。這是因?yàn)樾崩鞣植荚跇蛩敳靠肯碌奈恢?，斜拉索的加入影響附近的溫度?chǎng)作用，在索力和溫差應(yīng)力的雙重作用下橋塔偏位更明顯。2) 溫差大小影響主塔偏位。5 ℃溫差時(shí)，主塔最大偏位為-45.2 mm；10 ℃溫差時(shí)，主塔最大偏位為46.9 mm；15 ℃溫差時(shí)，主塔最大偏位為-48.9 mm；20 ℃溫差時(shí)，主塔最大偏位達(dá)到-57 mm。表明主塔順橋向溫差會(huì)影響主塔偏位，20 ℃溫差時(shí)主塔偏位值接近6 cm。塔梁同步施工應(yīng)盡量在每天12：00時(shí)之前和18：00時(shí)之后進(jìn)行，同時(shí)密切關(guān)注施工過程中主塔偏位情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整橋塔線形。

3.2 不平衡荷載對(duì)橋塔偏位的影響

塔梁同步施工的關(guān)鍵是保證橋塔兩側(cè)荷載對(duì)稱，以確保主塔的垂直度和線形。橋塔兩邊不平衡荷載可能導(dǎo)致較大橋塔偏位。在塔梁同步施工中，橋塔兩側(cè)斜拉索索力、主梁自重、橋面人員與設(shè)備等的差異會(huì)產(chǎn)生不平衡荷載。以塔梁同步施工完成時(shí)的幾個(gè)主塔節(jié)段為控制截面，設(shè)定無不平衡荷載、20 t不平衡荷載、40 t不平衡荷載3種情況分析不平衡荷載對(duì)橋塔偏位的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 不平衡荷載作用下橋塔偏位

由圖7可知：不平衡荷載對(duì)橋塔縱向偏位的影響較大。不平衡荷載達(dá)到40 t時(shí)，橋塔偏位值為-24.9 mm，遠(yuǎn)大于無不平衡荷載時(shí)的-0.29 mm，說明橋塔偏位對(duì)不平衡荷載大小較敏感。在塔梁同步施工中，需注意由橋塔兩側(cè)不平衡荷載導(dǎo)致的主塔軸線偏移，盡量避免不平衡荷載情況出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1) 塔梁同步施工和先塔后梁施工時(shí)成橋索力最大差值為92.31 kN，為原設(shè)計(jì)成橋索力的1.7%，塔梁同步施工對(duì)疊合梁斜拉橋合理成橋狀態(tài)的影響可忽略。

(2) 塔梁同步施工中，主塔順橋向溫差對(duì)主塔偏位有一定影響，溫差達(dá)到20 ℃時(shí)橋塔順橋向最大偏位值接近6 cm。塔梁同步施工時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)溫差過大的情況。

(3) 塔梁同步施工中，主塔偏位對(duì)不平衡荷載大小較敏感，無不平衡荷載作用時(shí)主塔偏位值僅為-0.29 mm，而不平衡荷載為40 t時(shí)該值為-24.9 mm。塔梁同步施工時(shí)應(yīng)避免荷載堆積在同一側(cè)。