混合梁斜拉橋A形索塔施工方案比選與優(yōu)化*

張玉平， 雷豐紅， 楊勝江， 吳健

(1.長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114；2.貴州交通建設集團有限公司， 貴州 貴陽 550001；3.中交路橋華南工程有限公司， 廣東 中山 528400)

斜拉橋索塔主要有鉆石形、A形、倒V形、倒Y形、H形、門形等。A形、倒V形、倒Y形索塔建造過程中，受索塔塔肢自重和施工臨時荷載的影響，索塔根部和索塔與橫梁連接位置產(chǎn)生較大彎矩，使該位置外側或內(nèi)側的砼出現(xiàn)拉應力。為減小和控制該位置砼的應力，確保施工過程安全，根據(jù)需要在兩塔肢之間設置一定數(shù)量臨時橫撐和拉桿對索塔的應力和變形進行控制。如果對塔肢之間的臨時橫撐和拉桿論證分析不夠準確，可能導致橫撐或拉桿損壞、索塔局部裂紋等。因此，索塔施工前需對索塔臨時橫撐及拉桿的位置、尺寸及頂推力或拉力等進行優(yōu)化分析。

斜拉橋一般采用先塔后梁的施工順序，施工周期較長。為加快施工進度，采用塔梁同步的施工方法。塔梁同步施工是在索塔還未施工完成時就進行主梁施工，塔、梁施工同時進行，并同時進行斜拉索掛索及張拉。已有學者對拱塔、不對稱獨塔、矮塔等斜拉橋進行了塔梁同步施工可行性分析，并針對施工影響因素和工程難點提出了控制措施和處理方案。目前對混合梁斜拉橋塔梁同步施工的研究主要集中于邊跨主梁支架現(xiàn)澆、中跨主梁單懸臂施工方案，而對邊、中跨主梁進行不對稱雙懸臂施工的塔梁同步施工研究甚少。這類橋梁采用塔梁同步施工時，由于較大不對稱施工荷載的存在，索塔施工中左右搖擺，會增加安全風險，故對雙懸臂施工的混合梁斜拉橋進行塔梁同步施工可行性和優(yōu)化研究十分必要。該文以采用不對稱雙懸臂施工的雙塔三跨、索塔類型為A形的某混合梁斜拉橋為工程背景，對索塔塔肢與中橫梁同步、異步施工方案進行比選，對塔梁同步施工全過程進行有限元分析，確定可行且最優(yōu)施工方案。

1 工程背景

某雙塔三跨混合梁斜拉橋主橋跨徑布置為(56.8+131.2+530+131.2+56.8) m，全長906 m，邊中跨比約0.335，采用半漂浮體系。中跨采用組合梁，邊跨采用砼梁。其立面布置見圖1。采用A形索塔，3#、4#索塔構造相同，索塔立面布置和節(jié)段劃分見圖2。索塔分為38個節(jié)段施工，標準節(jié)段高度為6.0 m，采用爬模施工。

圖2 索塔立面布置和節(jié)段劃分示意圖(單位：m)

2 塔肢與中橫梁同步、異步施工方案比選

索塔施工可分為塔肢與橫梁同步施工和塔肢與橫梁異步施工2種。塔肢與橫梁同步施工可保證塔肢與橫梁的結合質(zhì)量，避免在塔梁連接處設施工縫，結構整體性好，且在施工階段可較早形成整體框架，有利于結構整體受力；塔肢與橫梁異步施工可減少索塔爬模系統(tǒng)的拆裝次數(shù)，但橫梁與塔肢間有新老砼結合面，結構整體性稍差。

2.1 施工方案及拉桿與橫撐的設計和布置

根據(jù)塔肢與中橫梁同步或異步施工擬定3種施工方案：方案一為塔肢與中橫梁異步施工；方案二和方案三為塔肢與中橫梁同步施工，但兩方案的主動橫撐數(shù)量不同。

在索塔施工過程中，塔肢處于懸臂傾斜狀態(tài)，如果懸臂高度過大，會使索塔根部及索塔與橫梁連接位置的拉應力過大，導致該位置砼開裂。為保證索塔施工安全，在下塔柱布置合適數(shù)量的拉桿，中、上塔柱布置合適數(shù)量的橫撐，并在拉桿及橫撐位置適當施加主動力。拉桿及橫撐位置的確定需保證索塔施工安全，主動力大小確定應遵循內(nèi)力控制為主、變形控制為輔的原則。

根據(jù)拉桿及橫撐的布置原則對3種方案進行拉桿與橫撐設計和布置(見表1)，其中主動拉桿采用精軋螺紋鋼，5道被動橫撐采用630 mm×8 mm鋼管。方案一和方案二的第1道主動橫撐采用630 mm×8 mm鋼管，第2道主動橫撐采用820 mm×10 mm鋼管，方案三的主動橫撐采用820 mm×10 mm鋼管。

表1 索塔拉桿及橫撐布置

2.2 索塔施工有限元建模

采用MIDAS/Civil軟件建立索塔模型，進行施工全過程模擬分析。索塔單元、托架、橫撐采用梁單元模擬，拉桿拉力采用節(jié)點荷載模擬，主動橫撐的軸力以溫度荷載形式施加，避免頂推力以集中力施加在塔柱上。塔底固結，下橫梁支架采用只受壓彈性支承模擬。拉桿在下橫梁施工完成后拆除，方案一的第1道主動橫撐在中橫梁施工完成后拆除，其余橫撐在索塔施工完成后由上往下逐步拆除。索塔施工工況見表2，索塔有限元模型見圖3。

表2 索塔施工工況

圖3 索塔有限元模型

2.3 索塔施工方案比選

2.3.1 索塔位移對比分析

塔肢與中橫梁同步或異步施工主要影響索塔第27～38節(jié)段的橫向累積位移，索塔節(jié)段在索塔施工完成后的橫向累積位移見圖4。

圖4 第27～38節(jié)段在索塔施工完成后的橫向累積位移

由圖4可知：采用方案二和方案三時索塔橫向累積位移基本一致，差別很小。方案二和方案三由于中橫梁與塔肢同步施工，形成框架時間較早，第27節(jié)段橫向累積位移較異步施工方案一小，方案一和方案三相差10 mm。采用方案一時索塔第32、33節(jié)段的橫向累積位移較小的原因是第2道主動橫撐處施加了較大主動力，限制了其橫向累積位移。

索塔節(jié)段和橫梁的施工順序、橫撐位置及所施加主動力大小等是方案之間索塔節(jié)段橫向累積位移出現(xiàn)差異的主要原因。索塔施工方案需提前確定，如果在施工過程中發(fā)生施工工序較大改變而又沒有提前預偏，會給塔柱線形帶來不利影響。

2.3.2 索塔應力對比分析

塔肢與中橫梁同步或異步施工的主要控制截面是與中橫梁相連接的索塔節(jié)段截面(第27節(jié)段截面)，選取若干關鍵施工工況對其進行分析。關鍵施工工況1～11為索塔第28～38節(jié)段施工；關鍵施工工況12～16為5道被動橫撐由上往下逐步拆除，索塔施工完成?？刂平孛?索塔第27節(jié)段截面)內(nèi)、外側應力變化見圖5、圖6。

圖5 第27節(jié)段截面內(nèi)側應力變化

圖6 第27節(jié)段截面外側應力變化

由圖5、圖6可知：3種施工方案下索塔第27節(jié)段截面內(nèi)、外側應力的變化規(guī)律僅在前幾個工況有所不同，后續(xù)工況基本一致。3種施工方案下控制截面最大壓應力均在-4.0 MPa以內(nèi)，最大拉應力均控制在1.0 MPa以內(nèi)；方案二和方案三的最大拉應力均控制在0.4 MPa以內(nèi)，但方案三比方案二少1道主動橫撐。綜上，比較控制截面應力及主動橫撐數(shù)量，方案三優(yōu)于其他2種方案。

3 塔梁同步施工研究

3.1 塔梁同步施工方案及全橋有限元模型

斜拉橋原施工方案為先索塔后主梁施工，全橋主梁共劃分為24個節(jié)段。為加快施工進度，論證在中橫梁施工完成后進行塔梁同步施工的可行性，塔梁同步施工工況見表3。

表3 塔梁同步施工工況

采用MIDAS/Civil建立全橋有限元模型(見圖7)，主梁和索塔采用梁單元模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，橋面縱坡及橫坡按設計進行模擬。斜拉索與主梁及索塔間采用彈性連接中的剛性連接。

圖7 全橋有限元模型

3.2 成橋狀態(tài)對比分析

不同施工方法會使斜拉橋成橋狀態(tài)產(chǎn)生差異，兩者間的差異直接決定最終是否可以達到設計成橋狀態(tài)。因此，對先塔后梁、塔梁同步施工方法下成橋狀態(tài)進行對比分析。

3.2.1 成橋索力對比

成橋索力是主梁應力和線形的主要影響因素。先塔后梁、塔梁同步施工方法下成橋索力見圖8。

斜拉索編號中，Z表示中跨，B表示邊跨圖8 不同施工方法下成橋索力對比

從圖8可看出：塔梁同步施工對成橋索力的影響較小，主要影響靠近索塔的短索索力，索力最大差值為12.0 kN，僅為成橋索力的0.31%。

3.2.2 成橋主梁應力和線形對比

成橋主梁應力和線形是合理成橋狀態(tài)的關鍵指標。先塔后梁、塔梁同步施工方法下成橋組合梁應力見圖9～11。

由圖9、圖10可知：大跨混合梁斜拉橋采用先塔后梁、塔梁同步施工時成橋主梁應力基本一致，僅在前幾個主梁梁段有些許差別，組合梁(鋼梁)應力最大差值為1.5 MPa，組合梁(橋面板)應力最大差值為0.19 MPa，邊跨砼梁應力最大差值為0.13 MPa，且隨著施工的進行，兩者間的差值不斷減小。

圖9 不同施工方法下成橋組合梁應力對比

圖10 不同施工方法下成橋邊跨砼梁應力對比

由圖11可知：2種施工方法對中跨組合梁累積位移的影響略大于邊跨砼梁，中跨組合梁的累積位移最大差值為15 mm，僅為累積位移值的1.61%。

圖11 不同施工方法下成橋主梁累積位移對比

綜上，采用塔梁同步施工對成橋主梁應力和線形的影響不大。

3.2.3 成橋索塔應力和位移對比

先塔后梁、塔梁同步施工時成橋索塔應力和位移分別見圖12、圖13。

圖12 不同施工方法下成橋索塔應力對比

圖13 不同施工方法下成橋索塔位移對比

由圖12可知：采用先塔后梁、塔梁同步施工時，索塔截面均處于受壓狀態(tài)，兩者的應力變化規(guī)律基本一致，且兩者間的差值極小，應力最大差值僅0.03 MPa。塔梁同步施工對索塔應力的影響很小。

由圖13可知：塔梁同步施工主要影響同步施工的索塔節(jié)段位移，對豎向位移有一定影響，但影響不大；對縱橋向位移的影響較大，塔梁同步施工的索塔節(jié)段縱橋向位移小于先塔后梁施工的索塔節(jié)段，先塔后梁施工時成橋塔頂端縱橋向位移為69 mm(往邊跨側)，塔梁同步施工時為17 mm(往邊跨側)，減小52 mm。這是由于塔梁同步施工中，斜拉索的張拉使索塔縱橋向往邊跨側移動，而同步施工的索塔節(jié)段施工時間較晚，其縱橋向位移累積較少，且越晚同步施工的索塔節(jié)段其成橋縱橋向位移越小。

4 結論

(1) 在索塔3種施工方案中，方案二和方案三塔肢與中橫梁同步施工較方案一塔肢與中橫梁異步施工更能有效控制索塔應力，而方案三的主動橫撐數(shù)量比方案二少，方案三更優(yōu)。

(2) 塔肢和橫梁的施工順序、橫撐位置及所施加主動力大小等發(fā)生改變會使索塔的橫向位移產(chǎn)生變化，故索塔施工方案需提前確定。如果在施工中發(fā)生施工工序較大改變而又沒有提前預偏，會給塔柱線形帶來不利影響。

(3) 塔梁同步施工對成橋狀態(tài)下索塔應力、斜拉索索力、主梁應力和線形的影響不大，塔梁同步施工安全可行。但應充分考慮塔梁同步施工作業(yè)面交叉可能帶來的高空墜物等安全隱患并采取必要的遮擋措施。

(4) 塔梁同步施工對成橋索塔豎向位移的影響較小，對成橋索塔縱橋向位移的影響較大。塔梁同步施工時成橋塔頂端縱橋向位移小于先塔后梁施工時。