曲線形獨(dú)塔無背索斜拉橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究

黃安民

摘要 為了使橋梁的內(nèi)力和線性均可達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，選擇無應(yīng)力狀態(tài)控制法對(duì)橋梁加以控制，完成曲線型獨(dú)塔無背索斜拉橋的施工，從而解決過去橋梁在斜拉索方面存在的“超長”問題，研究項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際工程情況，采用文獻(xiàn)分析法與案例分析法，查詢相關(guān)的文獻(xiàn)資料，對(duì)鋼混混合梁結(jié)構(gòu)的斜拉橋主梁進(jìn)行研究分析，采用先梁后塔與塔索同步的施工方案。應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在該工程施工技術(shù)與質(zhì)量控制期間，加強(qiáng)對(duì)主梁線性的有效控制，同時(shí)兼顧對(duì)索導(dǎo)管的傾角修正，可實(shí)現(xiàn)斜拉索一次張拉到位。實(shí)踐表明，應(yīng)用該技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)引發(fā)斜拉索“超長”問題的原因，計(jì)算放索前目標(biāo)索力，為相關(guān)工程施工控制提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞 無背索；斜拉橋；鋼混混合梁；施工控制

中圖分類號(hào) U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）11-0122-03

0 引言

工程項(xiàng)目為無背索獨(dú)塔斜拉橋，整體采用塔梁墩固結(jié)鋼構(gòu)體系，橋梁主梁為鋼混混合梁結(jié)構(gòu)，其中鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁長度分別為91 m和44 m，結(jié)合段長度2 m，箱梁均為單箱三室結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁高度3 m，鋼箱梁高度2 m。斜拉橋的橋塔位置采用鋼混結(jié)構(gòu)，橋塔高度72 m，縱向?yàn)闈M足景觀造型和采用反S形曲線擬合，終端傾斜角50°，底部與頂部角度接近于垂直狀態(tài)。采用“先梁后塔”與“塔索同步”的施工方案，加強(qiáng)對(duì)索導(dǎo)管傾角與橋塔內(nèi)力的有效施工控制，以保障施工質(zhì)量，提高施工效率。

1 結(jié)構(gòu)體系

以往的無背索斜拉橋在施工控制環(huán)節(jié)主要是憑借著橋塔自身的自重與剛度特征，依靠斜塔自重完成對(duì)塔梁固結(jié)點(diǎn)位置的彎矩抵消。預(yù)應(yīng)力混凝土材料的應(yīng)用會(huì)讓橋的主梁承載力偏大，不利于滿足索塔自重要求。與此同時(shí)，斜拉橋作為一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，在成橋的線形方面有著十分詳細(xì)且嚴(yán)格的要求，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的改變會(huì)直接對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配情況產(chǎn)生影響。一旦斜拉橋的線形與設(shè)計(jì)值發(fā)生偏離，將會(huì)造成內(nèi)力與設(shè)計(jì)值不相符。所以，在工程結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，有必要加強(qiáng)對(duì)拉索垂度、臨時(shí)荷載或混凝土收縮等影響因素的分析，兼顧各項(xiàng)條件，完成結(jié)構(gòu)體系的調(diào)整。該項(xiàng)目內(nèi)，橋梁主要以鋼構(gòu)體系為整體結(jié)構(gòu)，主梁為鋼混組合梁，主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中央分隔帶的位置設(shè)斜拉索。由于橋梁建設(shè)對(duì)周圍景觀要求比較高，經(jīng)過勘測(cè)得知河道的寬度在100 m左右，該項(xiàng)目中的無背索斜拉橋?yàn)榱诉m用于該河道寬度，需要依靠橋塔重力來平衡主梁的荷載，使主塔的傾斜度達(dá)到60°左右。在塔梁墩固結(jié)體系下，只有少數(shù)小跨徑橋會(huì)將塔梁固結(jié)和塔墩分離。

設(shè)計(jì)期間，加強(qiáng)對(duì)不同計(jì)算方法的應(yīng)用，計(jì)算出不同施工階段下索力與梁體變形情況，依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果得到材料彈性模量與構(gòu)件的重量信息，按照溫度變化情況，掌握臨時(shí)荷載變化趨勢(shì)，確保影響因素對(duì)工程施工控制帶來的改變，防止預(yù)期施工與實(shí)際施工之間不一致。由于斜拉橋在施工期間存在著理論和實(shí)際偏差問題，且這種偏差還有累積性，所以需要進(jìn)一步調(diào)整和控制。基于無背索的斜拉索多為扇形與豎琴形，很少會(huì)用輻射形。從實(shí)際情況來看，扇形與豎琴形的索面無論是外觀，還是受力上都十分相似。豎琴形索面可以更早的張拉首索，便于塔柱位置進(jìn)行懸臂施工，為平衡主跨荷載，塔柱需要實(shí)心。扇形索面中短索傾角偏大，索導(dǎo)管較長，容易影響施工效率。該項(xiàng)目選用豎琴形索面，配合曲線型塔柱進(jìn)行施工，其中前2根短索塔短索導(dǎo)管長度為16.5 m[1]。為降低主梁的重量，使塔柱自重有所減輕，項(xiàng)目中根據(jù)該斜拉橋的實(shí)際情況，融合施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境氣候特點(diǎn)，采取鋼混組合結(jié)構(gòu)，發(fā)揮鋼筋與混凝土材料的作用。主梁位置應(yīng)用鋼混結(jié)構(gòu)，以主跨為分界點(diǎn)位，同塔梁固結(jié)點(diǎn)保持大約19 m的距離。分界點(diǎn)位置需要分析主梁的應(yīng)力傳遞情況與主梁剛度變化情況，所以鋼混結(jié)合段處需要做好結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析，保障橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

2 工程施工方案

2.1 總體施工方案

常規(guī)斜拉橋會(huì)采取先塔后梁與主梁懸拼相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，但無背索斜拉橋的塔柱會(huì)產(chǎn)生傾斜，塔柱自身無法有效保持平衡，需依靠斜拉索保持主梁的重量平衡，所以無背索斜拉橋需要先梁后塔，且塔索同步進(jìn)行施工，完成主梁架設(shè)后再對(duì)主塔進(jìn)行懸臂節(jié)段施工，項(xiàng)目整體施工方案主要為“先梁后塔”與“塔索同步”。具體施工流程如下：搭設(shè)橋梁支架，對(duì)混凝土箱梁與鋼混結(jié)合段進(jìn)行現(xiàn)澆施工，隨后安裝鋼箱梁。張拉箱梁預(yù)應(yīng)力澆筑混凝土。搭設(shè)主塔平臺(tái)，依靠勁性骨架對(duì)主塔節(jié)段進(jìn)行懸臂澆筑，保持塔端同步張拉斜拉索，最終放索，將主梁支架與主塔支架一次拆除[2]。

2.2 承臺(tái)深基坑施工方案

項(xiàng)目施工位置內(nèi)存在淤泥質(zhì)土壤，填筑材料內(nèi)摻雜巖石，一般深基坑施工多為放坡開挖與圍堰施工方法相結(jié)合，但施工期間存在一定風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目決定采用“放坡+圍堰開挖”施工方案，放坡開挖的同時(shí)觀察土壤與水文變化情況，必要時(shí)使用鋼板樁圍堰，開挖期間如果填土效果良好，可將放坡開挖的坡比設(shè)計(jì)為1∶1.25，隨后掛網(wǎng)噴漿護(hù)面，依靠抽水機(jī)提高施工效率。

2.3 承臺(tái)一次性澆筑方案

項(xiàng)目中橋梁承臺(tái)屬于大體積混凝土，根據(jù)圖紙要求對(duì)承臺(tái)位置分層施工。為防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)定裂縫，要求結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差不能超出±25 ℃，采用分層施工手段預(yù)防裂縫問題，加強(qiáng)對(duì)混凝土入模時(shí)溫度的有效控制，要求混凝土溫度≤30 ℃。此外，使用低水化熱膠凝材料，比如具有低水化熱特征的硅酸鹽水泥，材料內(nèi)摻入一部分粉煤灰，使其不會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生影響，還能降低材料發(fā)熱量，防止混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)溫度急劇升高的情況。夏季施工時(shí)，要求摻入粉煤灰的混凝土入模溫度≤30 ℃，冷卻水管共3層，每層保持1 m的間隔距離，水管間距1.2 m，承臺(tái)養(yǎng)護(hù)7 d后可以拆模。

3 施工控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主梁施工技術(shù)

鋼混混合梁結(jié)構(gòu)中，鋼箱梁與混凝土梁的高度分別為2 m和3 m，采用單箱三室斜腹板界面，混合位置處于主跨區(qū)域，與主塔中心相距19 m。對(duì)主梁進(jìn)行澆筑與拼裝，邊跨區(qū)域的混凝土主梁跨徑為25 m，實(shí)施鋼管臨時(shí)墩與貝雷架相結(jié)合的施工方案，為防止臨時(shí)墩沉降，避免主梁出現(xiàn)開裂的問題，要求鋼管臨時(shí)墩必須支撐在承臺(tái)上，貝雷架的跨徑達(dá)到25 m。邊跨區(qū)域主梁自重770 kN/m，所需貝雷架數(shù)量較多，需增強(qiáng)支點(diǎn)位置的剪力。鋼混混合梁施工時(shí)，先進(jìn)行主梁施工，再進(jìn)行混合段施工，張拉主梁預(yù)應(yīng)力，最終安裝鋼箱梁[3]。

對(duì)主梁結(jié)構(gòu)線形控制，由于項(xiàng)目中該斜拉橋的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁端選擇采用現(xiàn)澆法進(jìn)行施工，分段拼裝鋼箱梁，共計(jì)11個(gè)階段，標(biāo)準(zhǔn)段的長度為8 m，通過合理設(shè)置主梁預(yù)拱度可以完成對(duì)線形的有效控制。

3.2 主塔施工技術(shù)

承臺(tái)之上主塔高度72 m，下塔柱高度12 m，主梁以上高度60 m，中心線縱向采用反S形的曲線形式擬合，使主塔中部傾斜角達(dá)到50°，塔底部和頂部的角度接近垂直狀態(tài)，縱向?qū)挾瘸蕽u變，底部與頂部縱寬分別為11.75 m和3.25 m，橫向等寬3 m。主塔位置使用四邊倒角實(shí)心截面，縱向?qū)挾葟牡撞肯蝽敒?.5～0.5 m的漸變，橫向?qū)挾鹊葘?.3 m。上塔柱共劃分成15個(gè)節(jié)段，澆筑高度最大為4.581 m，根據(jù)模板受力情況進(jìn)行節(jié)段劃分，塔根位置最大拉應(yīng)力＜2 MPa時(shí)不會(huì)產(chǎn)生受力裂縫的問題。

對(duì)斜拉橋的橋塔進(jìn)行線形控制。一般斜拉橋橋塔部位呈垂直狀態(tài)，兩側(cè)斜拉索的索力會(huì)均等分布，實(shí)際施工過程中無需對(duì)橋塔的預(yù)偏量進(jìn)行額外設(shè)置。項(xiàng)目內(nèi)，針對(duì)該斜拉橋，加強(qiáng)線形控制，將橋塔的預(yù)偏量分別劃分為水平與豎向兩部分，此外計(jì)算結(jié)果需通過施工環(huán)節(jié)計(jì)算得到。對(duì)橋塔位置進(jìn)行分段澆筑施工，計(jì)算每節(jié)塔柱澆筑施工環(huán)節(jié)的節(jié)段預(yù)偏量，同時(shí)計(jì)算索塔錨固點(diǎn)位置的預(yù)偏量值，從坐標(biāo)中得到預(yù)偏量結(jié)算，見表1，科學(xué)掌握預(yù)偏量的變化趨勢(shì)，完成對(duì)橋塔線形的有效控制，為后續(xù)斜拉橋施工技術(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

3.3 索導(dǎo)管傾角控制

完成橋梁線形的控制后，接下來還要安裝索導(dǎo)管，判斷斜拉索垂度給傾角控制造成的影響，確保斜拉索位于導(dǎo)管內(nèi)部，且保持位置居中，實(shí)現(xiàn)對(duì)索導(dǎo)管傾角的有效控制，將傾角取值為錨固點(diǎn)傾角，采用切線法對(duì)傾角變化量加以計(jì)算。該項(xiàng)目內(nèi)，橋梁的塔柱為實(shí)心的，且索導(dǎo)管的長度在16.5 m左右，已經(jīng)超出索長大約三分之一，計(jì)算后利用割線法對(duì)索導(dǎo)管傾角進(jìn)行調(diào)整，修正夾角，使導(dǎo)管前端的降低值能夠低于索導(dǎo)管中點(diǎn)位置的垂度，最終符合施工要求。

3.4 橋塔內(nèi)力控制

橋臺(tái)選擇傾斜的鋼混結(jié)構(gòu)，由于彎矩偏大，橋塔位置會(huì)形成較大的拉應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成受力裂縫，由此，需加強(qiáng)對(duì)各環(huán)節(jié)斜拉索索力的控制。

3.4.1 張拉索力

為保證傾斜塔柱局部平衡，在橋塔節(jié)段施工環(huán)節(jié)要求張拉索力與成橋索力必須一致，因主梁預(yù)拱度存在，落架前橋塔與索梁錨固點(diǎn)的間距較小，此時(shí)斜拉索看起來“超長”。其中cb1-cb6號(hào)的斜拉索錨杯長度為42 cm，cb7-cb10號(hào)斜拉索錨杯長度為37 cm，要求張拉端錨具螺母處于錨杯前三分之一處，那么斜拉索錨頭前端長度應(yīng)如表2所示。根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)信息得知，梁端螺母處于錨杯前三分之一位置時(shí)，cb6-cb8斜拉索超長梁超過理論長度，此時(shí)說明該處斜拉索塔端錨杯需要用到錨墊板[4]。

為解決上述問題，可減小無應(yīng)力索長，對(duì)螺母的位置做出調(diào)整，或減小一部分張拉索力，讓梁端螺母位于錨杯前小于1/3的位置。由表1數(shù)據(jù)得知，澆筑塔柱節(jié)段環(huán)節(jié)，塔端與梁端的錨頭前端長度能夠超過最小理論值，有效解決了斜拉索“超長”的問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋塔拉應(yīng)力的有效控制，使其≤2 MPa，完成對(duì)斜拉索的一次張拉施工[5]。

3.4.2 放索索力

對(duì)橋塔部位進(jìn)行施工后，主梁落架會(huì)加大斜拉索的索力，此時(shí)橋塔的內(nèi)力超出容許值，有必要在落架前進(jìn)行放索處理。受應(yīng)力限制，放索需要分兩次進(jìn)行，且放索應(yīng)力需要與實(shí)際工程施工中索力與目標(biāo)索力的差值相同。其中，目標(biāo)索力可以采用反推的方式，在迭代法的試用下求解。具體如表3所示，斜拉橋的索力值當(dāng)中，按照橋梁實(shí)際設(shè)計(jì)要求，放索量依據(jù)螺母旋出量控制，保持螺母位置不動(dòng)，外旋塔端螺母，延長錨頭前端位置的長度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)放索索力的控制。

4 結(jié)語

綜上，該項(xiàng)目為無背索獨(dú)塔斜拉橋，采取“先梁后塔”與“索塔同步”的總體施工方案，通過無應(yīng)力狀態(tài)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的有效施工控制。根據(jù)主梁與橋塔線形控制，加強(qiáng)對(duì)索導(dǎo)管傾角的控制，不斷完善各項(xiàng)施工關(guān)鍵技術(shù)，使成橋后斜拉橋的主梁高程偏差值被控制在1.3 cm，橋塔縱向偏差值不超過1.6 cm，橋塔未產(chǎn)生受力裂縫問題，使橋梁受力與線形均能符合工程預(yù)期要求。

表3 項(xiàng)目斜拉橋放索索力/kN

索號(hào) 第一次放索的索力 第二次放索的索力

實(shí)測(cè) 目標(biāo) 放索索力 實(shí)測(cè) 目標(biāo) 放索索力

cb1 3 455 2 886 569 3 650 3 151 499

cb2 3 402 2 697 705 3 256 3 005 251

cb3 3 340 2 361 979 2 980 2 711 269

cb4 2 964 2 294 670 2 902 2 676 226

cb5 2 430 1 804 626 3 013 2 199 814

cb6 2 379 1 893 486 2 504 2 276 228

cb7 2 280 1 968 312 2 577 2 269 308

cb8 1 750 1 382 368 1 909 1 616 293

cb9 1 912 1 649 263 2 062 1 792 270

cb10 1 658 1 757 ?99 1 894 1 787 107

參考文獻(xiàn)

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