外傾索面矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)拉索張拉施工控制優(yōu)化

李群鋒

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

矮塔斜拉橋是介于梁式橋和斜拉橋之間的一種橋型，其適用跨度也介于梁式橋和斜拉橋之間[1]。目前國內寬翼緣外傾雙索面矮塔斜拉橋建設較少，而其索梁錨固區(qū)結構受力狀態(tài)為三向受力狀態(tài)，有別于常規(guī)矮塔斜拉橋索梁錨固受力方式，外傾雙索面矮塔斜拉橋拉索在梁上的錨固位置位于箱梁兩側懸臂板端部，屬斜拉索與混凝土箱梁的錨固[2]。如何保證寬翼緣大箱斷面在施工階段結構安全及避免拉索及橫梁中預應力施工過程中對索梁錨固區(qū)產(chǎn)生結構性損傷，拉索和橫梁鋼束詳細張拉控制過程還需要進一步研究與分析。本文依托實際工程對寬翼緣外傾雙索面矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)進行拉索張拉施工控制優(yōu)化，可為同類型橋梁結構提供參考借鑒。

1 工程概況

浮山縣丞相河特大橋主橋為（87+160+87）m 雙塔斜向雙索面PC 矮塔斜拉橋，主橋采用塔、墩、梁固結體系，主梁采用單箱雙室箱形截面，其施工采用懸臂澆注法施工[3]。主梁根部28 m 范圍內梁高和底板厚度采用1.7 次拋物線變化，主梁根部梁高5 m，跨中梁高3.5 m。橋塔為Y 型塔，塔高24.8 m，每個橋塔共設置8 對斜拉索，采用分絲管索鞍形式，每根斜拉索貫穿主塔并錨固在主梁上。

拉索區(qū)箱型梁橋梁中心線處梁高3.5 cm，箱梁頂寬28 m，底寬18 m，懸臂長5 m。兩邊腹板厚度80 cm，中腹板厚度60 cm，懸臂頂板厚35 cm，箱室內頂板厚28 cm，底板厚45 cm。拉索區(qū)上橫隔梁寬55 cm，懸臂段上橫梁高120～140 cm，箱室段上橫梁高140～158 cm。拉索區(qū)下橫梁寬25 cm，高50 cm。拉索區(qū)梁段及橫梁構造圖見圖1、圖2。

圖1 拉索區(qū)橫梁橫斷面（單位：cm）

圖2 拉索區(qū)橫梁立面（單位：cm）

2 空間實體模型建立

主橋主梁及橫梁采用C55 混凝土，橫梁中3 束25-?s15.2 預應力筋和箱梁頂板7 束4-?s15.2 預應力筋均采用1860 鋼絞線，腹板豎向預應力筋采用JL32 精軋螺紋粗鋼筋。索梁錨固區(qū)橫梁3 束橫向預應力鋼束布置見圖3。

圖3 索梁錨固區(qū)橫梁預應力鋼束布置圖（單位：cm）

對于邊界條件，實體分析模型將靠近橋塔側的主梁截面固結，另一面自由。加載及邊界條件見圖4。

圖4 索梁錨固區(qū)梁段邊界及荷載加載示意（單位：m）

采用Midas FEA 實體有限元軟件建立拉索區(qū)箱型梁及橫梁三維實體分析模型。索梁錨固區(qū)箱型梁實體分析模型及預應力鋼束單元見圖5、圖6。

圖5 索梁錨固區(qū)箱型梁實體單元

圖6 索梁錨固區(qū)箱型梁預應力鋼束單元

3 張拉施工控制分析工況

根據(jù)主橋結構整體計算模型提取斜拉索施工階段各拉索初張拉索力，斜拉索施工張拉階段分別取最大拉索張拉力Fmax=6480 kN（拉索S1，型號為61-?s15.2）和最小拉索張拉力Fmin=5370 kN（拉索S6，型號為61-?s15.2）進行實體模型分析計算。

索梁錨固區(qū)主梁節(jié)段施工過程中，當考慮橫梁橫向鋼束及拉索索力同時作用時，拉索區(qū)橫梁的應力大小能夠滿足規(guī)范限值要求，具體計算結果可見后續(xù)第五步分析結論。然而在實際施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于受箱型梁翼緣板下方斜拉索和橫梁鋼束張拉作業(yè)空間的限制，不可能同時對斜拉索和橫梁鋼束進行張拉，所以需要考慮分階段交替進行張拉作業(yè)。

原先考慮先將橫梁中的3 束橫向束依次張拉完畢后，再進行斜拉索的張拉作業(yè)。但經(jīng)過實體有限元模擬分析后發(fā)現(xiàn)，該張拉順序會導致施工過程中拉索區(qū)箱梁頂板及橫梁部分區(qū)域混凝土拉應力大大超過其抗拉強度標準值。圖7 為僅橫梁鋼束張拉完畢后拉索區(qū)箱梁及橫梁橫橋向應力分布結果。

圖7 橫橋向應力σx分布圖

由圖7可見，當全部張拉完橫梁3道橫向鋼束后（斜拉索尚未張拉），箱梁懸臂板頂部區(qū)域出現(xiàn)較大橫橋向拉應力，最大值約4.86 MPa，超過C55 混凝土短暫狀況抗拉強度標準值2.52 MPa；拉索區(qū)橫隔板底部（懸臂板下方）則出現(xiàn)較大橫橋向壓應力，最大值約28.1 MPa，超過C55 混凝土短暫狀況抗壓強度標準值19.88 MPa。結合應力計算結果可知，該張拉流程會導致懸臂板頂部在施工過程中出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，同時懸臂板下方的橫梁底部局部區(qū)域混凝土壓應力過大。

根據(jù)上述分析結論，認為原先的張拉方案不可行，故需進一步優(yōu)化橫梁3 道橫向鋼束和斜拉索的詳細張拉方案。優(yōu)化后施工張拉流程如下：第一步，張拉橫梁橫向束Ⅱ；第二步，張拉斜拉索其中50%鋼絲束；第三步，張拉橫梁橫向束Ⅲ；第四步，張拉橫梁橫向束Ⅰ；第五步，張拉斜拉索剩余50%鋼絲束。

4 張拉施工控制分析結果

索梁錨固區(qū)上橫梁為預應力混凝土構件，可依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）7.2.8 條[4]進行短暫狀況構件的應力計算。預應力混凝土受彎構件，在預應力和構件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應力應符合下列規(guī)定：

壓應力：σtcc≤0.70fc'k。

拉應力：當σtcc≤0.70ft'k時，預拉區(qū)應配置其配筋率不小于0.2%的縱向鋼筋；當σtct= 1.15ft'k時，預拉區(qū)應配置其配筋率不小于0.4% 的縱向鋼筋；當0.70ft'k＜σtc＜t1.15ft'k時，預拉區(qū)應配置的縱向鋼筋配筋率按以上兩者直線內插取用；拉應力σtct不應超1.15ft'k。

按照施工過程中箱型梁及橫梁C55 混凝土達到80%強度再進行下階段的預應力鋼束張拉施工，則0.70fc'k=0.7×0.8×35.5=19.88 MPa，0.70ft'k=0.7×0.8×2.74=1.53 MPa，1.15ft'k=1.15×0.8×2.74=2.52 MPa。

首先確定拉索區(qū)橫梁應力計算點位置，由于箱梁結構為對稱結構，只需取相對于橋面中心線處箱梁一半截面的應力點進行分析研究，具體應力計算點分布見圖8。

圖8 拉索區(qū)橫梁應力計算點分布圖

a）工況一（第一步） 對于工況一，拉索S1 和S6 處橫梁均只張拉了橫向鋼束Ⅱ，此時兩者的應力分析結果相同，此處不重復列舉。根據(jù)實體模型分析結果，箱梁及橫梁橫橋向最大拉應力值為1.71 MPa＜2.52 MPa，最大壓應力值為11.02 MPa＜19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應力計算點橫橋向應力σx分布圖如圖9 所示。

圖9 工況一 橫橋向應力σx分布圖

b）工況二（第二步） 根據(jù)實體模型分析結果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應力值分別為2.47 MPa、1.62 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應力值分別為10.59 MPa、11.01 MPa，均小于19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應力計算點橫橋向應力σx分布圖如圖10、圖11所示。

圖10 工況二 橫橋向應力σx分布圖（拉索S1）

圖11 工況二 橫橋向應力σx分布圖（拉索S6）

c）工況三（第三步） 根據(jù)實體模型分析結果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應力值分別為2.00 MPa、1.87 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應力值分別為16.93 MPa、17.77 MPa，均小于19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應力計算點橫橋向應力σx分布圖如圖12、圖13所示。

圖12 工況三 橫橋向應力σx分布圖（拉索S1）

圖13 工況三 橫橋向應力σx分布圖（拉索S6）

d）工況四（第四步） 根據(jù)實體模型分析結果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應力值分別為1.80 MPa、1.63 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應力值分別為18.70 MPa、19.86 MPa，均小于19.88 MPa。滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應力限值要求。拉索區(qū)上、下橫隔梁應力計算點橫橋向應力σx分布圖如圖14、圖15 所示。

圖14 工況四 橫橋向應力σx分布圖（拉索S1）

圖15 工況四 橫橋向應力σx分布圖（拉索S6）

e）工況五（第五步） 根據(jù)實體模型分析結果，拉索S1 和S6 處箱梁及橫梁橫橋向最大拉應力值分別為1.91 MPa、1.88 MPa，均小于2.52 MPa，最大壓應力值分別為15.37 MPa、15.38 MPa，均小于19.88 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應力限值要求。拉索區(qū)上、下橫梁應力計算點橫橋向應力σx分布圖如圖16、圖17所示。

圖16 工況五 橫橋向應力σx分布圖（拉索S1）

圖17 工況五 橫橋向應力σx分布圖（拉索S6）

5 結論

a）對于采用先行張拉完索梁錨固區(qū)橫梁橫橋向鋼束再張拉斜拉索的施工方案，當張拉完橫梁鋼束后導致箱梁及橫梁橫橋向拉壓應力值出現(xiàn)超限的情況，由此得出原先的索梁錨固區(qū)拉索張拉施工方案不具可行性。

b）對原先索梁錨固區(qū)拉索張拉施工方案進行優(yōu)化并制定“五步”張拉施工控制措施，根據(jù)索梁錨固區(qū)箱梁及橫梁實體模型分析結論可知，箱梁及橫梁在5 個張拉施工工況下的橫橋向正截面拉、壓應力結果均滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段混凝土應力限值要求，由此驗證了該“五步”張拉施工控制工藝的可行性。