異形鋼索塔斜拉橋風(fēng)險評估與控制研究

摘要 文章以228國道慈溪庵東至余姚梨洲段工程中的控制性工程雙橢圓異形鋼索塔鋼混疊合梁斜拉橋為例，詳細(xì)介紹了橋梁初步設(shè)計階段風(fēng)險評估的過程。根據(jù)項目自身特點，從建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)方案、施工安全與技術(shù)、運營風(fēng)險四大方面分析項目存在的風(fēng)險，結(jié)合專家調(diào)查法對該斜拉橋的風(fēng)險進(jìn)行了評估，最終得出其風(fēng)險等級，并提出了相應(yīng)控制措施，保證橋梁安全運營。

關(guān)鍵詞 風(fēng)險評估；異形鋼索塔；鋼混疊合梁；斜拉橋

中圖分類號 U441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0079-03

0 引言

常規(guī)斜拉橋索塔主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)索塔目前在國內(nèi)開始逐步推廣應(yīng)用。某大橋為228國道慈溪庵東至余姚梨洲段工程中的控制性工程，設(shè)計為（92+228+92）m雙塔空間雙索面斜拉橋，其主塔采用鋼結(jié)構(gòu)，造型獨特美觀，極具特色。但同時也為設(shè)計和施工帶來諸多不確定性，根據(jù)《公路橋梁和隧道工程設(shè)計安全風(fēng)險評估指南》相關(guān)要求，需要在初步設(shè)計階段對該項目進(jìn)行風(fēng)險評估，為項目后續(xù)順利推進(jìn)打好基礎(chǔ)[1]。

1 項目概況

1.1 設(shè)計方案

某大橋橋跨布置為（92+228+92）m=412 m的雙塔空間雙索面斜拉橋，主梁采用整幅橋面布置，上下行各布置4個車道，兩側(cè)各設(shè)4.0 m寬的人行道，橋梁全寬48 m（含風(fēng)嘴），方案效果圖如圖1所示。主橋采用三跨連續(xù)半漂浮體系，索塔效果圖如圖2所示，索塔與主梁之間橫梁上豎向設(shè)置一個雙向支座和一個單向支座，利用鋼梁下伸牛腿以及橫梁擋塊，設(shè)置橫向抗風(fēng)支座；邊墩主梁一端設(shè)置一個雙向支座和一個單向支座，并設(shè)置橫向抗風(fēng)支座。

1.2 雙橢圓索塔

索塔高93 m，其中塔座高4 m。塔柱橫橋向從上到下共分為三個區(qū)段，分別為橢圓曲線段、緩和曲線過渡段與直線段。緩和曲線過渡段曲線半徑為50 m；直線段的坡度為1∶12.65。橋塔塔高19+74=93 m，其中直線段與緩和曲線過渡段結(jié)構(gòu)高度為19 m，橢圓曲線段的結(jié)構(gòu)高度為74 m。橢圓塔柱中心線的長半軸為71.5 m，短半軸為23.5 m，中心點高程為+18.842 m。主塔縱橋向投影亦呈橢圓狀。

塔柱共劃分為16個節(jié)段。T0～T15，15個拼接接縫：J1～J15；節(jié)段長度為4.1～10.0 m。T0鋼混結(jié)合段采用起重吊機(jī)吊裝，其余節(jié)段采用塔吊吊裝，節(jié)段拼接均采用全熔透焊[2]。

1.3 氣象及地質(zhì)概況

場地所在地區(qū)，每年7—9月為臺風(fēng)侵襲期。臺風(fēng)會帶來大量降水，其特點為水量集中、歷時短、強度大，易造成洪澇災(zāi)害，同時存在臺風(fēng)和風(fēng)暴潮等氣象災(zāi)害的影響。

橋位區(qū)處于沖湖積平原區(qū)，地勢平緩，淺部主要分布有淤泥、淤泥質(zhì)黏土，埋深較淺，厚約0.70～17.50 m。

1.4 周邊環(huán)境

經(jīng)調(diào)查，橋位區(qū)水陸交通均較為便利，其跨越的姚江為Ⅲ級航道，橋梁未上跨或下穿重要公路、鐵路等。橋位區(qū)引橋存在高壓燃?xì)夤芫€，需改遷。橋墩承臺距離堤岸較近（最小距離僅10 m），軟土層較厚[3]。

2 橋梁風(fēng)險評估方法

2.1 專家調(diào)查法

專家調(diào)查法是目前國內(nèi)普遍采用的方法之一，具有廣泛的代表性和可靠性，又被稱作德爾菲法（Delphi" method），由美國蘭德公司首先提出并運用到實際工程中。參與調(diào)查的專家相互之間不發(fā)生橫向聯(lián)系，不直接討論，各專家通過調(diào)查人員間接參與討論，經(jīng)過多輪咨詢統(tǒng)計并修改完善，最終形成專家基本統(tǒng)一的意見，作為評估預(yù)測的結(jié)果。

2.2 基于ALARP準(zhǔn)則的風(fēng)險矩陣

ALARP（As Low As Reasonably Practicable）準(zhǔn)則認(rèn)為任何項目活動都存在一定風(fēng)險，采取一定措施只能降低部分風(fēng)險，但并不能完全消除。而且當(dāng)項目整體的系統(tǒng)風(fēng)險水平較低時，再采取措施減低風(fēng)險所需要的成本就會呈指數(shù)上升，所以需要平衡好項目系統(tǒng)整體的風(fēng)險水平和成本之間的關(guān)系，ALARP準(zhǔn)則如圖3所示。

風(fēng)險矩陣評估具有簡單明了、適用范圍廣的特點，聯(lián)合風(fēng)險矩陣與ALARP準(zhǔn)則，可以較好地反映決策者對待風(fēng)險的態(tài)度以及制定基本的風(fēng)險對策。風(fēng)險評估矩陣見表1所示。

3 橋梁風(fēng)險分析及評估結(jié)果

3.1 橋梁風(fēng)險辨識

從建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)方案、施工安全與技術(shù)、運營風(fēng)險四大方面，全面分析橋梁在各階段存在的風(fēng)險，對主要風(fēng)險進(jìn)行辨識，形成風(fēng)險源檢查表。結(jié)合項目特點，梳理出的主要風(fēng)險源如表2所示。

3.2 橋梁風(fēng)險分析

3.2.1 建設(shè)條件

余姚市臺風(fēng)災(zāi)害偶有發(fā)生，且建設(shè)區(qū)域周邊風(fēng)場環(huán)境復(fù)雜，具備發(fā)生異常風(fēng)致災(zāi)害的前提條件；大橋索塔構(gòu)造復(fù)雜、氣動特性經(jīng)驗少，且雙肢塔柱之間存在相互干擾的可能。主要造成經(jīng)濟(jì)損失。

橋址處存在較厚的淤泥質(zhì)地層，且承臺埋置于地面線以下，需要開挖基坑等施工措施，應(yīng)關(guān)注主墩施工對臨近堤壩的影響。

3.2.2 結(jié)構(gòu)方案

鋼結(jié)構(gòu)索塔目前在國內(nèi)開始逐步推廣應(yīng)用，鋼材具有抗拉強度高、局部穩(wěn)定性差的特點，與索塔壓彎受力特征存在差異。特別是塔梁合理的剛度匹配、鋼塔整體和局部穩(wěn)定、鋼塔溫度荷載取值、連接部位的傳力比分配等，在現(xiàn)行的規(guī)范中存在不完善的情況，相應(yīng)設(shè)計、施工經(jīng)驗少[4]。

寬幅鋼混疊合梁設(shè)計分段不合理、構(gòu)造配筋不合理。接縫分段位置由于存在齡期差異，且現(xiàn)澆施工往往比預(yù)制施工質(zhì)量差，現(xiàn)有的縱向分段較長，需要考慮工廠預(yù)制生產(chǎn)能力，且避開輪跡帶等沖擊受力明顯區(qū)域；寬幅預(yù)制板受力同常規(guī)的混凝土箱梁、鋼箱梁加勁頂板存在差異，相應(yīng)的構(gòu)造配筋應(yīng)考慮雙向板的受力特征，應(yīng)用拉應(yīng)力域配筋理念進(jìn)行構(gòu)造配筋[5]。

3.2.3 施工安全與技術(shù)

鋼索塔采用塔吊吊裝，由于橋塔造型獨特、高度較大；該橋為雙向八車道超寬橋梁，索塔未閉環(huán)之前，縱橫向無可靠的連接、穩(wěn)定性較差。因此在施工過程中存在穩(wěn)定性風(fēng)險，一是橋塔自身的穩(wěn)定性；二是隨著橋塔高度增加，塔吊等起吊設(shè)備的穩(wěn)定性控制也十分重要。

惡劣的天氣條件會對鋼索塔的架設(shè)安裝作業(yè)造成安全隱患，故在施工時需要充分考慮氣候的影響。溫度變化對索塔及鋼索器安裝時的測量定位影響較大，進(jìn)而影響安裝精度。加之索塔為拱形曲線造型，線形控制較為困難。

另外，承臺基坑大、開挖較深，橋址區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層較厚，堤壩與基坑斜交，基坑支護(hù)不足易造成堤壩失穩(wěn)破壞。施工期間應(yīng)做好水位資料收集，加強基坑支護(hù)設(shè)計及監(jiān)測監(jiān)控。

3.2.4 運營風(fēng)險

運營風(fēng)險是指由于水文、氣象、車船撞、車輛實際荷載與設(shè)計差異程度等因素所導(dǎo)致的風(fēng)險。橋位區(qū)風(fēng)環(huán)境相對復(fù)雜，橋面風(fēng)速比地面風(fēng)速高，可能產(chǎn)生行車風(fēng)安全相關(guān)事故。

3.3 橋梁風(fēng)險評估

在梳理主要風(fēng)險源的基礎(chǔ)上，形成風(fēng)險源調(diào)查表，采用專家調(diào)查法匯總計算各風(fēng)險事件的風(fēng)險等級。除施工安全與技術(shù)風(fēng)險等級為Ⅲ級外，建設(shè)條件風(fēng)險、結(jié)構(gòu)方案風(fēng)險、運營風(fēng)險均為Ⅱ級。風(fēng)險評估結(jié)果處于風(fēng)險水平有條件接受范圍內(nèi)。根據(jù)目前我國工程界設(shè)計、施工、管理技術(shù)水平，該大橋在建設(shè)期和營運期都不會發(fā)生不可克服的風(fēng)險，橋梁風(fēng)險等級一覽表見表3所示：

4 橋梁風(fēng)險控制

（1）主塔、主梁施工屬于高空作業(yè)，施工步驟多，管理難度大，施工時的不可預(yù)料因素也非常多，施工風(fēng)險相對較高。建議加強工程的設(shè)計與施工工作，細(xì)化施工流程和工序，并在施工階段加強監(jiān)理工作，提高施工質(zhì)量；同時加強施工安全的控制，保證施工人員在作業(yè)時的安全。

（2）建立天氣預(yù)警系統(tǒng)，做好對大風(fēng)、大霧、高溫、大雨等惡劣天氣的監(jiān)控；針對橋梁方案存在結(jié)構(gòu)柔性大、穩(wěn)定性弱等特點，應(yīng)加強對強風(fēng)的預(yù)報工作。在大風(fēng)期間應(yīng)停止施工，避開臺風(fēng)期施工，同時在施工的時候做好臨時抗風(fēng)措施，提高結(jié)構(gòu)剛度，保證施工的穩(wěn)定性。

（3）嚴(yán)格執(zhí)行大橋建設(shè)項目工期，尊重工程建設(shè)的客觀規(guī)律，科學(xué)合理地進(jìn)行工期安排，避免出現(xiàn)隨意壓縮工期的狀態(tài)。

5 結(jié)語

從國內(nèi)外類似異形鋼結(jié)構(gòu)橋塔的施工經(jīng)驗來看，大致分為兩類：一類是吊裝拼接施工，另一類是地面拼接之后轉(zhuǎn)體施工。兩種施工工藝均較為成熟，有較多成功案例可供參考，建議在設(shè)計階段進(jìn)一步加強施工工藝的比選，后續(xù)加強施工單位的選擇，盡量選擇符合相應(yīng)資質(zhì)要求并有類似項目經(jīng)驗的施工單位及專業(yè)分包隊伍，進(jìn)一步降低橋塔施工中的風(fēng)險，以保障工程施工過程中的質(zhì)量和安全。

參考文獻(xiàn)

[1]張獨遠(yuǎn)， 崔德永， 聶寧波， 等. 斜拉橋異型鋼結(jié)構(gòu)主塔力學(xué)特性影響因素分析[J]. 河南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2016（4）： 487-494．

[2]何敏娟， 鄭元， 呂兆華. 鋼拱塔斜拉橋豎轉(zhuǎn)施工方案分析[J]. 特種結(jié)構(gòu)， 2010（1）： 76-79.

[3]龔美， 陳廣生， 孫吉飚， 等. 烏江特大橋H型索塔施工過程力學(xué)特性與監(jiān)控研究[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2017（4）： 661-671.

[4]劉成群， 魏崗， 卞北平. 超大鋼拱塔提滑組合安裝技術(shù)[J]. 建筑施工， 2022（8）： 1913-1915.

[5]崔德永. 具有異型鋼-混結(jié)構(gòu)主塔的斜拉橋力學(xué)特性研究[D]. 洛陽：河南科技大學(xué)， 2016．

收稿日期：2024-02-02

作者簡介：方大（1993—），男，本科，工程師，從事公路橋梁設(shè)計工作。