獨(dú)塔雙索面非對(duì)稱斜拉橋邊跨現(xiàn)澆梁各施工階段受力研究

文章依托江漢四橋拓寬工程項(xiàng)目，針對(duì)獨(dú)塔雙索面非對(duì)稱斜拉橋邊跨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合該橋的特殊環(huán)境，采用有限元軟件Midas Civil建立實(shí)橋模型，對(duì)邊跨現(xiàn)澆梁進(jìn)行各施工階段受力分析，驗(yàn)證了施工順序安排的合理性和可行性。

有限元模型；異形結(jié)構(gòu)；獨(dú)塔斜拉；現(xiàn)澆梁

U441+.5A411433

作者簡介：

何振華（1988—），碩士，工程師，研究方向：路橋施工。

0" 引言

斜拉橋在造型、跨距、剛度、通航等方面具有比較優(yōu)異的表現(xiàn)，故廣泛應(yīng)用于我國橋梁工程的建設(shè)之中［1-2］。由于受地形、地物限制，斜拉橋主跨需要更大跨徑去跨越山川、河流，而為了節(jié)約造價(jià)一般將主塔設(shè)置在河流岸邊或淺灘上［3-4］。這使主塔兩側(cè)主梁跨徑不對(duì)等，故也導(dǎo)致主跨主梁需采用比較輕盈材料和截面，邊跨主梁需采用厚重的材料和截面。即主跨采用鋼結(jié)構(gòu)，邊跨采用混凝土結(jié)構(gòu)以平衡主塔兩側(cè)的重量。邊跨采用混凝土結(jié)構(gòu)不僅可以平衡主塔兩側(cè)自重，同時(shí)還降低了工程造價(jià)、讓斜拉橋主墩設(shè)置于更加合理的位置。

本文依托江漢四橋拓寬工程月湖橋?yàn)檠芯勘尘?，采用有限元軟件Midas Civil建立實(shí)橋模型，以橋梁邊跨結(jié)構(gòu)本身因素（預(yù)應(yīng)力、混凝土自重，彈性模量、斜拉索）和施工順序?yàn)橹饕芯繉?duì)象，分析驗(yàn)證橋梁施工順序的合理性，確保月湖橋保質(zhì)保量順利施工，以期為類似斜拉橋的邊跨現(xiàn)澆施工提供參考與借鑒。

1" 工程背景

江漢四橋拓寬工程在距既有月湖橋6.75 m位置新建一幅跨江大橋作為復(fù)線橋，外觀型式與既有橋梁保持一致，為獨(dú)塔雙索面非對(duì)稱斜拉橋。主塔2#墩位于漢口江灘，呈鉆石型，塔高為114.5 m，主橋全長為362 m，主跨與邊跨比值為1.785∶1，其中主跨232 m為鋼混疊合梁。橋面寬23.5 m，分為28個(gè)節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長8 m；邊跨130 m為異形截面混凝土梁，跨徑由橋墩劃分為70 m+40 m+20 m，邊跨混凝土橋面寬23.5～32 m，左右側(cè)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)；主跨和邊跨分別設(shè)有26對(duì)平行鋼絲斜拉索。主橋立面如圖1所示。

主橋邊跨位于漢口商業(yè)中心，道路連接線起點(diǎn)距離城市主干道轉(zhuǎn)盤較近，因此邊跨較主跨長度短了102 m。主跨采用工字鋼梁與橋面預(yù)制板結(jié)合而成，梁高1.6 m，重量輕。邊跨上跨沿河大道及防洪墻段，受通行凈高限制采用π梁，遠(yuǎn)離主塔端為異形截面箱梁，箱室內(nèi)澆筑

1 870 t配重混凝土。2#主墩塔梁為固結(jié)結(jié)構(gòu)，3#、4#、5#墩采用拉壓支座，3#墩和4#墩的左右幅支座承載力分別為8 000 kN、9 000 kN，5#墩的左右幅支座承載力分別為5 000 kN、6 000 kN。

2" 邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁簡介

主橋邊跨現(xiàn)澆混凝土由2#主塔往5#墩方向分為四個(gè)節(jié)段，其中Ⅰ節(jié)段為塔梁固接段，Ⅱ節(jié)段為π梁，Ⅲ、Ⅳ節(jié)段為箱梁。原設(shè)計(jì)施工順序?yàn)棰窆?jié)段→Ⅳ節(jié)段→Ⅲ節(jié)段→Ⅱ節(jié)段（見圖2）。

Ⅱ節(jié)段為等高等寬邊主梁，梁高2.1 m，梁頂寬23.5 m，梁底寬24 m。橋面頂板厚30 cm，邊梁寬220 cm。Ⅲ、Ⅳ節(jié)段為變高變寬單箱單室箱型截面主梁，標(biāo)準(zhǔn)梁高2.1 m，在3#、4#、5#墩處局部加高至2.7 m，梁頂寬23.5～27.011 m，梁底寬24～27.511 m。除兩端施工節(jié)段線處頂?shù)装搴?0 cm外，其余部分頂?shù)装搴駷?5 cm，標(biāo)準(zhǔn)邊梁寬為220 cm。

縱向預(yù)應(yīng)力采用12-s15.2、5-s15.2和扁5-s15.2，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用群錨錨固?？v向預(yù)應(yīng)力按張拉順序大致分為兩類：一類是隨主梁分塊現(xiàn)澆逐段張拉錨固、逐段接長的預(yù)應(yīng)力束，一類是主梁Ⅰ、Ⅱ號(hào)塊澆注完成后再統(tǒng)一穿索張拉的預(yù)應(yīng)力束。張拉方式有單端張拉和兩端張拉。橫梁內(nèi)布置有橫向預(yù)應(yīng)力，采用12-s15.2、15-s15.2、17-s15.2和19-s15.2鋼絞線，部分橫梁預(yù)應(yīng)力在主梁分塊現(xiàn)澆完成時(shí)張拉，其余部分待邊跨主梁橫向落架后再張拉，所有橫梁預(yù)應(yīng)均采用兩端張拉。如圖3～4所示。

整個(gè)邊跨均在現(xiàn)澆支架上實(shí)施，主塔封頂前完成鄰近塔梁固結(jié)的Ⅱ節(jié)段π梁現(xiàn)澆及預(yù)應(yīng)力張拉，然后逐節(jié)段安裝跨江段的鋼混結(jié)合梁，同步對(duì)稱安裝主跨和邊跨的斜拉索，利用斜拉索和邊跨作為配重保證鋼混疊合梁懸臂拼裝時(shí)期的體系平衡。

獨(dú)塔雙索面非對(duì)稱斜拉橋邊跨現(xiàn)澆梁各施工階段受力研究/何振華，李湘華，羅" 國，李登武

3" 按原設(shè)計(jì)施工順序?qū)吙绠愋谓Y(jié)構(gòu)混凝土梁進(jìn)行受力分析

邊跨所處位置地質(zhì)情況：地表往下依次為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土，荷載持續(xù)作用下易產(chǎn)生沉降，現(xiàn)澆支架地基需實(shí)施鉆孔灌注樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)進(jìn)行處理，確保支架零沉降。其中Ⅱ節(jié)段所處位置地下管線復(fù)雜且有防洪墻，所跨越的道路為交通主干道，無法封閉施工，故Ⅱ節(jié)段所處位置無法實(shí)施大面積的地基處理。若支架地基不進(jìn)行加強(qiáng)處理鋼管支架持續(xù)承載時(shí)間超過2個(gè)月后地基沉降量可＞20 mm。

經(jīng)驗(yàn)算，若支架地基不進(jìn)行加強(qiáng)處理，地基沉降20 mm時(shí)Ⅱ節(jié)段主梁下緣拉應(yīng)力達(dá)到3.3 MPa，出現(xiàn)開裂，臨近的3#橋墩支座承載力將達(dá)到22 000.8 kN，超出3#橋墩的設(shè)計(jì)支座承載力17 000 kN，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全。如圖5～6所示。

4" 調(diào)整施工順序后對(duì)邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁進(jìn)行受力分析

4.1" 邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁調(diào)整后施工順序簡介

為確保主梁施工質(zhì)量及橋墩安全，研究減少混凝土梁在支架上的壓載時(shí)間，將45 m長Ⅱ節(jié)段分5個(gè)小節(jié)段澆筑，減輕壓重，并迅速完成現(xiàn)澆、養(yǎng)護(hù)、張拉、掛索，使得支架盡快脫空。即將原施工順序調(diào)整為Ⅰ節(jié)段→Ⅳ節(jié)段→Ⅲ節(jié)段→Ⅱ-1梁段→Ⅱ-2梁段→Ⅱ-3梁段→Ⅱ-4梁段→Ⅱ-5梁段。見表1及圖7。

將邊跨支架一次性安裝完成，按照現(xiàn)澆梁工序施工Ⅱ-1梁段鋼筋、模板、混凝土、張拉、壓漿，完成后立即進(jìn)行掛索，同步安裝主跨第一節(jié)段，張拉S1、M1斜拉索，依次安裝主跨第二節(jié)段，張拉S2、M2斜拉索，依次安裝主跨第三節(jié)段，張拉S3、M3斜拉索。每節(jié)段懸臂最前面一根索如依次安裝主跨第二節(jié)段張拉S2、M2斜拉索時(shí)，只做一次張拉，之后澆筑Ⅱ節(jié)段的下梁段混凝土，再進(jìn)行第二次拉張。例如Ⅱ-1梁段最前端索S3、M3先只進(jìn)行一次拉張，待Ⅱ-2梁段澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉完成后再對(duì)索S3、M3進(jìn)行第二次拉張。這樣可使當(dāng)前節(jié)段全部斜拉索以最快速度掛索，主梁受地基沉降影響最小。邊跨Ⅱ節(jié)段施工基本流程如表2所示。

4.2" 邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁邊跨Ⅱ節(jié)段各施工階段模擬分析

4.2.1" 支座反力

利用有限元軟件Midas Civil建立實(shí)橋模型模擬施工過程，計(jì)算各個(gè)施工階段的支架反力和混凝土梁應(yīng)力。

經(jīng)計(jì)算，S2～S9索位置的支架反力最大值為588.9 kN，由5根鋼管支架分?jǐn)?，單根承載為117.78 kN；在現(xiàn)有地面澆筑2 m×3 m×0.6 m的支架基礎(chǔ)，要求地基承載力為44 kPa，位于道路車行道上，地基承載力能夠滿足要求；S1索支架反力1 367.7 kN為最大值，地基承載力要求最高，需要進(jìn)行地基處理。見圖8。

4.2.2" 邊跨Ⅱ節(jié)段施工階段混凝土主梁應(yīng)力

邊跨Ⅱ節(jié)段各施工階段混凝土主梁應(yīng)力如表3所示。

5" 結(jié)語

本文以江漢四橋拓寬工程中跨江斜拉橋（月湖橋）為現(xiàn)實(shí)依據(jù)，利用有限元軟件Midas Civil建立實(shí)橋模型模擬施工過程對(duì)獨(dú)塔斜拉橋邊跨主梁進(jìn)行分析。重點(diǎn)分析了斜拉橋邊跨Ⅱ節(jié)段在不同施工順序條件下的受力情況，得出以下結(jié)論：

（1）斜拉橋邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁按原施工順序施工時(shí)，由于支架受力持續(xù)時(shí)間長，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)不可避免會(huì)產(chǎn)生地基沉降。當(dāng)沉降量達(dá)到20 mm時(shí)，將導(dǎo)致支點(diǎn)反力超過支座設(shè)計(jì)承載力。故按原施工順序施工必須對(duì)支架基礎(chǔ)進(jìn)行地基處理以消除地基沉降。結(jié)合各種基礎(chǔ)特點(diǎn)，支架選取鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)，然而整個(gè)支架位于沿河大道上，現(xiàn)場無條件進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，即按原有施工順序施工無法保證邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁的質(zhì)量和安全。

（2）斜拉橋邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁按調(diào)整后的施工順序施工時(shí)，支架支反力較小，僅S1索支架反力達(dá)到1 367.7 kN，需對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行處理?？紤]到該位置位于江灘，緊鄰圍堰且有鉆孔灌注樁作業(yè)空間，故采用鉆孔灌注樁基進(jìn)行處理以滿足承載要求，與原有施工順序?qū)Ρ日{(diào)整后的施工順序基礎(chǔ)處理工程量減少了90%。

（3）斜拉橋邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁按調(diào)整后的施工順序施工時(shí)，主梁應(yīng)力最小值為-0.8 MPa，整個(gè)施工過程中均為壓應(yīng)力，有利于邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁質(zhì)量控制，可以有效防止主梁裂縫的產(chǎn)生。

（4）通過對(duì)邊跨異形結(jié)構(gòu)混凝土梁施工順序調(diào)整前后的對(duì)比可知，調(diào)整后的施工順序支架基礎(chǔ)處理工程量大大減少，施工順序更加合理，且可以滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］王亞洲.預(yù)應(yīng)力混凝土π型梁斜拉橋施工控制［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2017.

［2］黃俊強(qiáng).溫度效應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力π型梁斜拉橋受力性能的影響分析［J］.西部交通科技，2022（4）.

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20240320