某公路塔柱斜拉橋項(xiàng)目的施工控制技術(shù)分析

摘要 某斜拉橋設(shè)計(jì)采用異形雙塔雙斜拉索結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)跨徑為300 m，組合形式為70 m+160 m+70 m，主梁采用支架現(xiàn)澆施工工藝，主梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，通過(guò)斜拉索張拉實(shí)現(xiàn)主梁承載體系的轉(zhuǎn)換。為確保施工階段全程可控，文章借助MidasCivil有限元分析工具，建立實(shí)橋的有限元模型，通過(guò)施工過(guò)程模擬分析，給出了斜拉橋結(jié)構(gòu)承載體系轉(zhuǎn)換施工的控制參數(shù)，為保證橋梁施工的總體質(zhì)量提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞 公路橋梁項(xiàng)目；雙塔雙索面；異形塔柱斜拉橋；施工控制；預(yù)拱度

中圖分類(lèi)號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0143-03

0 引言

斜拉橋通過(guò)斜拉索將大部分荷載傳遞至主塔，在主梁截面尺寸合理的前提下，實(shí)現(xiàn)了橋梁大跨徑、高承重的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是工程技術(shù)含量最高的橋型之一[1]。在斜拉橋施工過(guò)程中，如何保障主梁承重由支架向斜拉索主塔轉(zhuǎn)換過(guò)程中的安全性與可靠性，是斜拉橋施工控制的關(guān)鍵[2]。為提高斜拉橋承載體系轉(zhuǎn)換施工階段的精細(xì)化控制能力，該文以某異形雙塔雙斜拉索橋梁為研究對(duì)象，借助MidasCivil有限元分析工具，重點(diǎn)就斜拉橋承載體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的主塔、斜拉索及主梁的荷載變形及應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，為斜拉橋現(xiàn)場(chǎng)的施工控制提供重要支撐[3]。

1 工程概況

該文選取某雙塔雙索型斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，其主塔采用非常規(guī)幾何形態(tài)設(shè)計(jì)，橋梁跨徑組合形式為70 m+160 m+70 m，全橋設(shè)計(jì)跨徑為300 m，橋面橫向凈寬36 m，主梁采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，主梁設(shè)計(jì)標(biāo)高2.6 m，頂腹板凈寬0.5 m，底腹板凈寬0.8 m，橋面板有效厚度為0.26 m。斜拉橋主塔采用非常規(guī)幾何形體設(shè)計(jì)，外形似水滴狀，牽引斜拉索的主塔設(shè)計(jì)標(biāo)高為69.75 m，主塔結(jié)構(gòu)形式以鋼管混凝土為主，沿主塔共計(jì)敷設(shè)斜拉索32對(duì)，敷設(shè)形式按雙索面扇形分布；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為19φ2.0 m。

從跨徑角度分析，該橋主跨300 m；按跨徑大小劃分，屬大橋；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察后，該項(xiàng)目認(rèn)為施工現(xiàn)場(chǎng)空間滿(mǎn)足主梁施工要求，故確定先主梁后主塔的施工順序，具體施工流程大體分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：（1）主塔、橋墩的基礎(chǔ)施工，鋼-混凝土組合梁預(yù)制施工、主塔分段吊裝預(yù)位、主梁施工支架搭設(shè)；（2）施工現(xiàn)場(chǎng)布置主梁頂退施工平臺(tái)，主梁現(xiàn)場(chǎng)拼接施工；（3）縱梁、挑梁及橋面系施工，橋梁濕接縫澆筑、組合梁混凝土結(jié)構(gòu)部分采用預(yù)應(yīng)力張拉、斜拉索布設(shè)；（4）斜拉索張拉、拆除臨建設(shè)施；

（5）配套結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施施工，斜拉索索力調(diào)整。

2 橋梁有限元模擬分析

成橋后橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應(yīng)力水平是否合理是確保橋梁正常服役的關(guān)鍵。從施工流程上看，成橋后的構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)與施工階段的斜拉索應(yīng)力調(diào)整及上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉有關(guān)，因此，為了確保成橋后的應(yīng)力狀態(tài)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件，應(yīng)根據(jù)實(shí)橋施工工況，建立相應(yīng)的有限元分析模型。借助有限元模型模擬，包括主塔施工、上部結(jié)構(gòu)施工、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換施工等關(guān)鍵工序在內(nèi)的各項(xiàng)施工流程，獲取有限元模型反饋的主塔節(jié)段變形、主梁上拱度、上部結(jié)構(gòu)不同階段內(nèi)的應(yīng)力等相關(guān)參數(shù)[4-7]。

該文利用Midas Civil通用有限元分析工具，建立實(shí)橋的有限元模型，其中上部結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?、主塔采用?shí)體單元、斜拉索采用桿單元分別模擬，整個(gè)施工階段借助Midas Civil的正裝分析模塊完成。該文根據(jù)實(shí)橋構(gòu)建的有限元模型如圖1所示：

3 橋梁主塔拼裝施工控制

該項(xiàng)目中的主塔外形似水滴狀，主塔結(jié)構(gòu)以鋼管混凝土為主，橫向采用鋼板連接，以起到橫向加勁功能。考慮主塔高度較大，為了保證施工安全，施工現(xiàn)場(chǎng)采用分節(jié)段吊裝的拼裝方式，按照施工方案計(jì)劃，主塔共劃分28個(gè)節(jié)段，節(jié)段標(biāo)號(hào)依次為A1～A28。

為避免因受力不均衡可能導(dǎo)致的主塔傾覆事故，主塔節(jié)段施工按照左右對(duì)稱(chēng)進(jìn)行同步吊裝，待同一節(jié)段全部吊裝完畢后，統(tǒng)一澆筑混凝土，管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，再開(kāi)展下一節(jié)段的吊裝流程。通過(guò)建立主塔結(jié)構(gòu)的有限元模型，實(shí)現(xiàn)施工階段的主塔變形及位移模擬。根據(jù)模擬分析結(jié)果，在施工前提前預(yù)留位移偏差，確保主塔合龍后的變形和位移指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)有限元模型計(jì)算可知，主塔施工全過(guò)程中涉及的變形累計(jì)最大值為縱向24.3 mm、橫向12.3 mm、豎向9.5 mm。

考慮主塔節(jié)段在制作階段產(chǎn)生的偏離較小，故可忽略此部分的位移和變形，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)節(jié)段吊裝階段的位移和變形控制，尤其是加強(qiáng)對(duì)主塔斜拉索的分絲管的變形及位移控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在斜拉橋主塔合龍后，控制截面的位移和變形與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的偏差應(yīng)控制在±10 mm以?xún)?nèi)[8]。

4 橋梁主梁架設(shè)過(guò)程施工控制

上部結(jié)構(gòu)施工流程包括鋼-混凝土梁預(yù)制加工、主梁現(xiàn)場(chǎng)頂推施工、預(yù)制橋面鋪筑吊裝、濕接縫澆筑、主梁預(yù)應(yīng)力張拉施工。

4.1 主梁預(yù)拱度的確定

為確保斜拉橋成橋后的線形滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需借助有限元模型計(jì)算主梁在自重及各種施工荷載條件下的控制截面撓度及變形值，進(jìn)而為主梁施工階段的預(yù)拱度設(shè)置提供參考。借助有限元模型，定量計(jì)算鋼-混凝土組合梁在不同施工階段對(duì)應(yīng)的豎向變形。經(jīng)計(jì)算，主梁成橋后的累計(jì)豎向變形如圖2所示：

4.2 主梁架設(shè)過(guò)程的線形控制

根據(jù)施工流程，斜拉橋上部結(jié)構(gòu)施工需經(jīng)過(guò)主梁頂推、橋面系吊裝、預(yù)應(yīng)力張拉等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用有限元模型的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符，誤差滿(mǎn)足規(guī)范要求。此外，在具體施工階段，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控，全程關(guān)注結(jié)構(gòu)應(yīng)力的波動(dòng)情況[9]。上部結(jié)構(gòu)施工階段主梁應(yīng)力的有限元模型計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值如表1所示。

5 橋梁體系轉(zhuǎn)換施工過(guò)程控制

斜拉橋主塔完工后，在斜拉索尚未張拉前，上部結(jié)構(gòu)由支架承載，在施工現(xiàn)場(chǎng)需通過(guò)體系轉(zhuǎn)換，將上部結(jié)構(gòu)從支架承載轉(zhuǎn)變?yōu)樾崩鞒休d。具體的體系轉(zhuǎn)換又可劃分為斜拉索張拉、臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)拆除、Ⅱ期荷載施加、斜拉索拉力調(diào)整等四個(gè)基本流程。

5.1 斜拉索體系轉(zhuǎn)換的確認(rèn)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察后發(fā)現(xiàn)，該斜拉橋結(jié)構(gòu)共布設(shè)64條斜拉索，根據(jù)有限元模擬試算可知，不同斜拉索的分批次張拉順序直接影響整個(gè)主塔和上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。為了提高施工現(xiàn)場(chǎng)斜拉索張拉過(guò)程及結(jié)構(gòu)承載體系轉(zhuǎn)換過(guò)程的施工安全，該文借助有限元模型對(duì)不同張拉方案進(jìn)行試算，以期獲取最佳的斜拉索張拉施工方案。根據(jù)有限元試算可知，科學(xué)可行的張拉方案需滿(mǎn)足以下條件：第一，成橋后的斜拉索、主塔、上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求；第二，承載體系轉(zhuǎn)變過(guò)程中的橋梁各構(gòu)件安全防護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿(mǎn)足施工要求；第三，在確保技術(shù)達(dá)標(biāo)的前提下，合理優(yōu)化斜拉索張拉的施工組織，以最大限度地降低施工成本[10]。

借助有限元模型對(duì)斜拉橋承載形式的轉(zhuǎn)變過(guò)程進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而獲取斜拉橋不同構(gòu)件在整個(gè)過(guò)程中的應(yīng)力、變形響應(yīng)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，斜拉橋斜拉索的最大張拉荷載為3 649 kN，分析模擬計(jì)算結(jié)果可知，整個(gè)施工過(guò)程中的主塔受力基本保持平衡，不存在結(jié)構(gòu)傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)有限元模擬分析，在結(jié)構(gòu)承載體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中，斜拉塔頂部的縱向位移最大值為19.5 mm，結(jié)構(gòu)承載體系轉(zhuǎn)換完畢后，斜拉塔頂部縱向位移回零。通過(guò)分析整個(gè)結(jié)構(gòu)承載體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的斜拉塔及主梁的應(yīng)力變化情況，如圖3所示，該文認(rèn)為斜拉塔和主梁的應(yīng)力變化范圍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)可知，在斜拉橋斜拉索張拉過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)主梁將產(chǎn)生一定程度的向上預(yù)拱度，受上拱變形影響，橋面板濕接縫容易受拉開(kāi)裂，因此如何科學(xué)制定結(jié)構(gòu)承載體系轉(zhuǎn)換的施工方案對(duì)保證橋面系的完整具有重要意義。由圖4可知，正常狀態(tài)下，橋面系混凝土結(jié)構(gòu)以受壓為主，該項(xiàng)目提出的斜拉索張拉方案有效降低了橋面板的受拉作用，提高了橋面板的整體性，避免了成橋前的開(kāi)裂病害。

5.2 斜拉索體系轉(zhuǎn)換施工過(guò)程的控制

該文基于有限元模擬分析給出的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)橋承載體系的轉(zhuǎn)變施工進(jìn)行了全程模擬。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，在二期恒載全部施加完畢后，所有斜拉索的實(shí)際拉應(yīng)力與設(shè)計(jì)指標(biāo)的誤差均大于10%的限定要求，故在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行張拉力的調(diào)整工作。經(jīng)復(fù)測(cè)后，調(diào)整完的斜拉索張拉力與設(shè)計(jì)要求的偏差均低于限值要求。由圖5可知，結(jié)構(gòu)承載體系轉(zhuǎn)變后上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形與模擬結(jié)果相吻合，故最終成橋狀態(tài)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文借助Midas Civil有限元分析工具，對(duì)某雙塔雙索型斜拉橋施工項(xiàng)目進(jìn)行了全過(guò)程的模擬和施工控制工作，得到以下基本結(jié)論：

（1）以有限元模擬結(jié)果為依據(jù)，給出了斜拉索主塔在斜拉索張拉前的預(yù)偏離指標(biāo)和上部結(jié)構(gòu)主梁的預(yù)拱度指標(biāo)；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工控制，重點(diǎn)就主塔吊裝和主梁架設(shè)兩個(gè)施工環(huán)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)的變形進(jìn)行了有效控制，確保了施工過(guò)程的安全推進(jìn)。

（2）根據(jù)模擬仿真分析結(jié)果，在充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)安全及工程經(jīng)濟(jì)性的前提下，針對(duì)斜拉索張拉提出了采用“先長(zhǎng)索、后短索”“先初張、再精調(diào)”的基本方案。

（3）基于有限元模型分析結(jié)果，給出了該項(xiàng)目中的施工控制相關(guān)參數(shù)，保障了斜拉橋成橋后的準(zhǔn)確性和可靠性，以上施工控制經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似斜拉橋施工提供有益借鑒。

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