矮塔斜拉橋斜拉索滯后張拉技術(shù)研究

摘 要：本文對正在建設(shè)的彭水磨寨烏江特大矮塔斜拉橋進行研究，該橋主橋部分主跨為296m，全橋602m，主梁為單箱雙室變截面箱梁，為縮短工期，研究提出有索區(qū)節(jié)段采用“斜拉索滯后張拉”施工工藝。為保證研究結(jié)果的精確性，本研究運用Midas Civil有限元軟件，深入探討了4種不同的索、梁施工順序?qū)蛄褐髁簯?yīng)力和斜拉索索力的影響。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)施工順序選擇對橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與施工速度有顯著影響。本文總結(jié)了斜拉索不同張拉順序下橋梁應(yīng)力和索力的變化規(guī)律，并針對相關(guān)問題提出了實用性建議，有助于優(yōu)化施工方案，提高工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：矮塔斜拉橋；成橋索力；斜拉索；后滯張拉

中圖分類號：U 44" " " " " " 文獻標志碼：A

隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人們對出行和運輸?shù)男枨笕找嬖鲩L，推動了道路橋涵建造技術(shù)的飛速進步。目前，全球橋梁建設(shè)正朝著大跨度、低成本、高質(zhì)量的目標邁進。隨著橋梁工程研究的不斷深入，新型橋梁結(jié)構(gòu)、施工工藝和建筑材料層出不窮。其中，矮塔斜拉橋介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間，適用于100～300m的跨徑，具有經(jīng)濟、美觀、施工便捷等優(yōu)勢。

矮塔斜拉橋是介于斜拉橋與連續(xù)梁橋之間的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，兼具二者的優(yōu)點。與連續(xù)梁橋相比，矮塔斜拉橋拉索的豎向分力可以承擔主梁自身質(zhì)量引起的豎向荷載，減少主梁彎矩，縮小主梁截面面積，減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量[1]。斜拉索的水平分力可以為主梁提供一部分預(yù)壓應(yīng)力[2]，因此斜拉索具有傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力筋的功能。

1 工程概況

1.1 項目簡介

磨寨烏江特大橋位于彭水電站下游約4km處，起點岸位于彭水漢葭鎮(zhèn)平原村貓鼻梁，終點岸接磨寨隧道入口。磨寨烏江特大橋為K線和ZK線橋。K線為右線，ZK線為左線，左右線在直線段線間距為2.5m，曲線段為變化值。主橋整幅設(shè)計，引橋分幅設(shè)計，主橋設(shè)計基準線為左線，結(jié)構(gòu)中線為左線向內(nèi)側(cè)偏1.25m。曲線段橋梁墩臺徑向布置。主橋橋面寬為27.5m，最大橋高為230.1m，引橋單幅橋面寬為12.25m，設(shè)計路面高程為478.329～479.285m，設(shè)計橋面縱坡為-1.35%，0.08%，橋面橫坡2%～3%。

1.2 橋型布置

全橋孔跨：2×30m（簡支T梁引橋部分）+（153+296+153）m矮塔斜拉橋部分+40m（簡支T梁引橋部分）。主橋上部結(jié)構(gòu)采用部分斜拉橋，連續(xù)剛構(gòu)體系。主橋下部結(jié)構(gòu)主墩采用單肢空心薄壁墩，交界墩采用三柱式矩形高墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。引橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）T梁簡支體系。引橋下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，橋臺采用樁柱式橋臺，樁基礎(chǔ)。

1.3 主橋

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用大懸臂變高度單箱三室直腹板截面。箱梁頂板寬為27.5m，兩側(cè)懸臂板長4.0m，懸臂板端部厚為0.2m，根部厚為0.9m，底板寬度為19.5m。直線段橋面設(shè)2%的雙向橫坡，底板水平，通過邊、中腹板不等高處理，根據(jù)線路設(shè)計確定曲線段橫坡。主梁支點處梁高為14.0m，跨中梁高為5m，箱梁高度按1.8次拋物線變化，箱梁名義高度位置為結(jié)構(gòu)中心線處[3]。中跨直線段長為2m，邊跨直線段長為5.5m。底板厚度從根部的120cm按1.8次拋物線變化至端部斷面的32cm，頂板厚度為32cm。邊腹板厚度由1.0m變化至0.6m，中腹板厚度由1.0m變化至0.5m。全橋在梁端、0號塊和斜拉索主梁錨固點處均設(shè)置橫隔梁，其他位置不設(shè)置橫隔板。端橫梁厚2.5m，中橫梁兩道，每道2.5m，由于塔墩梁傳力需要，因此0號塊中室橫隔梁厚為12.5m，斜拉索主梁錨固點橫隔板中室厚為0.5m，邊室厚為0.3m。

索塔設(shè)計為實心矩形截面，雙塔雙索斜拉結(jié)構(gòu)，采用矩形鋼筋混凝土橋塔，主體高度為44.0m，塔端造型高度為13.5m。橋塔橫向?qū)挾葹?.5m，縱橋向底部寬度為12m，錨索區(qū)及上部寬度為8m，布置在中央分隔帶上。

主橋斜拉索采用鋼絞線斜拉索體系，單索面豎琴形布置。錨具采用夾片錨，橋塔索鞍處采用分絲管。全橋共4×21對拉索，拉索標準間距為5m。

2 主梁施工順序變更方案

2.1 原施工方案

原主梁施工方案：主梁采用掛籃懸臂對稱澆筑施工，主橋混凝土段最大懸臂長度為139m，共分33個梁段，在主梁0號塊上安裝掛籃，懸臂澆筑1號梁段，養(yǎng)生脫模，張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，然后張拉橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，最后張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，掛籃行走至2號梁段，重復(fù)1號梁段步驟，直至施工完7號梁段。掛籃行走至8號梁段，懸澆8號梁段，養(yǎng)生脫模后張拉縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，然后張拉8號梁段斜拉索，再張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。重復(fù)8號梁段步驟，直至施工完33號梁段。

原施工方案為安裝模板→澆混凝土→張拉預(yù)應(yīng)力鋼束→安裝斜拉索→張拉斜拉索→掛籃前移。為提升進度，引入“斜拉索滯后張拉”技術(shù)，推遲斜拉索的安裝張拉工序，實現(xiàn)斜拉索安裝與掛籃前移、模板安裝等工序并行。該技術(shù)推遲了斜拉索的安裝張拉工序，使斜拉索安裝與后續(xù)掛籃前移、模板安裝等工序并行。這種創(chuàng)新方法能有效縮短整體施工周期，通過并行作業(yè)提高施工效率，同時降低施工風險。在應(yīng)用中，須根據(jù)具體工程情況合理安排施工順序，保證施工質(zhì)量，保障安全，達到縮短工期的目的。

該項目計劃將斜拉索施工滯后１個施工階段，即將安裝并張拉斜拉索在施工完9#節(jié)段時進行。為進一步探討和驗證該施工方案的可行性，本文將分別研究斜拉索正常施工張拉情況下、后滯1施工階段張拉情況下、后滯2施工階段張拉情況下、滯后3施工階段張拉情況下對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，包括施工過程中對主梁0號塊、主梁1/8、主梁1/4、主梁3/8、主梁1/2處的應(yīng)力和撓度的影響以及對斜拉索索力的影響。

2.2 變更后主梁施工方案

主梁采用掛籃懸臂對稱澆筑施工，滯后一個節(jié)段張拉斜拉索，主橋混凝土段最大懸臂長度為139m，共分33個梁段，在主梁0號塊上安裝掛籃，懸臂澆筑1號梁段，養(yǎng)生脫模，先張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，然后張拉橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，最后張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，掛籃行走至2號梁段，重復(fù)1號梁段步驟，直至施工完7號梁段。掛籃行走至8號梁段，懸澆8號梁段，養(yǎng)生脫模后張拉縱橫豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，掛籃行走至9號節(jié)段，然后張拉斜拉索。重復(fù)8號梁段步驟，直至施工完33號梁段。

3 仿真計算

本節(jié)主要研究斜拉索滯后施工對主梁0號塊、主梁1/8、主梁1/4、主梁3/8、主梁1/2處的應(yīng)力和撓度的影響以及對斜拉索索力的影響。使用Midas有限元軟件建立矮塔斜拉橋全橋三維桿系模型，根據(jù)施工圖紙詳細添加各施工階段，并對其進行計算分析。考慮4個不同工況：正常張拉斜拉索、后滯1施工階段、后滯2施工階段、后滯3施工階段。

修改模型施工階段斜拉索的順序，分別將首根斜拉索S1掛索階段滯后于9#節(jié)段掛籃推進后，10#節(jié)段掛籃和11#節(jié)段掛籃推進后，其他拉索順應(yīng)相對后延，分別得到相對應(yīng)的后滯1、2、3施工階段模型，考慮結(jié)構(gòu)在具體的施工過程中存在變形影響，若采用線性分析，則會忽略施工過程中結(jié)構(gòu)自身的變形，導(dǎo)致分析誤差變大[4]。為使計算更加精確，建立模型時將采用幾何非線性分析，時刻考慮各個施工過程中，主梁的變形影響對整體運算分析帶來的影響。計算分析后的結(jié)果如下。

3.1 后滯施工對主跨箱梁截面應(yīng)力的影響

施工監(jiān)控是一個全面的過程，為保證工程能夠順利進行和對后滯施工階段的研究的精確性，研究采用Midas模型提取主跨各施工節(jié)段的箱梁截面上下緣處最大應(yīng)力，并對其進行對比。箱梁截面上緣應(yīng)力如圖1所示，主梁特征截面上緣應(yīng)力表見表1。

在應(yīng)用Midas Civil模型的計算中，若應(yīng)力為負，則為壓應(yīng)力，若應(yīng)力為正，則為拉應(yīng)力，從圖中可以看到，在整體施工完畢后，各施工節(jié)段的截面上緣應(yīng)力全為壓應(yīng)力。根據(jù)Midas Civil對4種施工工況下進行計算的結(jié)果可得知，正常施工時，主跨特征截面上緣最大壓應(yīng)力為14.2MPa，最小為4.46MPa。后滯1施工階段時，主跨特征截面上緣最大壓應(yīng)力為13.65MPa，最小為4.70MPa。后滯2施工階段時，主跨特征截面上緣最大壓應(yīng)力為13.10MPa，最小為4.70MPa。后滯3施工階段時，主跨特征截面上緣最大壓應(yīng)力為12.40MPa，最小為4.70MPa，均符合該類型橋梁截面上緣應(yīng)力的預(yù)期要求。在不同的后滯施工階段條件下，3者的主跨截面上緣應(yīng)力變化趨勢與正常施工一致，無索區(qū)時，3者的截面上緣應(yīng)力基本上與正常施工模型應(yīng)力相同，但在進入有索區(qū)后，隨著后滯張拉發(fā)生，大部分截面上緣壓應(yīng)力都有減少的趨勢。以后滯1施工階段為例進行原因分析，施工到9#節(jié)段時，8#節(jié)段雖張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，但并未掛索，然后在該狀態(tài)下懸澆9#節(jié)段，預(yù)應(yīng)力鋼束未張拉，且該矮塔斜拉橋的混凝土箱梁截面比連續(xù)剛構(gòu)橋截面梁高小，因此，在此情況下，懸澆9#節(jié)段會對8#截面上緣壓應(yīng)力產(chǎn)生削弱作用，根據(jù)計算結(jié)果可得知，削弱幅度在后滯張拉斜拉索發(fā)生后的2個施工節(jié)段內(nèi)達到最大，約為14%～17%，且經(jīng)過對比分析后發(fā)現(xiàn)，削弱幅度隨后滯施工階段數(shù)增加而增加。在后續(xù)的施工節(jié)段內(nèi)，將斜拉索安裝并張拉后，8#截面上緣壓應(yīng)力會回升，但與正常施工階段相比仍有下降。同理，其他有索區(qū)節(jié)段截面的上緣壓應(yīng)力也比正常施工情況有所減少[5]。

箱梁截面下緣應(yīng)力如圖2所示，主梁特征截面下緣應(yīng)力見表2。截面下緣應(yīng)力在整體施工完畢后同樣也處于受壓狀態(tài)，提取結(jié)果后可發(fā)現(xiàn)，正常施工時，主跨特征截面下緣最大壓應(yīng)力為9.66MPa，最小為4.49MPa；后滯1施工階段時，主跨特征截面下緣最大壓應(yīng)力為9.49MPa，最小為5.54MPa；后滯2施工階段時，主跨特征截面下緣最大壓應(yīng)力為9.49MPa，最小為5.78MPa；后滯3施工階段時，主跨特征截面下緣最大壓應(yīng)力為9.5MPa，最小為6.05MPa。至此可大致認為在本次研究中的后滯1、2、3施工階段中，均可讓主跨各施工節(jié)段截面處于全截面受壓狀態(tài)，符合該橋梁體系需要達到的預(yù)期效果。而不同于截面上緣的應(yīng)力變化，由應(yīng)力影響分析圖中可得知，隨著后滯張拉階段數(shù)提升，截面下緣壓應(yīng)力在有索區(qū)節(jié)段截面有變大的趨勢，在后滯施工工程中，斜拉索后滯張拉，懸澆截面引起的彎矩在截面上緣使壓應(yīng)力減少，但在截面下緣將會導(dǎo)致壓應(yīng)力增加，且在后滯3施工階段內(nèi)，隨著后滯張拉階段數(shù)上升，與正常施工情況下的增長幅度相比，截面下緣壓應(yīng)力會相對應(yīng)增加[6]。

3.2 后滯施工對主跨撓度及相關(guān)位移影響分析

為研究后滯施工對橋梁成橋應(yīng)用時的影響，本文將橋梁主跨作為研究對象，研究不同后滯施工工況下主跨上各節(jié)點的撓度。主跨撓度分析對比如圖3所示，主跨特征節(jié)點撓度表格見表3。

根據(jù)經(jīng)驗以及提取Midas Civil的計算結(jié)果可得知，正常施工時的橋梁主跨節(jié)點最大撓度為15.88cm，后滯1施工階段時對應(yīng)的主跨最大撓度為15.19cm，后滯2施工階段時主跨最大撓度為11.19cm，后滯3施工階段時主跨最大撓度為5.96cm。再根據(jù)上述撓度對比分析圖，可認為后滯施工與正常施工在成橋后主跨上的撓度變化趨勢一致。在無索區(qū)節(jié)段，4種工況下的撓度幾乎一致，但不同的后滯施工階段將會引起主跨有索區(qū)節(jié)段撓度發(fā)生明顯變化。與正常的施工順序相比，后滯1施工階段時，主跨的撓度有略微增長趨勢，但最大撓度比正常施工時減少，而后滯2，3階段施工時，隨著后滯施工階段數(shù)增加，撓度的減少趨勢就越明顯。后滯1施工階段與正常施工相比，最大撓度減少幅度為4.35%，后滯2施工階段與正常施工相比，最大撓度削弱幅度為29.53%，后滯3施工階段相與正常施工相比，最大撓度削弱幅度為62.47%，與正常施工相比。

3.3 后滯施工對全橋斜拉索索力影響

斜拉橋施工監(jiān)控的核心為斜拉索的索力，索力是否合理決定了橋梁的施工運營能否正常進行[7]，因此，為進一步研究后滯施工對橋梁的受力影響，本研究將不同的后滯工況與正常施工順序進行對比，并對后滯施工對成橋索力的影響進行對比分析。

在Midas模型中使用桁架單元模擬斜拉橋拉索，提取應(yīng)力結(jié)果。由于每組斜拉索的應(yīng)力差異不大，因此，本文只提取一組斜拉索索力，并列出表格作為論述依據(jù)，后滯施工對全橋斜拉索應(yīng)力影響如圖4所示，斜拉索應(yīng)力對比見表4。

從上述斜拉索的索力、應(yīng)力分析圖以及表格中可以發(fā)現(xiàn)，后滯1施工階段對斜拉索索力影響不明顯，但隨著后續(xù)后滯施工階段數(shù)增加，斜拉索的索力與應(yīng)力變化幅度越大，且后滯施工對長索處的內(nèi)力應(yīng)力影響幅度遠大于短索影響幅度，以本施工實例中最長索S21的應(yīng)力與最短索S1為例，對其進行計算，對最長索S21來說，后滯1施工階段時的斜拉索應(yīng)力減少幅度約為0%，后滯2施工階段斜拉索應(yīng)力的減少幅度為2.54%，后滯3施工階段斜拉索應(yīng)力的減少幅度為5.22%。而對最短索S1來說，后滯1施工階段時斜拉索應(yīng)力的增加幅度約為0.22%，后滯2施工階段斜拉索應(yīng)力的增加幅度為0.82%，后滯3施工階段斜拉索應(yīng)力的增加幅度為1.30%。造成上述現(xiàn)象的原因可能有兩方面：長索本身應(yīng)力大于短索；張拉順序是由短索到長索，該過程帶來累加效應(yīng)[8]。

由圖中得可知，斜拉索最大應(yīng)力為正常施工階段的邊跨S21拉索，應(yīng)力為 366.75MPa，根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3365-01—2020）的規(guī)定，磨寨烏江橋中使用的1860斜拉索的抗拉強度設(shè)計值為1005MPa。對短暫狀況來說，其抗拉強度設(shè)計值提高了25%，斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系修正系數(shù)φd為1.5，其他結(jié)構(gòu)體系的φd為1.0。根據(jù)公式可得出，斜拉索抗拉強度允許值為1005×1.25×1.5/1.1=1713 MPa[4]。在正常施工與各后滯施工工況下，斜拉索應(yīng)力最大值均在強度允許值中，因此，可認為在彭水磨寨烏江特大矮塔斜拉橋?qū)嶋H施工過程中，后滯施工三階段內(nèi)，斜拉索的索力符合預(yù)期要求。

4 結(jié)論

本文依托彭水磨寨烏江特大矮塔斜拉橋，探討了矮塔斜拉橋不同斜拉索滯后張拉工況下的受力性能及相關(guān)位移變化。得出以下主要結(jié)論。1）與正常施工情況相比，在后滯3個施工階段內(nèi)，不會影響主橋混凝土箱梁截面全截面受壓狀態(tài)，符合工程預(yù)期要求。但會使主橋有索區(qū)混凝土截面上緣壓應(yīng)力減少，下緣壓應(yīng)力增加。2）與正常施工情況相比， 在后滯3個施工階段內(nèi)，主橋的相關(guān)位移變化趨勢一致，無索區(qū)時，與正常施工相比，后滯施工對位移影響較小，有索區(qū)時，隨著后滯施工階段數(shù)增加，對相關(guān)位移的影響也相應(yīng)增加。3）與正常施工情況相比，后滯3個施工階段內(nèi)對全橋索力的影響隨著后滯施工的階段數(shù)地增加而增加，對長索后滯施工會造成成橋索力減少，但對短索成橋索力則會增加。在彭水磨寨烏江特大矮塔斜拉橋?qū)嵗?，后滯施工三階段內(nèi)斜拉索的索力符合預(yù)期要求。

綜上所述，在該實際工程中，可采用滯后張拉斜拉索的方式，可以加快施工速度，為保障施工安全，保證結(jié)構(gòu)受力性能穩(wěn)定，建議采用后滯1施工階段進行施工。

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通信作者：包立新（1968—），男，漢族，安徽池州人，博士，教授，研究方向為橋梁施工技術(shù)。

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