混合式組合梁斜拉橋參數(shù)分析與施工控制

張玉平， 徐先鵬*， 李香梅， 楊勝江

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2.貴州交通建設(shè)集團有限公司， 貴州 貴陽 550001)

斜拉橋施工控制的目的，是使成橋后結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)(受力和線形)最大程度地逼近設(shè)計理想的狀態(tài)。斜拉橋作為高次超靜定結(jié)構(gòu)，對其進行施工控制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，多種因素均可能對施工控制結(jié)果產(chǎn)生重要影響[1]。唐啟[2]深入研究了組合梁斜拉橋施工控制參數(shù)的敏感性；李忠三[3]等分析了混合梁斜拉橋各設(shè)計參數(shù)的敏感性，應(yīng)用到施工控制中取得了良好的效果；羅微巍[4]等通過有限元仿真分析明確了溫度參數(shù)對混合式組合梁斜拉橋成橋狀態(tài)的影響。而針對混合式組合梁斜拉橋在施工控制中對索力和主梁重量的參數(shù)分析，研究較少，目前尚無對掛籃過輔助墩懸臂長度的參數(shù)研究。

混合梁斜拉橋的施工多以邊跨混凝土梁支架現(xiàn)澆、中跨鋼梁懸拼為主，例如鄂東長江公路大橋、佛山奇龍大橋等[5-6]。也有混合梁斜拉橋主梁采用“不對稱雙懸臂”方案施工，即邊跨混凝土梁采用牽索掛籃懸臂澆筑施工，中跨鋼-混疊合梁采用吊機懸臂拼裝施工，目前已建成的采用此類不對稱雙懸臂施工方案的混合梁斜拉橋僅有川藏公路迫龍溝特大橋，該橋橋?qū)?3.8 m，主跨跨徑430 m，于2016年通車[7-9]。但是未見相關(guān)文獻對迫龍溝特大橋進行過參數(shù)分析研究，并且對于采用同類施工方案的混合梁斜拉橋，其建設(shè)經(jīng)驗和研究資料均較少，對于橋?qū)捀鼘挕⒖缍雀蟮那闆r，由于橋塔兩側(cè)更大不對稱荷載的存在，其施工控制將變得更為重要，在施工控制過程中需要注意哪些問題，值得研究。鑒于此，該文以廣東某36 m橋?qū)?30 m主跨的混合式組合梁斜拉橋為工程背景，從施工控制的角度出發(fā)，基于有限元建模計算分析，探討混合式組合梁斜拉橋在不對稱雙懸臂施工下的斜拉索索力、主梁重量以及掛籃過輔助墩懸臂長度等參數(shù)的施工控制要求。

1 工程背景

某雙塔混合式組合梁斜拉橋，跨徑布置為(56.8+131.2+530+131.2+56.8) m，邊中跨比約0.355，全長906 m。中跨采用組合梁，邊跨采用混凝土梁，鋼混結(jié)合部位于中跨過主塔8.75 m處。主梁采用半封閉箱梁斷面形式，中心梁高3.5 m，橋面總寬36 m。A形索塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，斜拉索共4×24對，中跨索距10.5 m，邊跨索距7.2/7.0 m，采用鋅鋁合金鍍層高強鋼絲斜拉索。斜拉索自主塔向兩側(cè)編號，邊跨拉索依次編號為B1，B2，…，B24；中跨拉索依次編號為Z1，Z2，…，Z24，所有斜拉索均在塔上張拉。施工階段在邊跨側(cè)距索塔中心62 m處設(shè)置有施工臨時輔助墩，在中跨合龍之后拆除。斜拉橋立面布置圖見圖1。

圖1 斜拉橋立面布置圖(單位：m)

該橋塔區(qū)主梁采用支架現(xiàn)澆施工，邊跨混凝土梁采用牽索掛籃澆筑，中跨組合梁采用橋面吊機吊裝，邊中跨同時“雙懸臂施工”。一個標準梁段的施工流程圖見圖2。

圖2 標準梁段施工流程圖

2 有限元模型的建立

根據(jù)全橋的施工方案，采用FBR_CAL_SUO有限元軟件[10]建立了全橋平面桿系計算模型，全橋共有1 106個單元，1 067個節(jié)點。全橋的結(jié)構(gòu)離散圖見圖3。計算模型中主梁、主塔及樁墩均采用梁單元進行模擬，并考慮實際結(jié)構(gòu)尺寸和剛度。斜拉索采用僅受拉單元進行模擬，通過剛性連接的方式與主梁錨固點和主塔錨固點連接。該橋為半漂浮體系，塔梁支撐邊界條件在施工過程中約束全部自由度，體系轉(zhuǎn)換后釋放水平約束及轉(zhuǎn)動約束。在主梁與過渡墩和輔助墩連接處施加豎向約束。

圖3 斜拉橋有限元模型

3 參數(shù)分析與施工控制

3.1 斜拉索索力

在雙懸臂施工過程中，最不利荷載工況為中跨起吊組合梁。故選擇組合梁起吊前后的超張拉和退張拉索力以及成橋后的最終調(diào)索索力進行參數(shù)分析，探討雙懸臂施工下的混合式組合梁斜拉橋超張拉、退張拉索力和最終調(diào)索索力是否需要更為嚴格的施工精度和施工控制標準。

(1) 中跨斜拉索超張拉索力

選取中跨斜拉索超張拉索力為變化量，在設(shè)計索力基礎(chǔ)上增加8%、5%、3%、1%，其他結(jié)構(gòu)計算參數(shù)均不變，計算得到成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的變化[11]見表1和圖4。

從表1可知:當(dāng)斜拉索超張拉索力逐漸增加時，成橋狀態(tài)下的主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)并不敏感，主塔應(yīng)力、塔頂偏位和斜拉索成橋索力波動均很小，唯有主梁豎向位移變化量隨超張拉索力的增加而增加。從圖4可知:由于邊跨混凝土梁自重大，起到了很好的壓重和錨固作用，所以超張拉索力的變化對邊跨混凝土梁線形影響很小，而對于中跨組合梁，其線形隨著懸臂長度的增加，相應(yīng)梁段的位移逐漸增大，在跨中處達到最大值，且超張拉索力增量越大，中跨組合梁位移變化量越大。

圖4 中跨斜拉索超張拉索力變化對成橋線形和索力的影響

表1 斜拉索超張拉索力變化下成橋狀態(tài)主要計算結(jié)果對比

該橋主跨530 m，根據(jù)JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》[12](以下簡稱“評定標準”)中規(guī)定：組合梁斜拉橋成橋狀態(tài)梁頂高程與理論值誤差應(yīng)在±L/10 000以內(nèi)，該橋中跨組合梁即為5.3 cm；混凝土梁斜拉橋成橋狀態(tài)梁頂高程與理論值誤差應(yīng)在±L/5 000以內(nèi)，對該橋邊跨混凝土梁即為10.6 cm。當(dāng)超張拉索力增加8%時，中跨組合梁豎向位移最大變化量達到8.6 cm，超過了“評定標準”規(guī)定的允許值。當(dāng)超張拉索力增量為5%時，中跨組合梁豎向位移最大變化量為5.3 cm，并且此時結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化量和塔偏變化量均很小。因此，該橋斜拉索超張拉索力施工精度應(yīng)控制在5%以內(nèi)。

(2) 中跨斜拉索退張拉索力

選取中跨斜拉索退張拉索力為變化量，在設(shè)計索力基礎(chǔ)上增加5%、3%、2%、1%，其他結(jié)構(gòu)計算參數(shù)均不變，計算得到成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的變化如表2及圖5所示。

表2 斜拉索退張拉索力變化下成橋狀態(tài)主要計算結(jié)果對比

從表2可知：斜拉索退張拉索力逐漸增加時，鋼主梁和主塔的最不利應(yīng)力均呈減小趨勢，而橋面板的最不利應(yīng)力在逐漸增加，在索力增加5%時增量為1.19 MPa，索力未增加前成橋狀態(tài)橋面板最大壓應(yīng)力為10.64 MPa，增加后變?yōu)?1.83 MPa，因此不構(gòu)成控制因素，混凝土梁的最不利應(yīng)力和塔偏增量均較小。從圖5可知：退張拉索力的變化對邊跨混凝土梁線形的影響很小，對于中跨組合梁，其線形變化趨勢一開始隨著懸臂長度的增加，相應(yīng)梁段的位移逐漸增大，在Z20梁段處達到最大值，之后隨著懸臂長度的增加而快速下降，在跨中處接近于0，超張拉索力增量越大，中跨組合梁位移變化量也越大。這是因為在邊中跨雙懸臂施工過程中，永久輔助墩在邊跨B20梁段施工后完成了與主梁的連接，增加了邊跨的剛度，約束了主塔的變形，對主梁的位移起到了限制作用。斜拉索退張拉索力的變化對成橋索力的影響很小，當(dāng)退張拉索力增加5%后，成橋索力變化最大差值為73.5 kN，最大變化幅度僅為1.4%。

圖5 中跨斜拉索退張拉索力變化對成橋線形和索力的影響

退張拉索力增加時，對中跨主梁豎向位移的影響比超張拉索力增加時更大。在退張拉索力增加5%時，中跨組合梁豎向位移最大變化量就有15.4 cm，遠遠超過了“評定標準”規(guī)定的允許值。但退張拉索力增量為1%時，中跨組合梁豎向位移最大變化量為3.1 cm，并且此時結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化量和塔偏變化量均很小。因此，該橋斜拉索退張拉索力施工精度應(yīng)控制在1.5%以內(nèi)。

(3) 全橋斜拉索最終調(diào)索索力

選取全橋斜拉索最終調(diào)索索力為變化量，在設(shè)計索力基礎(chǔ)上增加5%、3%、 1%，其他結(jié)構(gòu)計算參數(shù)均不變，計算得到成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的變化如表3及圖6所示。

從表3可知：最終調(diào)索索力逐漸增加時，對成橋狀態(tài)下主梁和主塔的應(yīng)力影響很小，對線形的影響卻很大。從圖6可知：最終調(diào)索索力的變化對邊跨混凝土梁線形的影響很小，對于中跨組合梁，其線形隨著懸臂長度的增加，相應(yīng)梁段的位移逐漸增大，在跨中處達到最大值，且最終調(diào)索索力增量越大，中跨組合梁位移變化量也越大。最終調(diào)索索力的變化對成橋索力影響較大，當(dāng)最終調(diào)索索力增加5%時，索力最大差值為293 kN，變化幅度為4.58%。

表3 斜拉索最終調(diào)索索力變化下成橋狀態(tài)主要計算結(jié)果對比

圖6 全橋斜拉索最終調(diào)索索力變化對成橋線形和索力的影響

對比超張拉、退張拉和最終調(diào)索的索力分別增加5%的情況，主塔塔偏的最大變化量依次為0、1.6、8.4 cm；中跨主梁豎向位移的最大變化量依次為5.3、15.4、32.7 cm。由此可見，越接近成橋的索力工況，對成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)線形的影響更大。但無論是中跨斜拉索超張拉或退張拉索力還是全橋斜拉索最終調(diào)索索力，索力的變化對邊跨混凝土梁線形的影響都十分有限，說明邊跨混凝土梁主要起錨固梁作用，對索力的變化并不敏感。當(dāng)最終調(diào)索索力增加1%時，雖然成橋狀態(tài)下主梁和主塔的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)很小，但是中跨組合梁豎向位移最大變化量卻有6.5 cm，超過了“評定標準”規(guī)定的允許值。因此，對于斜拉索最終調(diào)索索力施工精度，應(yīng)對其進行嚴格控制。

由以上對索力的參數(shù)分析可知：該橋中跨線形對索力變化非常敏感，因此，在該橋施工控制過程中，應(yīng)以“線形控制為主，索力控制為輔”。

3.2 主梁重量

參考已往的斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)分析文獻，發(fā)現(xiàn)主梁重量是影響斜拉橋結(jié)構(gòu)行為的最重要和最敏感參數(shù)之一[13]。對于混合梁斜拉橋，有著邊跨重中跨輕的結(jié)構(gòu)特點，無論是邊跨混凝土梁超方導(dǎo)致的梁段超重，還是中跨鋼箱梁制造誤差以及焊縫誤差引起的超重，都會對結(jié)構(gòu)行為產(chǎn)生重要的影響。

(1) 邊跨混凝土梁重量

選取邊跨混凝土梁重量為變化量，在設(shè)計重量基礎(chǔ)上增加8%、5%、3%、 1%，其他結(jié)構(gòu)計算參數(shù)均不變，計算得到成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的變化如表4及圖7所示。

表4 混凝土梁重量變化下成橋狀態(tài)主要計算結(jié)果對比

圖7 邊跨混凝土梁重量變化對成橋線形和索力的影響

從表4可知:混凝土梁重量逐漸增加時，結(jié)構(gòu)的最不利應(yīng)力都在增大，主塔塔偏最大變化量急劇增加。從圖7可知：混凝土梁重量增加對邊跨和中跨的線形都有著較大的影響?；炷亮褐亓吭黾?%后，其邊跨主梁豎向位移最大變化量有14.3 cm，中跨主梁豎向位移最大變化量也有12 cm，主塔塔偏的最大變化量更是達到了23.9 cm，因此混凝土梁重量是影響成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的一個敏感性因素?；炷亮褐亓康淖兓瘜Τ蓸蛩髁τ绊戄^大，當(dāng)混凝土梁重量增加5%時，索力最大差值為191.9 kN，變化幅度為4.08%。

在混凝土梁重量增加5%時，中跨組合梁豎向位移最大變化量有7.5 cm，大于“評定標準”要求的5.3 cm，主梁線形超出了規(guī)范允許值。當(dāng)混凝土梁重量增加3%時，邊跨混凝土梁豎向位移最大變化量為5.4 cm，小于“評定標準”要求的10.6 cm，中跨組合梁豎向位移最大變化量為4.5 cm，小于“評定標準”要求的5.3 cm，滿足施工控制精度要求。所以該橋混凝土梁重量的施工精度，應(yīng)控制在3%以內(nèi)，根據(jù)重量換算成主梁截面板厚，即混凝土梁板厚平均誤差應(yīng)控制在1 cm以內(nèi)。

考慮到混凝土梁在施工過程中很容易由漲模導(dǎo)致板厚產(chǎn)生偏差，在前幾個梁段懸臂澆筑時，一定要通過參數(shù)識別和反饋分析來確定實際板厚的平均超厚情況，以便采取相應(yīng)的措施[14]。

(2) 中跨組合梁重量

選取中跨組合梁重量為變化量，在設(shè)計重量基礎(chǔ)上增加5%、3%、1%、0.6%，其他結(jié)構(gòu)計算參數(shù)均不變，計算得到成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的變化如表5及圖8所示。

表5 組合梁重量變化下成橋狀態(tài)主要計算結(jié)果對比

圖8 中跨組合梁重量變化對成橋線形和索力的影響

從表5可知：中跨組合梁重量逐漸增加時，除了橋面板最大壓應(yīng)力有所減小，其他結(jié)構(gòu)的最不利應(yīng)力都在相應(yīng)增大，主塔塔偏和主梁豎向位移的最大變化量均大幅度增加。所以組合梁重量也是影響成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和線形的一個敏感性因素，其敏感性要大于混凝土梁重量。從圖8可知：組合梁重量對中跨主梁線形影響極大，組合梁重量增加5%時，中跨主梁豎向位移最大變化量達到了40.4 cm。組合梁重量的變化對成橋索力影響也很大，當(dāng)組合梁重量增加5%時，索力最大差值為319 kN，變化幅度達到6%。

當(dāng)組合梁重量增加0.6%時，邊跨混凝土梁豎向位移最大變化量為1 cm，小于“評定標準”要求的10.6 cm，中跨組合梁豎向位移最大變化量為4.9 cm，小于“評定標準”要求的5.3 cm，滿足施工控制精度要求。所以該橋組合梁重量的施工精度，應(yīng)控制在0.6%以內(nèi)。組合梁由鋼主梁和橋面板兩部分構(gòu)成。對于鋼主梁，考慮到預(yù)制時廠家的制造誤差以及現(xiàn)場施工時的焊縫誤差，因此宜對鋼梁重量進行逐段稱重，在梁重實際值與理論值有較大偏差的情況下需根據(jù)實際情況對梁段的拼裝線形進行相應(yīng)的調(diào)整[1]。對于橋面板，由于組合梁重量對成橋線形影響極大，應(yīng)在橋面板預(yù)制過程中嚴格控制板厚，減少出現(xiàn)超重現(xiàn)象。

3.3 掛籃過輔助墩懸臂長度

為了減小主梁最大雙懸臂長度，該橋在邊跨設(shè)置有施工臨時輔助墩，位于B8節(jié)段下方，臨時墩與主梁連接后，可有效約束施工過程中主塔的變形，顯著降低主塔的受力及位移[15]；還設(shè)置有永久輔助墩(位于B18節(jié)段下方)來提高橋梁整體剛度并承擔(dān)邊跨的壓重。原設(shè)計圖紙施工流程中為方便邊跨牽索掛籃的移動與架設(shè)，在掛籃分別懸臂通過施工臨時輔助墩和永久輔助墩兩個梁段后，再澆筑各自輔助墩的剩余墩身，安裝永久支座讓主梁與施工臨時輔助墩或永久輔助墩形成連接，并搭設(shè)落地支架澆筑輔助墩頂橫梁后澆混凝土。但是施工臨時輔助墩和永久輔助墩的剩余墩身以及永久輔助墩墩頂橫梁的施工周期較長，掛籃僅僅過輔助墩懸臂兩個梁段可能導(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)出現(xiàn)較嚴重的“窩工”情況，進而影響工期。所以，有必要對增加掛籃過輔助墩懸臂長度的情況進行參數(shù)分析。

(1) 掛籃過施工臨時輔助墩懸臂長度

針對掛籃過施工臨時輔助墩懸臂長度進行計算論證，主要計算結(jié)果見表6及圖9。其中：方案1是原設(shè)計方案的掛籃懸臂通過臨時墩2個梁段后主梁再與臨時墩形成連接；方案2是掛籃懸臂通過臨時墩3個梁段后主梁再與臨時墩形成連接；方案3是掛籃懸臂通過臨時墩4個梁段后主梁再與臨時墩形成連接。

表6 3種過臨時墩方案的施工過程主要計算結(jié)果對比

(注：負值為邊跨側(cè)，正值為中跨側(cè))

從表6可以看出：3種過臨時墩方案施工過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均符合規(guī)范要求。邊跨主梁與施工臨時墩連接前的最不利工況為最大懸臂梁段中跨起吊組合梁，此時塔偏最大(往中跨方向)且下塔柱壓應(yīng)力儲備最小。從表6、圖9中知：3種方案下邊跨主梁連接臨時墩前主塔最大縱橋向偏位隨著懸臂長度的加大而變大，下塔柱壓應(yīng)力儲備隨懸臂長度的加大而變小。其中方案3(懸臂4個梁段)塔頂偏位達到20.8 cm，下塔柱最小壓應(yīng)力儲備為1.47 MPa。

該橋地處臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，施工過程中風(fēng)荷載會對橋梁產(chǎn)生不利影響，有時還可能會加大最不利工況下的塔頂偏位，導(dǎo)致塔柱壓應(yīng)力儲備變小甚至在極限狀態(tài)下出現(xiàn)拉應(yīng)力。而且連接施工臨時墩前主梁懸臂長度對塔偏影響大，此時塔柱壓應(yīng)力儲備小，所以不宜增加掛籃過臨時墩的懸臂長度，應(yīng)采用設(shè)計方案即方案1：在雙懸臂狀態(tài)下掛籃過施工臨時墩最大懸臂長度應(yīng)控制在2個梁段(B9梁段施工完成且橋面吊機和掛籃前移后)。并且在雙懸臂施工狀態(tài)下，應(yīng)控制好塔柱兩邊的重量差，特別是在未連接臨時墩前的最大懸臂梁段施工時。

(2) 掛籃過永久輔助墩懸臂長度

針對掛籃過永久輔助墩懸臂長度進行計算論證，主要計算結(jié)果見圖10、表7。其中，方案1是原設(shè)計方案的掛籃懸臂通過永久墩2個梁段后主梁再與永久墩形成連接；方案2是掛籃懸臂通過永久墩3個梁段后主梁再與永久墩形成連接；方案3是掛籃懸臂通過永久墩4個梁段后主梁再與永久墩形成連接。

(注：負值為邊跨側(cè)，正值為中跨側(cè))

在掛籃過永久輔助墩時，因為在已施工梁段B8下方連接有施工臨時墩，而臨時墩能在一定程度上限制主塔的變形。從圖10、表7可知：在邊跨主梁過永久輔助墩時塔柱有一定的壓應(yīng)力儲備，增加一個懸臂梁段對塔偏和塔應(yīng)力的影響較掛籃過臨時輔助墩時小，過永久輔助墩的3種施工方案，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力均符合規(guī)范要求，由于此時主塔壓應(yīng)力較掛籃過施工臨時輔助墩時儲備大些，所以可采用方案3：掛籃懸臂通過永久輔助墩4個梁段(B21梁段施工完成且橋面吊機和掛籃前移后)主梁再與永久墩形成連接。但是3種方案下連接永久墩前的塔頂最大偏位都很大，維持在23 cm左右，施工過程中應(yīng)嚴格控制施工臨時荷載和橋頂偏位，采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施，保證施工安全。

表7 3種過永久墩方案的施工過程主要計算結(jié)果對比

4 結(jié)論

(1) 該橋中跨斜拉索超張拉索力應(yīng)控制在5%以內(nèi)，中跨斜拉索退張拉索力應(yīng)控制在1.5%以內(nèi)，全橋斜拉索最終調(diào)索索力應(yīng)控制在1%以內(nèi)。斜拉索索力的參數(shù)分析結(jié)果表明：越接近成橋的索力工況，對成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)線形的影響越大；和中跨相比，邊跨混凝土主梁線形對索力的變化不敏感。在施工控制過程中，該橋應(yīng)以線形控制為主，索力控制為輔。

(2) 主梁重量對混合式組合梁斜拉橋成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)行為有顯著影響，中跨組合梁重量的敏感性要大于邊跨混凝土梁重量。該橋混凝土梁重量的施工精度應(yīng)控制在3%以內(nèi)，即混凝土梁板厚平均誤差應(yīng)控制在1 cm以內(nèi)；組合梁重量應(yīng)控制在0.6%以內(nèi)，在梁重實際值與理論值有較大偏差的情況下應(yīng)根據(jù)實際情況對索力和梁段的拼裝線形進行相應(yīng)的調(diào)整。

(3) 在雙懸臂施工過程中，掛籃過施工臨時輔助墩懸臂長度對塔偏影響大，此時塔柱壓應(yīng)力儲備小，不宜增加懸臂長度，所以掛籃過臨時墩最大懸臂長度應(yīng)控制在2個梁段；掛籃過永久輔助墩時，由于已有臨時墩限制主塔的變形，塔柱也有一定的壓應(yīng)力儲備，增加2個懸臂梁段對塔偏和塔應(yīng)力的影響較小，所以掛籃過永久輔助墩最大懸臂長度可適當(dāng)增加，最大可控制在4個梁段。為保證施工安全，在雙懸臂施工狀態(tài)下，應(yīng)控制好塔柱兩邊的重量差。