斜拉—連續(xù)組合橋梁主梁一次落架施工關(guān)鍵控制參數(shù)分析

■陳建峰

（廈門路橋百城建設(shè)投資有限公司，廈門 361000）

無應(yīng)力狀態(tài)控制法理論[1]，指在保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元的無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率的前提下，結(jié)構(gòu)的最終內(nèi)力和位移與結(jié)構(gòu)的形成過程無關(guān)。 無應(yīng)力狀態(tài)控制法適用于線性結(jié)構(gòu)（包括幾何線性、材料線性和約束線性），并要求施工過程中構(gòu)件的無應(yīng)力線形不變。 因此，也可以從構(gòu)件的角度來論述無應(yīng)力狀態(tài)控制法：構(gòu)件初始參數(shù)和結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)之間具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 但在實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常包括一些非線性構(gòu)件，如混凝土主塔（考慮收縮徐變時(shí)，混凝土為材料非線性）、超長斜拉索（幾何非線性）等。 當(dāng)結(jié)構(gòu)非線性影響較小時(shí)，無應(yīng)力狀態(tài)控制法仍然適用。 無應(yīng)力狀態(tài)控制法已成功應(yīng)用于多座橋梁，如廈漳跨海大橋北汊主橋（鋼箱梁）[2]、南汊主橋（組合梁）[3]、江順大橋（混合梁）[4]等。 這些文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了無應(yīng)力狀態(tài)控制法在懸臂施工斜拉橋梁施工監(jiān)控中的應(yīng)用流程，但無應(yīng)力狀態(tài)控制法應(yīng)用于主梁支架施工的案例很少。 福建省龍巖市上杭縣潭頭大橋?yàn)閱嗡旌狭盒崩B續(xù)組合橋梁，塔梁墩固結(jié)。 混合梁采用主梁一次落架施工，即：與常規(guī)的懸臂施工不同，主梁采用支架澆筑或拼裝，拉索安裝完成后，拆除所有主梁支架。 通常斜拉橋的主梁一次落架施工過程中，主梁會(huì)隨斜拉索的張拉出現(xiàn)與支架脫空的現(xiàn)象，支架對(duì)主梁約束非線性。 項(xiàng)純夫[5]采用脫架系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響矩陣進(jìn)行修正，但計(jì)算過程比較復(fù)雜。 潭頭大橋調(diào)整施工順序，在斜拉索張拉前澆筑鋼箱梁段上的鋼纖維混凝土鋪裝層，避免了主梁脫架，保證了支架對(duì)主梁的約束處于線性狀態(tài)。 因此，本文將從構(gòu)件的初始參數(shù)角度研究連續(xù)—組合橋梁一次落架施工關(guān)鍵控制參數(shù)的確定方法。

1 工程概況

潭頭大橋跨徑布置為40+45+138+30=253 m，為斜拉—連續(xù)組合體系橋梁，塔梁墩固結(jié)，墩臺(tái)編號(hào)為P3～P7，其中P5 為主塔。

該橋邊跨和次邊跨采用現(xiàn)澆混凝土箱梁，主跨和連續(xù)跨采用鋼箱梁，鋼混結(jié)合點(diǎn)位于主跨、距離主塔中心線10.75 m，所有主梁梁高均為3.5 m。 索塔采用變體一字型獨(dú)塔，位于橫斷面中央分隔帶，上塔柱為箱形截面，下塔柱分開為雙薄壁塔柱，采用圓端型截面。 索塔總高84.6 m，其中橋面以上索塔高68 m，高跨比（主塔高/主跨長）為0.49。 斜拉索采用平行雙索面密索體系，扇形布置，主梁處的雙索面水平間距為3 m。 拉索在主塔上的豎向間距為2.3 m，在邊跨主梁上的水平間距為6 m，在主跨主梁上的水平間距為12 m[6]（圖1）。

圖1 潭頭大橋布置圖

2 總體性施工方案

原設(shè)計(jì)推薦總體性施工方案為先塔后梁、主跨鋼箱梁段懸拼。 因河道中事先滿布搭設(shè)了鋼管—貝雷支架，作為鋼箱梁運(yùn)梁通道，故將鋼箱梁段安裝方案調(diào)整為支架拼裝，為此節(jié)省工期約3 個(gè)月。 在第一次張拉斜拉索之前，澆筑鋼箱梁段上的鋼纖維混凝土鋪裝層，以起到壓重的作用，防止斜拉索張拉時(shí)鋼箱梁與支架脫架。 具體控制施工工序?yàn)椋海?）施工下塔柱、塔梁固結(jié)段；（2）澆筑邊跨、次邊跨混凝土箱梁，壓重；（3）安裝鋼混結(jié)合段并張拉預(yù)應(yīng)力；（4）支架拼裝鋼箱梁；（5）施工鋼箱梁段鋼纖維混凝土鋪裝層；（6）依序第一次對(duì)稱張拉AC1～AC10 號(hào)、MC1～MC10 號(hào)斜拉索（AC 表示邊跨索，MC 表示中跨索，下同）；（7）拆除主梁支架；（8）依序第二次張拉斜拉索；（9）剩余橋面系施工；（10）調(diào)索，成橋。

3 關(guān)鍵控制參數(shù)

3.1 主塔的控制參數(shù)

3.1.1 主塔縱向預(yù)偏

主塔在不平衡斜拉索力的作用下，將發(fā)生順橋向的變形。 為使主塔在準(zhǔn)永久荷載狀況下處于設(shè)計(jì)線形狀態(tài)，需要在主塔中設(shè)置預(yù)偏。 主塔預(yù)偏除需考慮施工過程中的恒載累計(jì)變形外，還需要考慮活載作用下主塔的變形。 活載產(chǎn)生的變形通過在橋梁全長范圍內(nèi)滿布1/2 靜活載計(jì)算得到。 在綜合考慮恒載、活載和收縮徐變的效應(yīng)后，潭頭大橋的主塔預(yù)偏為：向主塔右側(cè)預(yù)偏，塔頂預(yù)偏值為8 mm、塔梁固結(jié)點(diǎn)為0 mm， 塔頂至塔梁固結(jié)點(diǎn)間采用線性內(nèi)插設(shè)置。

3.1.2 索塔錨固點(diǎn)預(yù)抬高

施工完成后的索塔錨固點(diǎn)在后續(xù)荷載作用下會(huì)向下位移。 為使成橋時(shí)錨固點(diǎn)位于設(shè)計(jì)位置，需要對(duì)索塔錨固點(diǎn)進(jìn)行預(yù)抬高。 預(yù)抬高值為后續(xù)恒載（包括收縮徐變） 在錨固點(diǎn)產(chǎn)生的豎向位移值和錨固點(diǎn)安裝后的基礎(chǔ)沉降之和。 經(jīng)計(jì)算，AC1（MC1）～AC10（MC10）索塔錨固點(diǎn)的預(yù)抬高值為8～11 mm。

3.2 主梁的控制參數(shù)

主梁有多個(gè)線形概念，包括：設(shè)計(jì)線形、成橋線形、無應(yīng)力線形、制造線形、安裝線形等。 設(shè)計(jì)線形是設(shè)計(jì)圖紙中的橋梁縱斷線形，是道路縱斷線形的一部分；成橋線形是在設(shè)計(jì)線形的基礎(chǔ)上考慮活載撓度和10 年收縮徐變， 施工成橋后要達(dá)到的目標(biāo)線形；無應(yīng)力線形是通過釋放主梁內(nèi)力后所得到的線形，包括無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率；制造線形是主梁在胎架上加工時(shí)的線形，因胎架上加工接近于無應(yīng)力狀態(tài)，因此一般用無應(yīng)力線形代替；理論制造線形是一條連續(xù)曲線，實(shí)際制造線形是在理論制造線形基礎(chǔ)上的多段折線；安裝線形是由待安裝梁段自由端定位標(biāo)高連接起來的線形，等于設(shè)計(jì)線形加上預(yù)拋高值。

3.2.1 主梁制造線形

單元無應(yīng)力狀態(tài)量與單元預(yù)制構(gòu)形相互對(duì)應(yīng)[7]。無應(yīng)力線形的求解方法有多種， 包括單元解體法、單元CR 位移法、結(jié)構(gòu)解體法、切線拼裝法[8]。從恒載狀態(tài)開始，釋放主梁所有約束，解除所有外荷載（包括自重在內(nèi)），作幾何非線性有限元分析，即可得到主梁、主塔的無應(yīng)力構(gòu)形[8]。 按照施工過程進(jìn)行的正裝計(jì)算一般為幾何線性分析，由此計(jì)算得到的主梁恒載撓度為無應(yīng)力線形的一階線性近似解。 密索體系的一般跨徑斜拉橋，主梁彎矩較小，無應(yīng)力線形與設(shè)計(jì)線形差別不大，所以我國早期斜拉橋直接用設(shè)計(jì)線形作為主梁線形，如上海南浦大橋和南京長江二橋[8]。 也有的設(shè)計(jì)院將成橋索力用初應(yīng)變代替，斜拉橋一次組裝、一次落架，將主梁撓度反號(hào)，作為無應(yīng)力線形，這是套用梁橋的做法。 鋼箱梁段無法按連續(xù)曲線制造，一般“以折代曲”，通過梁段頂?shù)装彘L度來控制梁段長度和梁段間夾角，使主梁制造線形逼近其理論無應(yīng)力線形。 取鋼梁制造基準(zhǔn)溫度為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度， 實(shí)際制梁時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度換算，并考慮焊接收縮變形量。

3.2.2 主梁預(yù)拱度

對(duì)于焊接鋼箱梁， 通常通過調(diào)整焊縫的寬度和夾角來消除誤差的影響， 這相當(dāng)于微小地改變了鋼箱梁的無應(yīng)力長度和曲率； 因?yàn)榭梢哉{(diào)整焊縫的寬度和夾角， 焊接鋼箱梁可以按照混凝土梁的方法來控制主梁線形，即：進(jìn)行正裝計(jì)算得到恒載撓度，疊加活載撓度后反向得到主梁預(yù)拱度，主梁預(yù)拱度疊加設(shè)計(jì)線形即為安裝線形。 潭頭大橋采用支架澆筑混凝土和拼裝鋼箱梁， 支架上的梁段拼裝線形即為安裝線形。 潭頭大橋主梁支架預(yù)拱度如圖2 示。

圖2 潭頭大橋主梁支架預(yù)拱度

3.3 斜拉索的控制參數(shù)

3.3.1 斜拉索長度

斜拉索長度包括無應(yīng)力長度和制造長度。 斜拉索無應(yīng)力長度一般指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下理論錨固點(diǎn)之間的無應(yīng)力長度，其影響因素包括彈性變形和拉索重力垂度效應(yīng)。 制造長度除需考慮斜拉索無應(yīng)力長度、溫度等因素外，還需要考慮不同廠商、不同拉索型號(hào)的錨固位置、錨具回縮、鐓頭錨固鋼絲長度等參數(shù)，這些參數(shù)一般由廠商確定。

3.3.2 斜拉索張拉

斜拉索張拉包括張拉順序、 張拉批次和張拉力。斜拉索一般都是由內(nèi)向外、對(duì)稱張拉。張拉批次與斜拉橋施工過程的結(jié)構(gòu)受力相關(guān)聯(lián)。 對(duì)潭頭大橋上部結(jié)構(gòu)受力影響較大的主要施工過程包括主梁落架和二期恒載施工。因此，潭頭大橋斜拉索分2 批張拉，主梁落架前張拉至設(shè)計(jì)成橋索力的40%左右，二期恒載施工前張拉至二恒前索力。 二期恒載施工后，根據(jù)索力測(cè)試情況進(jìn)行調(diào)索。 后續(xù)索張拉對(duì)已張拉索的索力有較大影響。 進(jìn)行索力迭代計(jì)算，可以做到一次張拉就達(dá)到目標(biāo)索力[9]。

4 控制結(jié)果與分析

4.1 主梁落架階段

表1 為落架工序的潭頭大橋主梁撓度理論計(jì)算值、實(shí)測(cè)值和差值。 表1 中實(shí)測(cè)撓度值略小于計(jì)算撓度值，最大計(jì)算撓度值為117 mm，最大實(shí)測(cè)撓度值為98 mm；其主要原因是計(jì)算模型剛度小于結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度。 表2 和表3 為落架后的實(shí)測(cè)索力和計(jì)算索力對(duì)比。 從表2 和表3 可見，個(gè)別索力偏差超過10%，最大13.48%，但大部分的索力偏差在5%以內(nèi)，索力偏差對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超限。

表1 落架工序的主梁撓度值比較

表2 左索面落架后實(shí)測(cè)索力與計(jì)算索力

表3 右索面落架后實(shí)測(cè)索力與計(jì)算索力

4.2 成橋階段

4.2.1 主塔控制結(jié)果

成橋后， 塔頂縱向坐標(biāo)的預(yù)偏實(shí)測(cè)值為2.1 mm。 索塔錨固點(diǎn)高程的偏差如表4 所示。 由塔頂縱向坐標(biāo)的預(yù)偏值偏差和表4 中索錨點(diǎn)高程的偏差可知，實(shí)測(cè)值普遍小于理論值，即實(shí)測(cè)索錨點(diǎn)高程高于理論高程，其原因主要是混凝土按規(guī)范取值的彈性模量小于實(shí)際混凝土的彈性模量，因而結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中的塔柱剛度小于實(shí)際塔柱剛度。

表4 成橋后實(shí)測(cè)索錨點(diǎn)高程的偏差 （單位：mm）

4.2.2 斜拉索控制結(jié)果

成橋后的斜拉索力差值如表5 和表6 所示。 由表5 和表6 可見，索力偏差大部分小于5%，MC1～MC4索力偏差較大，為－7%～－9%。 成橋后的索力偏差好于落架后，這是因?yàn)樗髁ζ钪饕a(chǎn)生在落架工序，而成橋后的索力大于落架工序，故成橋階段索力偏差占比減小。

表5 左索面成橋后實(shí)測(cè)索力與計(jì)算索力

表6 右索面成橋后實(shí)測(cè)索力與計(jì)算索力

4.2.3 主梁控制結(jié)果

成橋后，主梁高程和應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值的差值分別如圖3 和表7 所示。 從圖3 中可見，主梁高程在主跨鋼箱梁段普遍為正偏差， 最大正偏差為+35 mm，邊跨、次邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁段高程普遍為負(fù)偏差，最大負(fù)偏差為－22 mm。邊跨、次邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁段高程普遍為負(fù)偏差的一個(gè)主要原因是模型中支架假定為剛性約束，其彈性和塑性變形考慮不足。 主跨高程偏大的原因是大編號(hào)實(shí)測(cè)索力總體大于計(jì)算索力。 對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力，實(shí)測(cè)值比計(jì)算值要求不大于20%，且不超限值。由表7 可知，邊跨和次邊跨的混凝土主梁未出現(xiàn)拉應(yīng)力，主跨和連續(xù)跨的鋼主梁應(yīng)力不大，主梁受力安全。 主墩兩側(cè)的主梁應(yīng)力偏差率較大，與表5 和表6 中索力偏差比例趨勢(shì)一致，可見引起主梁應(yīng)力偏差的主要原因是索力偏差。

圖3 主梁高程偏差

表7 主梁應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

5 結(jié)論

斜拉橋采用先塔梁后拉索、主梁支架拼裝并一次性落架的方案可以極大地縮減工期，潭頭大橋采用此方案縮短工期至少3 個(gè)月。 本文從構(gòu)件初始參數(shù)和結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探討了斜拉—組合橋梁一次落架施工基于無應(yīng)力狀態(tài)控制法的控制關(guān)鍵參數(shù)，得到如下結(jié)論：（1）斜拉—連續(xù)組合橋梁一次落架施工控制的主要參數(shù)為：控制主塔線形的主塔預(yù)偏和索塔錨固點(diǎn)預(yù)抬量；控制主梁線形的無應(yīng)力線形和支架安裝高程；控制成橋索力的無應(yīng)力索長和張拉索力。 （2）對(duì)于中小跨徑斜拉橋，主梁設(shè)計(jì)線形、無應(yīng)力線形和安裝線形差別較??；主梁支架安裝線形為設(shè)計(jì)線形加上恒載計(jì)算預(yù)拱度和1/2靜活載預(yù)拱度。 （3）落架前主梁重力由支架支承，落架后主梁重力主要由拉索承擔(dān)。 因此，一次落架的關(guān)鍵是主梁落架前索力的大小，合理的落架前索力既能使主梁不脫架，且落架后主梁應(yīng)力不超限。潭頭大橋于2019 年2 月1 日正式通車， 線形和索力控制結(jié)果符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。 因工期原因，橋面系施工后并未調(diào)索；如進(jìn)行調(diào)索工序，主梁高程和索力將非常理想。