斜拉桥结构受力特点及施工控制方法研究

2018-04-27崔胜海

西部交通科技 2018年3期

崔胜海

(广西桂通工程咨询有限公司，广西南宁 530028)

0 引言

斜拉桥构思于17世纪，受当时技术条件的限制，很长时间未得到发展，一度甚至被遗弃，20世纪30年代，德国造桥专家研究设计了第一条桥梁，由于其受力特点和结构外形的优势，非常具有竞争力，尤其体现在跨径大桥的施工上，因此在很短的时间内在世界各国迅速发展。我国这项技术研究较晚，起步于20世纪90年代，随着我国经济的迅猛发展，斜拉桥设计建设相继建成，较为著名的有惠青黄河公路大桥、漳州战备大桥、无锡市清宁大桥等。截至目前，我国已建成跨度400 m以上的斜拉桥30余座，其中最为著名的是苏通大桥，跨度为1 088 m，为世界之最。

1 斜拉桥总体布置及结构受力特点

斜拉桥总体布置类型较多，一般来说可以区分为独塔双跨式、双塔三跨式，由于工程实际需要，也可以设置为独塔单跨式、双塔单跨式、多塔多跨式三种。斜拉桥一般由以下部分构成：主梁、索塔、拉索以及下部结构，下部结构又主要包括桥台、桥墩等基本构件，共同组合成体系桥梁。从受力情况看，主梁主要受轴向的拉力，索塔受压，拉索受拉。

拉索是主要承重件，对主梁有较好的支承作用，对斜拉桥整体经济合理性以及刚度起着至关重要的作用，根据索面的不同，可以区分为竖琴形、辐射形、扇形三种基本形式，受力特点是：辐射形由于易发生应力集中现象，使用已经日趋减少；竖琴形由于其受力特点，一般仅用于跨度较小的斜拉桥中；扇形布置兼顾了以上两种优点，有着较好的抗扭刚度和抗风稳定性，也是当前采用最多的索型。采用混凝土主梁，拉索最科学的间距为4～12 m，采用钢主梁时，拉索最科学的间距为8～24 m。主梁一般分为连续和非连续体系两种，前者为连续梁和连续钢构；后者主梁主跨斜拉桥中央，带一个剪力铰或简支挂孔。钢主梁斜拉桥受力分析：斜拉桥的受力主要存在材料和结构的非线性影响。材料的非线性影响主要指在长期负荷下发生徐变的影响，结构非线性影响主要指塔和梁的轴力效应和大挠度影响。

在外负荷作用下，斜拉桥的塔和桥均承受了较大压力，达到一定值时就会产生平面或弯扭屈曲，其精确计算可按空间杆系屈曲有限元法实施。拉索锚固区的应力可按照圣维南假定实施计算，从整体中取出一个梁高或半个梁宽作为锚固体，按弹性阶段实施受力分析。如果有预应力，可作为外力考虑。此外，还要充分考虑风力、静力、地震等自然灾害以及动力如风雨激振的影响，严寒地区还要充分考虑到拉索驰振的影响。

2 斜拉桥施工控制及监理要点研究

由于斜拉桥结构形式和施工方法多样，施工也最能体现一个企业的装备层次和技术水平，比如对于钢索塔的施工，就必须充分考虑其起吊能力、焊接工艺以及安装的精度等。由于施工安装程序和施工方法与结构恒载内力关系密切，要求其上部结构必须严格按照工艺和步骤实施施工，必须实施严密的施工控制。作为监理人员，笔者结合港珠澳大桥深水区桥梁工程(包括青州航道桥、江海直达船航道桥)，对施工控制和监理重点进行阐述，具体见表1所示。

2.1 钢管沉桩

为满足施工要求，需要在钢管桩内外壁实施防腐处理，设置内外剪力环，由于其设计顶标处于水面下，标高取6.0 m或5.0 m。沉桩工艺一般使用液压打桩锤配合大型打桩船完成，倾斜度控制在≤1/250，中心平面允许的偏差值≤100 mm。

此阶段监理重点为：对钢管桩的运输、堆存管理要科学，避免出现摩擦和碰撞情形，因为其极易导致防腐涂层的损坏以及管端的变形；对于桩锤的选型必须根据试验结果而定，确保垂直度和位置的精确控制。

2.2 灌注桩施工

主要采用的复合桩直径分别为2.15 m、2.5 m，确保桩底嵌入深度≥1.5倍的桩径，平均桩长为103 m，最大桩长为129.7 m，必须全过程进行钻孔施工记录，并留样。监理人员、业主和设计人员必须到场签认；现场加工制作钢筋笼，并根据运输要求实施分节制作；钢筋笼施工完毕后，必须安装混凝土保护块，强度达到标准后，可实施抽芯检测和超声检测，顺序一般按先超声检测后抽芯检测的顺序，数量按照每墩2芯实施。

此阶段监理重点：(1)必须常态落实对于泥浆的含砂率、比重、泥皮厚度等指标的检查，确保孔壁的稳定，确保不发生卡钻、掉钻等现象，保证钻孔效率；(2)泥浆净化处理必须符合环保标准；(3)钻孔的孔径、垂直度等必须符合设计要求；(4)要充分考虑混凝土连续灌注能力，确保不出现断桩现象；(5)注重把握混凝土的初凝时间、浇筑时间、灌注的时间必须不少于首批混凝土初凝时间，以防钢筋笼的上浮；(6)对桩顶的高程，必须严格控制，确保不发生松散等情况，确保施工质量。

表1 斜拉桥施工控制和监理要点表

2.3 承台的安装

承台套箱一般由内外围壁、底板、护舷等支撑系统组成，节段间需安装橡胶条，采取消能装置对承台的碰撞进行缓冲，减少冲击能。必须按照《钢质海船入级与建造规范》的标准要求对于焊接工艺、材料和规格严格规范，所有的主次要构件以及焊缝必须检验合格，套箱实施防腐处理应按照不少于20年的寿命进行设计，套箱所采用的焊接材料、预处理、焊接方法、焊后处理及检验要求等，均要满足中国船级社要求。所有喷砂除锈必须达到Sa2.5级，涂装必须在清洁合格后实施。桩头处理中，直径>20 mm钢筋采用墩粗直螺纹机械连接。

此阶段监理重点：(1)钢筋层次多，用量也较大较多，尤其要注意层间网格的对齐与间距控制的科学合理，确保钢筋保护层厚度符合标准要求，二级承台需保证模板的刚度、强度和稳定度；(2)焊接必须牢固，确保外形均匀和光滑，无裂缝、残渣、气孔等缺陷。

2.4 墩身的安装

浮吊吊装墩身时，必须搁置于承台支墩上，完成初步定位，以满足设计要求，固定临时装置进行安装时，必须拆除千斤顶，完成承台顶面与墩身的连接。

此阶段监理需注意：(1)墩身连接预应力粗钢筋的张拉；(2)墩身整体吊装的定位精度；(3)支承垫石顶面的高程精度。

2.5 索塔施工

索塔施工控制的基本原理，就是利用工程控制论的普遍原理，建立误差处理系统，正确评估线形偏差，做出线形调整，利用可靠稳定的参考点实现模板或钢锚箱节段的准确定位。以柳州三门江大桥施工为例，大桥主塔分5个施工节段，第一、二节段高各4.8 m，第三节段高4.4 m，第四节段高4.7 m，第五节段高2.8 m。塔身直顺，主塔高度较低，主塔采用塔外搭设支架翻模施工。主塔施工材料和设备通过便桥、码头及水上交通船运至墩位，垂直起吊运输由塔吊负责，混凝土由设在主梁上的地泵直接送入模。

此阶段监理重点：(1)对于索塔预埋件要给予关注，确保位置准确、设置齐全；(2)索塔施工必须确保垂直度、锚箱定位和结形撑定位精度；(3)上塔柱实施混凝土施工时，必须严格控制其连接部位安装质量。

2.6 钢箱梁的吊装

钢梁的拼装需科学制定合龙方案，一般按照先合龙两侧，再向中跨延伸，再实施合龙主跨的步骤，科学进行转角调整，使其准确合龙，达到平顺。在钢箱梁施工时，原材料是非常重要的，其包括钢材、焊接材料、连接用紧固件等，要严把质量关，才能从根源上控制钢箱梁的质量。主要检测材料的质量证明书，并对其力学性能、化学成分等进行分析和验证，在选择焊接材料时，要和母材的强度和硬度是相同的，连接用紧固件有高强度的螺栓等。构件在连接时有焊接和高强度螺栓连接两种。焊接时，运用材质相同的材料进行焊接，并在焊缝两端设置引出板，在焊接完成后，运用机械切割或者气割的方式将引出板切除，不能用锤子击打。焊接完后，还要对焊缝进行超声波检测和射线探伤。其次，高强螺栓在使用前要检查摩擦面的抗滑移系数，螺栓的旋入方向要一致，初拧和终拧都要受力均匀。要在1～48 h之内进行扭矩检查，检查采用松扣回扣法。

此阶段监理需注意：(1)钢梁架设是施工安全中必须重点关注的环节，按照要求必须设置稳定设施，确保大跨度悬臂施工安全；(2)对钢箱梁悬臂精度必须严格控制。

2.7 斜拉索的安装

对于斜拉索的保护是安装重点，其索力也将直接影响桥梁的内力以及主梁的线形。以公轨两用双层桥面钢桁梁斜拉桥为例，在上游塔柱各设置1台塔吊用于塔端斜拉索安装及空中展索；在塔顶布置卷扬机，将斜拉索牵引入索导管并提升塔柱内的千斤顶、撑脚、张拉杆等塔内设备；在塔顶布置工字钢扁担梁支撑塔顶卷扬机；在桥面塔柱安装卷扬机将索头提升至索导管位置；采用卷扬机及导向滑轮组、手拉葫芦将梁端索头牵引到位；采用千斤顶张拉斜拉索。

此阶段监理重点：(1)做好斜拉索的保护，包括运输、堆放过程的保护；(2)防止锚头进水；(3)使用高密度聚乙烯实施连接防腐处理；(4)索长达到预定长度后，要对温度、轴线、倾斜度实施测量，控制误差。