矮塔斜拉桥边跨合龙施工工序调整分析

王 迪

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200030）

对矮塔斜拉桥的主梁来说，采用悬臂施工法有许多优点，施工方便，经济效益高，在桥梁工程建设中广泛应用[1-2]。悬臂施工过程中应严格把控各个节段的高程控制工作，保证成桥后结构的线形满足设计要求[3]。但是，当桥塔两侧结构不对称时，会产生不平衡弯矩，不平衡弯矩超过容许范围可能会导致梁体倾覆。除此之外，还应避免施工过程中主梁出现过大的应力，保证施工状态与设计状态最大程度吻合。

合龙段的施工是桥梁施工的重要环节。该文对一采用悬臂浇筑施工方法的（94.2+220+94.2） m矮塔斜拉桥在边跨合龙时的施工工序进行调整，并对施工工序调整前后的梁体线形变化、结构受力情况进行了计算和分析。该文的研究成果可为类似斜拉桥悬臂施工工序的调整提供参考。

1 工程概况

颍上特大桥主桥桥型为预应力混凝土双矮塔斜拉桥，全长410 m，计算跨度为（94.2+220+94.2） m。主梁采用单箱双室直腹板变高度连续箱梁，中支点处桥面宽度11.6 m，其他部位桥面宽14.1 m。采用塔梁分离的半漂浮体系，桥塔为纵向“A”型、空间桁架式桥塔，主塔高66.50 m，分为塔座、下塔柱、纵向系梁、上塔柱及上横梁。斜拉索采用双索面布置，每个索塔设8对斜拉索。桥梁总体布置图见图1。

图1 桥梁总体布置图（单位：m）

全桥采用先塔后梁的施工工艺，主梁施工与斜拉索施工交叉进行，主梁施工采用悬臂浇筑法，斜拉索锚固于主梁腹板外侧。

该桥两边跨配跨相同，为对称结构，因此该桥的施工方案：先对称悬臂施工，再边跨合龙，最后中跨合龙[5]。

主梁共分为97个节段。其中，边跨分20个悬臂浇筑节段、1个边跨支架现浇段以及1个边跨1.50 m合龙段，从0#块到边墩分别命名为1#~20#、边跨合龙段和21#块；中跨分为51个悬臂浇筑节段（包括中跨2.0 m合龙段），最大悬臂浇筑长度为4.50 m，从0#块到中跨合龙段分别命名为1'#~20'#、22'#~26'#和中跨合龙段。

主梁顶、底板及腹板内布置纵向预应力钢束，主梁支点横隔板及斜拉索横梁内设置横向预应力钢束，0号段布置竖向预应力束。边跨合龙段截面预应力钢束布置见图2。

图2 边跨合龙段预应力钢束布置示意图

2 施工工序调整方案

2.1 原设计方案

原设计边跨合龙施工步骤：1）安装边跨合龙段临时刚性连接构造，并临时张拉合龙束，边跨合龙须张拉2根T21b、2根B3钢束，每根钢束的临时张拉力均为200 MPa。2）在吊架上现浇边跨合龙段，养生。3）待混凝土强度和弹性模量达到设计要求后，依次张拉（或补张拉）并锚固纵向预应力束B7、B6、B5、T21a、B4、B3。4）边跨挂篮暂不拆除（按2000 kN计），移动中跨侧挂篮至下一节段。5）悬臂浇筑22节段，待混凝土强度和弹性模量达到设计要求后，张拉并锚固22'#块的顶板预应力钢束T22。

2.2 工序调整方案

拟调整的边跨合龙施工步骤：1）悬臂浇筑22节段。2）安装边跨合龙段临时刚性连接构造，并临时张拉合龙束，边跨合龙须张拉2根T21b、2根B3钢束，每根钢束的临时张拉力均为200 MPa。3）在吊架上现浇边跨合龙段，养生。4）待混凝土强度和弹性模量达到设计要求后，先张拉并锚固22'#块的顶板预应力钢束T22，然后依次张拉（或补张拉）并锚固纵向预应力束B7、B6、B5、T21a、B4、B3。5）边跨挂篮暂不拆除（按2000 kN计），移动中跨侧挂篮至下一节段。

3 线形与受力分析

3.1 计算模型

要判断工序调整方案是否可行，须从主梁线形和结构受力性能2个方面论证调整后的方案能够满足设计要求。该文采用MIDAS/Civil空间有限元软件建立（94.2+220+94.2） m矮塔斜拉桥的全桥模型，见图3。通过定义不同的施工阶段可模拟全桥施工全过程的变形与受力情况[4]。

图3 全桥模型

3.2 22'#块上、下缘应力

在预应力混凝土结构中，根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）中6.4.4条，在传力锚固或存梁阶段，C55混凝土压应力σc≤22.2MPa，拉应力限值为σct≤1.848 MPa。

按照调整后的施工工序，计算顶板预应力束T22张拉并锚固后，22'#块的上、下缘应力，计算结果见图4~图5。从图可知，中跨22'#块上缘最大应力为-1.4 MPa，下缘最大应力为0.2 MPa，其中拉应力为正，压应力为负。显然，T22顶板束张拉后，中跨22#块上、下缘的应力均小于规范限值。

图4 22'#块的上缘应力（单位：MPa）

图5 22'#块的下缘应力（单位：MPa）

3.3 不平衡弯矩对比

在不考虑斜拉索作用的情况下，计算在自重作用下产生的不平衡弯矩。图6和图7分别为按照原设计和工序调整后方案计算得到的塔梁临时固结处弯矩示意图。

图6 原设计方案塔梁临时固结处弯矩图（单位：kN·m）

图7 工序调整后塔梁临时固结处弯矩图（单位：kN·m）

由图6可知，按原设计方案施工时，边跨侧临时固结处弯矩为-2.930×106kN·m，中跨侧临时固结处弯矩为-2.693×106kN·m，即不平衡弯矩为2.37×105kN·m（前两项数值之差）。由图7可知，调整施工工序后，边跨侧临时固结处为-2.930×106kN·m，中跨侧临时固结处为-2.901×106kN·m，即不平衡弯矩为2.9×104kN·m（前2项数值之差）。

对比2种施工工序产生的不平衡弯矩，发现先浇筑22'#块的工况比原设计工况产生的不平衡弯矩小2.08×105kN·m，对结构受力更有利。

3.4 徐变引起的线形变化量

22'#块的浇筑顺序不同，梁体由于徐变影响引起的线形变化量也会发生改变。施工步骤调整前后，主梁成桥累计变形分别如图8、图9所示。

图8 原设计主梁成桥累计变形（单位：mm）

图9 工序调整后主梁成桥累计变形（单位：mm）

经计算分析，主梁变形在施工阶段调整前后，最大变化量为15.4 mm，因此在计算立模标高中，须对相应预拱度做相应调整。

3.5 斜拉索索力

施工步骤调整前后，张拉并锚固T22钢束后的斜拉索索力大小及其比较结果见表1，其中A、B分别表示0#块两侧的斜拉索。

表1 工序调整前后斜拉索索力（单位：kN）

不难发现，施工步骤调整前后，在张拉并锚固T22钢束后索力的变化很小，斜拉索索力差值的最大变化率仅为0.47%，且同根索的不平衡力均小于抗滑装置所能承担的275t不平衡力限值。

4 结论

该文针对1个（94.2+220+94.2） m矮塔斜拉桥，在边跨合龙时提出对原设计施工工序进行调整，并对中跨梁体上、下缘应力、不平衡弯矩、线形变化量和斜拉索索力4项参数进行计算和分析，验证调整方案的可靠性。得出如下结论：1）工序调整后，先浇筑中跨22'#块，再进行边跨合龙，22'#块顶板预应力束T22张拉并锚固后，22'#块上、下缘应力仍满足规范要求。2）工序调整后的不平衡弯矩比原设计小2.08×105kN·m；工序调整前后斜拉索索力变化很小；与原设计相比，主梁变形最大变化量为15.4 mm，立模标高计算时需调整预拱度的大小。

从分析结果来看，该文提出的工序调整方案在受力性能和主梁线形2个方面都可以满足设计要求，甚至在不平衡弯矩上具有一定优势，可为今后同类工程的施工方案优化提供参考。