峡谷地区钢箱梁斜拉桥非对称缆索吊装施工线形控制计算方法

李 亮

（成都清正公路工程试验检测有限公司，四川 成都 611800）

0 引言

峡谷地区往往因为山川地形条件限制，无法在两岸均建立钢箱梁加工厂，且因桥梁所跨河流不具备通航条件，不能按常规的船运或汽运方式进行钢箱梁运输，故采用缆索吊装系统进行钢箱梁运输和悬臂拼装的方式应运而生。常见的钢箱梁拼装施工是靠船运或汽运的方式运至悬拼吊机处，然后再进行拼装，而缆索吊装法是集运输和拼装于一体进行，比常规的悬拼吊机施工法在成本上更经济，同时也能利用峡谷地区地形条件的限制进行拼装施工。由于缆索吊装法施工只有一个工作面，必然会导致钢箱梁非对称施工，在线形计算方法上会与悬拼吊机法略有不同。线形控制主要包含安装线形和制造线形的计算两个方面，对于边跨采用支架法，中跨采用悬拼法，制造线形的计算方法是不相同的。本文结合工程实际应用，对缆索吊装法非对称拼装存在的受力行为进行分析，给出了线形控制的计算方法，为类似工程项目提供参考。

1 缆索吊悬臂拼装施工基本流程

在钢箱梁斜拉桥缆索吊拼装法中，梁段拼装施工的基本流程为：缆索吊机将梁段起吊→运输至安装位置→梁段初匹配→临时螺栓连接→梁段精匹配→焊接完成→解除吊点→挂拉索→对称张拉拉索→重复以上步骤直至安装完成所有梁段。对于边跨采用支架法拼装钢箱梁，缆索吊装系统主要充当运输的作用，待完成所有节段运输后，边跨支架法上的钢箱梁则由支架上的设施装备进行安装标高精确调整，缆索吊装系统只起着运输和初调的作用。

图1 缆索吊装施工示意图

2 非对称缆索吊拼装钢箱梁线形控制的计算方法

2.1 安装线形的计算方法推导

不论采用什么施工方法，对于斜拉桥线形计算控制而言首先要确定的就是设计的目标线形，然后再对施工过程进行模拟计算，期间会考虑如索力、温度、临时荷载、结构边界条件的转换、结构自重、混凝土结构的收缩徐变等因素的影响，并通过正装迭代计算进行效应叠加，最后达到设计的目标线形。由于监控单位在线形计算的过程中，考虑的参数会与设计考虑的过程存在不一致的情况，所以在实际施工阶段往往会对设计提供的初拉力进行微调，最后结构达到设计要求的内力分布及目标线形。

现对缆索吊装法的施工过程进行计算模拟推导，模拟推导期间只考虑索力张拉和自重效应，其他效应暂不考虑。缆索吊装悬臂施工受力简化分析见图2。

图2 缆索吊装悬臂施工受力简化分析图

结合缆索吊装基本的施工流程，安装线形可采用零位移法[1]进行计算，即先假设节点在变形前，基准线形高程均为0。现以中跨L2号梁端安装为例，在安装之前，边跨支架所有梁段已拼装完毕，L1号梁段已张拉完毕，缆索吊将中跨L2号梁段运输至安装位置，并调整至安装标高，此时L2号梁段所有重量由缆索吊承担，桥梁结构不承担L2号梁段重量，待L2与L1号梁段焊接连接完毕后，缆索吊随即松勾，此时完成体系转换。L2号梁段重量由缆索吊转至桥梁结构上，在自重的影响下，L2号梁段节点2发生第一次位移，记为位移Δ2-1，转角θ2-1，位移和转角符号第一个下标分别表示为节点号和梁号，第二个下标表示为发生的施工阶段。

待完成体系转换后，对L2号梁段进行挂索，并进行对称张拉，此时L2号梁段的2号节点发生第二次位移，记为Δ2-2，θ2-2。缆索吊将L3号梁段运至安装位置，与L2号梁段焊接连接后，缆索吊松勾完成体系转换，此时L2号梁段节点完成第三次位移，记为Δ2-3，θ2-3。重复后面的拼装步骤，此时节点2所有施工步骤位移的累加并加上该节点的设计标高，即为该梁段节点的安装标高，节点2位移累计量记为Δ2-n，同样该梁段的转角记为+θ2-n，同理，对于其他梁段及节点计算原理一致，由于转角变形原理和竖向变位原理一致，故根据上述缆索吊拼装描述的步骤，只列出相关步骤竖向变位计算表，计算结果详见表1。

表1 各节点各施工步骤零位移法变形计算表 mm

根据上述推论，各节点安装线形表达式可归纳为式（1）：

式中：Hn-安为安装线形；H目为目标线形；为安装至成桥时的累加位移量。

采用式（1）计算出所有节点的连线即为该桥钢箱梁的安装线形。

2.2 制造线形的计算方法推导

钢箱梁在拼装前，考虑到现场场地、运输、技术安装和工期等各方面条件要求，在拼装时才开始加工下料钢箱梁是不切合实际的，往往需先分轮次地进行钢箱梁的制造，待制造完毕后再运输至现场进行拼装，要保证现场能顺利完成拼装，这需要对钢箱梁的制造线形进行精确计算，才能保证拼装时焊缝宽度不过宽或过窄，钢箱梁的线形最终顺利达到设计要求的目标线形。

制造线形根据定义是无应力状态下的线形，以下分两种情况进行讨论，即什么时候安装线形可以当做制造线形去用，什么时候安装线形不能当做制造线形去用。首先讨论第一种情况，边跨支架法拼装施工，由于拼装是所有梁段均处于无应力状态下进行连接,故此时边跨的安装线形即为制造线形，为各节点各阶段位移累计的反号，支架法变形图示见图3。

图3 第一种情况边跨支架法拼装安装线形与制造线形相等

第二种情况，中跨缆索吊拼装施工，在拼装阶段若像边跨支架法一样将安装线形当做制造线形来进行制造。以中跨L2号梁为例，L2号梁在缆索吊拼装前，刚开始L1号梁自重由缆索吊系统承担，后转换至桥梁结构本身，此时L1号梁段的1号节点已经不处于安装线形上，若按安装线形当做制造线形来进行钢箱梁制造，保持L2与L1角度和焊缝宽度不变，则L2号梁节点2标高无法达到安装线形上，该点将不可能达到目标线形的位置上。若要保证节点2经过后期各施工阶段各种荷载作用下，最终达到目标线形，则节点2安装时必须要在计算好的安装线形上，但此种情况会导致L1和L2号梁段夹角增大，夹角增大意味着焊缝宽度必然在加工厂制造拼装的基础上增加，若焊缝宽度过大，会导致现场焊缝质量难以控制，不满足焊接质量要求，除此以外还可能会导致现场对原钢箱梁尺寸进行重新调整，增加了现场焊接时间，故对于缆索吊拼装悬臂法施工钢箱梁不能将安装线形视作为制造线形，悬臂法变形图示见图4。

图4 第二种情况缆索吊拼装安装线形与制造线形不相等

由于在L2号梁段由缆索吊拼装时，L1号梁段已经处于有应力状态，故不能直接求得各节点的制造线形。基于上述控制焊缝宽度和安装线形的必要性，若能同时保证焊缝宽度一定，各梁段节点达到安装线形，最后成桥线形达到目标线形，焊缝质量及工期均得到良好保证，若按实际施工步骤进行正装迭代分析，并不能直接简便地求得能同时解决上述问题的制造线形。此时应该对计算方法变通处理，采用切线拼装[1]，假设对悬臂安装（除合龙段）所有节段进行一次性激活，在没有考虑各节段自重及其他荷载效应的情况，所有节段均处于无应力状态，且各相邻节段之间连接可认为是顺接的，不会出现焊缝加宽或变窄的情况，随着各节段施工的进行，对相应待安装梁段先不考虑自重，且由缆索吊装系统进行承载。

图5 缆索吊装悬臂施工简化分析图

现以L1号梁为例，此时1号节点刚好位于安装线形上，1号节点位移量记为δ1-1，2号节点记为δ2-1，n号节点记为δn-1。现进行下一个施工步骤，由缆索吊装系统承重转至桥梁结构本身，完成体系转换，此时1号节点位移量记为δ1-2，2号节点记为δ2-2，n号节点记为δn-2。对后续步骤进行重复，后面的未安装梁同样会随着前面的节段在各施工节段的荷载效应下进行位移摆动，直至最后成桥，此时1号节点位移量记为δ1-n，2号节点记为δ2-n，n号节点记为δn-n。该制造线形计算方法与安装线形计算的方法关键的不同之处在于，未安装梁段的实体在前面施工步骤并没有实际参与，但沿切线方向的虚拟梁段却参与结构实际变形。该方法得到的制造线形能同时解决焊缝宽度一定和节点到达安装线形的问题，且梁段均为无应力状态，因此可以通过该方法计算成桥后各节点位移量来进行制造线形的计算。

表2 各节点各施工步骤切线方向变形计算表 mm

根据上述推论，各节点制造线形表达式可归纳为式（2）：

式中：Hn-制为制造线形；H目为目标线形；为切线法求得成桥时累计位移量。

采用式（2）计算出所有节点的连线即为该桥钢箱梁的制造线形。

3 工程实际应用

现以云南省保泸高速勐古怒江特大桥[2]为工程应用背景，该桥为三跨连续半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，主跨240 m，两个边跨为100 m，钢箱梁共划分为57个段，该桥横跨怒江流域，处于峡谷地貌，不具备船运要求，并结合技术难度、工期等各方面因素综合考虑，最终施工方案定为先对边跨采用缆索吊进行钢箱梁运输并在支架上完成拼装，后对中跨采用缆索吊进行钢箱梁运输及拼装的非对称拼装方案。根据以上计算方法，对该桥进行相应的线形控制计算，并在实际施工过程中进行控制，该桥如期成功达到目标线形，其误差范围均满足规范要求，且焊缝宽度得到较好的控制。限于篇幅，表3只给出4个边跨梁段和4个中跨梁段的安装线形和制造线形值。

表3 部分钢箱梁安装线形和制造线形计算结果

4 结语

本文对缆索吊悬拼拼装基本流程进行了介绍，并在实际施工工序基础上，对箱梁安装线形和制造线形计算方法进行了理论推导，最后该计算方法在实际工程中的成功应用，表明该方法可适用于钢箱梁斜拉桥非对称缆索吊装施工的线形控制计算，对于峡谷地区场地受限的中小跨径斜拉桥非对称缆索吊拼装施工的线形控制有借鉴意义，具有一定的参考价值。