组合梁斜拉桥主梁多节段循环施工技术

阮映辉，孙立鹏，王 兴，3

(1.浙江台州市沿海高速公路有限公司，浙江 台州 318001；2.长安大学，西安 710064；3.中交第二公路工程局有限公司，西安 710065)

0 引言

组合梁斜拉桥施工步骤多、工艺要求高，施工时采用的工法对桥梁建成后的受力状态和线形有着重要的影响。近年修建的灌河大桥采用单节段循环施工工法，逐段安装、逐段浇筑接缝混凝土[1]；海黄大桥及洛溪大桥采用了两节段循环的施工方法[2-3]。不同节段主梁循环施工方法的区别在于桥面板接缝的浇筑时间，会直接决定组合梁斜拉桥施工时桥面板和钢主梁的应力状态，最终导致不同方案间成桥的内力与线形存在差异，而且浇筑与养护混凝土桥面板的湿接缝是决定施工时间长短的重要因素。因此，在保证结构安全、施工速度和合理成桥状态的基础上，选择合理的主梁施工方法，是组合梁斜拉桥施工的重点[4]。

胡俊[5]研究了组合梁斜拉桥混凝土桥面板叠合时机，发现滞后一个或两个节段浇筑湿接缝，桥面板基本没有拉应力，钢梁的压应力会随着湿接缝的滞后浇筑明显增大，接缝合理的浇筑时机是滞后一个节段浇筑。易云焜[6]等指出湿接缝浇筑时机对组合梁斜拉桥施工和成桥内力都有显著影响，且没有选择合理的叠合时机是桥面板开裂的主要原因之一。洪丽娟[7]针对组合梁斜拉桥多节段循环浇筑湿接缝施工方法进行研究，结果表明组合梁斜拉桥采用多节段循环湿接缝的施工方法，缩短了湿接缝浇筑及等强的时间，显著提高了斜拉桥钢混叠合梁的施工工效。齐铁东[4]依托乐清湾2号桥进行计算，结果表明两节段循环施工时钢梁和混凝土桥面板在施工过程中处于安全状态。

在以上研究的基础上，本文以台州湾跨海大桥为工程背景，对按照混凝土桥面板湿接缝浇筑时间而区分的单节段循环施工、两节段循环施工和三节段循环施工这三种施工方法的施工效率以及桥梁在施工时和建成后的内力状态，进行了分析与比较。

1 工程概况

台州湾跨海大桥通航孔桥为双塔双索面半飘浮体系钢—混组合梁斜拉桥[8-9]，跨径布置为85m+145m+488m+145m+85m，边跨设辅助墩。标准索间距为10.5m，边跨靠近尾索区索间距为8.4m。桥梁总体布置如图1所示。主梁标准横断面如图2所示，采用双边箱形钢混组合梁结构形式，含风嘴全宽38.5m，中心线处梁高为3.5m。施工方法为在工厂制作各节段，然后运至现场整节段拼装，共97个梁段。标准梁段长10.5m，辅助跨标准梁段长8.4m。钢梁与混凝土板栓钉连接、节段间焊接连接，湿接缝混凝土采用微膨胀混凝土。桥面板全宽34m，中跨除了钢梁腹板和横隔板的上翼缘处厚度为400mm外，其余部分桥面板厚度为280mm。

图1 桥梁总体布置(单位：cm)

图2 主梁标准横断面(单位：mm)

本桥原设计方案为单节段循环湿接缝施工方法，即按照主梁吊装拼接、拉索一张、湿接缝浇筑、拉索二张、预应力张拉、吊机前移、拉索二张的工序循环施工。实际施工时出于工期考虑，对主梁施工方法进行调整，即将原设计的单节段循环工艺调整为两节段循环工艺。本文再提出本桥三节段循环施工方法，对这三种工艺具体的工效、受力等进行分析，并对工艺调整带来的索力影响进行研究，为组合梁斜拉桥多节段循环的施工方法提供依据。

2 多节段循环湿接缝施工工效分析

国内组合梁斜拉桥常用的施工方法是在工厂预制钢主梁和桥面板，并形成组合截面大节段运至桥位现场，进行整节段悬臂拼装施工[10]。选择不同的施工方法会对施工工效有显著的影响，各施工方法的主要差异有桥面板湿接缝的浇筑时间、拉索张拉次数、张拉预应力的时间等。

台州湾跨海大桥跨径大、施工难度高，且桥址位于易受台风影响的浙江省，通常要靠提高施工速度缩短工期的方法来避免台风期对桥梁建设的影响。采用多节段循环浇筑湿接缝可显著提高主梁的施工效率，即在多个梁段吊装完成后，将多道湿接缝同时浇筑，大大减少了多道湿接缝的浇筑与等强的总时间。为此，本项目对不同的施工方法的施工方案作如下安排并对其工效进行分析，多节段循环施工功效分析见表1。

表1 多节段循环湿接缝施工工效分析

(续表1)

从表1中每种节段循环的施工方案来看，张拉预应力钢束并浇筑湿接缝混凝土占据了较长的时间，如何安排该工序，提高施工功效，是缩短建设工期的关键。对此，可以考虑在两个或三个节段吊装完成后，一次性浇筑这几个节段间的湿接缝。其中，单节段循环工艺用时11.5d；两节段循环工艺用时16d，平均1个梁段施工用时8d；而三节段循环工艺用时20.5d，平均一个梁段施工用时6.83d。

经计算，单节段循环施工总工期用时n+396d(n为下部结构及桥塔施工工期)，两节段循环施工总工期用时n+328.5d，提前67.5d结束，合计2.25个月。对于沿海地区受台风影响的桥梁施工来说，可以充分利用工艺改变带来的机动时间，不会出现总工期延误推迟的情况。该桥最后选择两节段循环吊装然后一次性浇筑湿接缝的施工工艺，该施工工艺的湿接缝浇筑流程如图3所示。对于三节段循环施工，总工期用时n+304.5d，相比较标准单节段循环施工，提前91.5d结束，合计3.05个月。虽然也可以达到缩短工期的效果，但不及两节段效果显著。同时，由于施工方法的改变，各施工节段受力状态的影响还未展开研究，施工阶段中主梁受力的变化有待进行分析。

图3 桥面板布置及湿接缝浇筑施工流程

3 多节段循环湿接缝施工受力分析

通过建立组合梁斜拉桥的有限元模型，模拟其桥面板单节段、两节段、三节段浇筑湿接缝这三种施工方法，得到钢梁及混凝土桥面板在不同施工方法下的内力。施工荷载主要包括索力、自重、桥面吊机等。分析计算提取上述三种施工方法时4#～9#主梁节段的内力状态，得到各节段混凝土桥面板和钢梁的应力。

3.1 有限元模拟

采用空间有限元分析方法，建立了组合梁斜拉桥的空间有限元模型，如图4所示。索塔用空间梁单元模拟，主梁组合结构用双单元模拟，两者之间以刚性连接为边界条件，模拟联合截面，拉索用桁架单元模拟，全桥共2 659节点、2 293单元。施工阶段按湿接缝浇筑时机分单节段、两节段、三节段循环这三种施工方法模拟。

图4 全桥有限元模型

3.2 施工过程应力计算结果

为分析不同施工方法对结构的受力影响，分别对上述三种施工方法的有限元模型进行对比计算，得到施工阶段钢主梁及桥面板的应力。各梁段的计算结果见表2。

表2 多节段循环浇筑湿接缝混凝土施工方案各梁段构件应力(单位：MPa)

显然，施工方法由单节段循环施工改为两节段、三节段循环，钢主梁与混凝土桥面板的拉应力有着较明显的增加。由于湿接缝是在多个节段吊装后一次性浇筑，接缝处钢主梁未浇筑混凝土形成联合截面共同受力，故其上翼缘拉应力值增加较多。而且湿接缝导致桥面板受力不连续，会增大边缘区域的拉应力。同理，非湿接缝处的区域形成了联合截面，钢与混凝土共同受力，所以改变施工方法引起的应力变化并不大。

3.3 多节段循环施工的合理性

由于采用多节段循环施工，湿接缝处钢主梁稳定性降低，桥面板的开裂风险增加，故选取混凝土桥面板最大拉应力及钢主梁最大压应力的结果如图5和图6所示。

图5 多节段循环施工下桥面板拉应力

图6 多节段循环施工下钢梁压应力

根据有限元计算结果和图5、图6可以看出，多节段循环施工时，主梁的桥面板在主梁未浇筑湿接缝时，主梁截面突变处的混凝土桥面板存在较大的拉应力，并且拉应力随着节段数量增大而增大。采用三节段循环施工时，在该节段循环靠近桥塔方向的桥面板累计拉应力达到2.1MPa，超过了抗拉强度。待湿接缝浇筑并张拉预应力束后，混凝土桥面板的负弯矩大幅度降低，同时也降低了主梁的拉应力。

采用两节段循环施工方法时，钢梁的最大压应力会略微小于采用单节段循环施工，所以采用两节段循环施工，对斜拉桥的受力是较为合理的。台州湾跨海大桥采用的施工方法就是两节段循环施工，在确保桥梁受力合理的前提下，提高了施工效率，减少台风等恶劣天气影响施工进度的概率。

4 施工方法调整对斜拉桥索力的影响

4.1 成桥索力偏差

由于原施工阶段的拉索索力是由单节段循环进行计算的，故采用两节段、三节段进行循环施工时，结构成桥后必然无法达到预期的合理成桥状态。同时，由于施工因素的不确定性，成桥后的索力、主梁内力和线形与设计目标存在差异，因此最初给定的拉索索力已不再适用于修改后的施工方案。通过对比各施工方案下合理成桥状态和成桥索力间存在的差异可以得出，单节段、两节段、三节段循环施工的成桥索力与目标索力相比的误差分别为-7%～9%、-10%～9%、-12%～9%。显然，改变施工方法对成桥索力有一定程度的影响，三节段循环施工的最大索力偏差为-12.4%，拉索编号为S1(Si为边跨拉索，Mi为中跨拉索，越远离桥塔数字越大)。根据现行规范，成桥后索力偏差不应超过±5%，即最大调整值为7.4%，与索力值相比较小，所以可以通过合龙后二次调索而不用调整施工索力，达到成桥最优内力分布。

某些索力的误差较小，此时调整该索索力对周边索力的影响很小。为减小二次调索的工程量，应在保证调索后所有索力满足规范的基础上，尽量减少调索次数。

4.2 二次调索结果

本文用迭代法计算二次索力。边索对塔和梁的变形影响较大，因此先调整边索能够减少总调索量，减少二次调索引起的内力变化。

以合龙后斜拉索的索力Ti0作为初始索力，经过二期恒载、收缩徐变后的成桥索力与目标索力Td的差值为ΔTi0，故第一次迭代时第i根拉索索力调整为Ti1=Ti0+ΔTi0[11]，按施工顺序迭代计算，则第j次迭代值为Tij=Ti(j-1)+ΔTi(j-1)，一直迭代计算至所有ΔTij/Td<±5%。最终各拉索的二次调索值成桥索力最大偏差为-3.8%，满足规范要求。

图7所示为三种施工方法下的二次索力调整值。从图7可以看出，大部分拉索的调整值的绝对值都小于300 kN,有少数几根拉索的调整值大于400 kN,满足合理成桥状态的要求。

图7 多节段循环施工各索力调整值

索力的偏差会随着主梁节段长度的增加而增加，进而增加了调索的工作量，其中索力调整值比较大的是最靠近桥塔的6根拉索。单节段循环施工最大的索力调整值为92kN，而三节段循环施工的最大索力调整值为545kN，两者差异显著。所以就二次调索的工作量而言，三阶段循环施工的复杂度要远高于另外两种施工方法。

4.3 结构应力分析

利用Midas Civil计算调索前与调索后钢主梁与混凝土桥面板的受力状态。以两节段循环浇筑湿接缝施工为例，计算结果如图8和图9所示。

图8 二次调索前后混凝土桥面板应力

图9 二次调索前后钢主梁应力

二次调索后钢主梁最大应力增量为8.9MPa，最大压应力小于55MPa，受力安全。二次调索造成混凝土桥面板应力增加值最大为0.66MPa，减小值最大为0.64MPa，总体增加幅度变小，没有出现处于拉应力，并且二次调索后混凝土桥面板的应力集中程度有所减小。由于索力的调整幅度较小，且在主桥合龙后结构整体刚度大时调索，所以对于结构受力的影响较小。

5 结语

组合梁斜拉桥施工过程涉及钢梁和混凝土桥面板的结合时机，它是加快主梁施工进度的关键环节。斜拉桥的成桥线形、内力状态与施工过程密切相关。由单节段循环改为多节段循环滞后浇筑湿接缝的施工方法，将直接改变组合梁斜拉桥施工时的内力，最终造成了成桥线形和内力与目标的差异。本文以一座大跨径组合梁斜拉桥为对象，探讨了混凝土桥面板湿接缝的浇筑工序，分析了三种湿接缝浇筑工序的工效、对结构在施工及成桥后的受力影响，以此对多节段循环的施工方法进行比较，得到如下结论：

(1)通过对比分析单节段循环施工和多节段循环施工工期可以得出，多节段循环施工一次性浇筑多道湿接缝，显著缩短了湿接缝浇筑及等强的时间。对于台州湾跨海大桥，在不改变辅助墩主梁及边跨合龙主梁施工工序的前提下，进行三节段循环工艺工效计算，同两节段与单节段循环缩短的工期数相比，并未有更多的减少。

(2)根据有限元计算结果，两节段循环施工的结构应力满足规范要求，而三节段施工桥面板应力超限，会引起桥面板开裂。采用两节段循环施工，对斜拉桥的受力是较为合理的。台州湾跨海大桥采用两节段循环施工，在确保桥梁受力合理的前提下，提高了施工效率。

(3)将单节段循环施工改为多节段循环施工，会使成桥后的内力产生偏差，通过二次调索来修正这些偏差，计算给出了索力调整值，将调索后桥梁的内力状态与调索前做了比较。计算结果表明，二次调索后的斜拉桥满足合理的成桥状态。