独塔混合梁斜拉桥施工过程技术分析

董 梅

（佛山市交通投资集团有限公司，广东 佛山 528200）

1 概述

斜拉桥施工过程控制是确保桥梁成桥线形和受力与合理成桥状态保持一致的关键。施工监控是连接设计与施工的重要技术环节。施工监控的主要内容是在桥梁施工过程中，控制桥梁的索力、线形、应力和温度等，以确保成桥时，桥梁的线形、结构内力与理论值的误差最小，满足设计和使用要求。在施工监控之前，必须要对结构进行仿真分析，严格按照施工工序，对施工过程进行详细的技术分析，如主塔、主梁在施工过程中的应力和变形，拉索的索力和无应力长度等。混合梁斜拉桥整个过程的控制方法是基于索力和索长的双重控制[1]。

佛山市三水三桥主桥采用独塔双索面斜拉桥，主桥跨径组合为（52+56+72+338）m，全长518 m。主跨主梁形式采用整体式钢箱梁方案，边跨主梁采用混凝土主梁。

桥型布置图如图1所示。

主桥采用塔梁固结体系，辅助墩和过渡墩墩顶均设置纵向活动支座。本桥索塔采用花瓶型主塔，为普通钢筋混凝土结构。总高度（塔座顶至塔顶）为168 m，桥面以上高141 m。主塔塔身由下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、上塔柱（含塔冠）等组成。主塔断面布置图如图2所示。

图2 主塔横断面图（单位：cm）

2 计算模型

三水三桥主桥采用Midas Civil建立空间有限元模型，全桥共划分为1 789个单元，1 975个节点。其中，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟，主塔和主梁采用梁单元模拟[2]。

主梁采用鱼骨梁的方式模拟，拉索锚固点与主梁采用主从约束模拟，桥塔处主梁与下横梁固结，边跨混凝土主梁的浇筑支架采用仅受压节点弹性支撑模拟。计算模型如图3所示。

图3 计算模型

3 主要施工工序

本桥索塔承台以上总高度为168 m，共分为30个节段，标准节段混凝土浇筑高度为6 m。下塔柱1#～5#节段采用搭设钢管支架作为施工平台兼作模板支撑、配合翻模法进行施工，中塔柱前2节（6#、7#节段）翻模法施工，其余节段采用液压爬模进行施工。

根据实际施工流程，主塔施工工序划分情况见表1。

表1 主塔施工工序划分

根据主梁架设方案，全桥主梁节段架设可分为3种类型：

（1）浮吊吊装。主梁钢混结合段利用浮吊吊装至塔旁支架处。

（2）支架现浇。主梁混凝土节段H1～H6施工，搭设满堂支架现浇。

（3）驳船+桥面吊机。主梁主跨侧安装桥面吊机，驳船运输钢主梁节段进行悬臂吊装施工。

4 中塔柱、上塔柱施工过程分析

由于索塔中塔柱、上塔柱向内倾斜，因此索塔爬模施工会在塔柱根部产生拉应力。为确保拉应力不超限，在中塔柱、上塔柱施工过程中需在两塔柱之间设置主动横撑[3]。中塔柱共设置4道横撑，上塔柱设置1道横撑。主动横撑的布置位置见表2。

根据横撑的设置位置和施工过程，对索塔进行受力分析，根据计算分析结果，得到中塔柱、上塔柱主要施工阶段的应力（见表3）。

由表3可知，中塔柱、上塔柱施工过程中，塔柱根部拉应力均未超过1 MPa，满足《公路桥涵施工技术规范》要求。中塔柱、上塔柱最大拉应力发生拆除横撑后，位于上横梁与塔柱交接处，拉应力为1.1 MPa。此处存在弧形实心加厚段，因此实际拉应力应小于1.7 MPa。塔柱其余地方混凝土拉应力均较小，因此横撑设置位置和顶推力大小（详见表2）基本合理。

表2 主动横撑布置参数

表3 中塔柱、上塔柱主要施工阶段应力结果 单位：MP a

塔柱施工过程中，主动横撑的轴力分析结果见表4。

表4 主动横撑轴力分析结果 单位：kN

横撑的工作环境温度对塔柱应力影响较为显著。由于索塔施工周期较长（计划工期385 d），气温变化较大，因此需分析索塔施工过程中，横撑温度变化对塔柱的影响。主要分析每一道横撑安装后、上横梁施工后及索塔成塔后，横撑温度变化对塔柱应力的影响。横撑安装顶推力采用年平均气温21.6℃计算得到，考虑桥位处最高气温及最低气温，分析横撑升温15℃及降温15℃对塔柱的影响（即横撑与塔柱温差±15℃）。横撑与塔柱温差下的主塔应力分析见表5。

表5 横撑与塔柱温差下的主塔应力分析结果 单位：MP a

主动横撑的拆除顺序对受力影响较大，若在第4道横撑安装完成后即拆除第1～3道横撑，则上横梁与塔柱交界处存在较大拉应力。因此，对横撑拆除顺序进行调整：第1～4道横撑均在主塔成塔后拆除。横撑拆除前，各横撑内力见表6。

表6 横撑拆除前轴向力 单位：kN

考虑以下6种横撑拆除顺序（见表7）。

表7 横撑拆除顺序

在考虑横撑6种拆除工况下，各横撑拆除时的内力计算结果见表8。

表8 各工况下横撑拆除力 单位：kN

由表8可知，工况二的最大横撑拆除力较小、所有横撑拆除力较均匀，且最长横撑（G1）拆除力最小。因此，建议采用工况二的拆除顺序。

5 塔柱横向预偏量计算分析

考虑10 a收缩徐变，计算中塔柱最大横向预偏量为16.81 mm，位于+120.79 m高度（上塔柱第21节顶面），全塔高度横向预偏量计算结果如图4所示（图中正值表示向外预偏）。

图4 塔柱施工横向预偏量

考虑10 a收缩徐变，计算上塔柱最大竖向预抬量为64.98 mm，最小预抬量为14.19 mm，平均预抬量为45.79 mm，全塔高度竖向预抬量计算结果如图5所示。

图5 塔柱施工竖向预抬量

6 主梁最大悬臂工况分析

悬臂拼装完M21梁段后，主梁达到最大悬臂状态。根据施工方案，需要利用桥面吊机吊装M23梁段至支架上。对此阶段进行以下工况分析：

（1）工况一：恒载+主梁桥面吊机最大竖向力+横桥向风荷载。

（2）工况二：恒载+主梁桥面吊机最大竖向力+顺桥向风荷载。

（3）工况三：恒载+主梁桥面吊机最大竖向力+不对称横桥向风荷载桥面吊机。

竖向力考虑1.2倍动力系数；不对称横桥向风荷载按边跨主梁0.5Fg、主跨主梁1.0Fg计算。最大悬臂状态各工况计算结果见表9。

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7 斜拉索张拉控制分析

由于斜拉索水平分力作用，成桥阶段，主梁会产生弹性压缩及混凝土收缩，导致轴向长度变短。同时，由于主梁纵坡（包括制造预拱度）的影响，沿主梁竖曲线方向长度也需要进行修正。

经计算，混凝土主梁（H1梁段前端）弹性压缩及收缩量为120.8 mm，纵坡修正量为15.1 mm，合计107.6 mm。钢箱梁（M21梁段前端）弹性压缩量为68.8 mm，纵坡修正量为7.7 mm，合计76.5 mm。计算结果如图6、图7所示。

图6 主梁节段弹性压缩量计算结果

图7 主梁梁长纵坡修正量计算结果

8 结语

通过对施工过程的仿真计算分析，得出以下结论。

（1）通过对施工阶段的详细模拟，对不同施工阶段的主塔受力进行精细化控制，确保了施工过程中结构受力满足规范要求。

（2）索塔中塔柱、上塔柱向内倾斜，索塔爬模施工会在塔柱根部产生拉应力。为保证拉应力不超限，在中塔柱、上塔柱施工过程中，需在两塔柱之间设置主动横撑。主动横撑的设置位置对受力影响较大，根据计算分析提出了合理的设置位置。

（3）主动横撑的拆除顺序对受力影响较大，通过对横撑的不同拆除顺序进行分析，总结出了最合理的拆除工况。

（4）考虑10 a收缩徐变，对塔柱最大横向预偏量进行精确分析，以指导施工准确放样。

（5）对最大悬臂状态下各种工况进行详细分析，施工过程中受力满足规范要求。

（6）成桥阶段，主梁会产生弹性压缩及混凝土收缩，导致轴向长度变短。通过计算分析，指导施工过程中的梁长进行精确控制。