外倾索面矮塔斜拉桥索梁锚固区拉索张拉施工控制优化

李群锋

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

矮塔斜拉桥是介于梁式桥和斜拉桥之间的一种桥型，其适用跨度也介于梁式桥和斜拉桥之间[1]。目前国内宽翼缘外倾双索面矮塔斜拉桥建设较少，而其索梁锚固区结构受力状态为三向受力状态，有别于常规矮塔斜拉桥索梁锚固受力方式，外倾双索面矮塔斜拉桥拉索在梁上的锚固位置位于箱梁两侧悬臂板端部，属斜拉索与混凝土箱梁的锚固[2]。如何保证宽翼缘大箱断面在施工阶段结构安全及避免拉索及横梁中预应力施工过程中对索梁锚固区产生结构性损伤，拉索和横梁钢束详细张拉控制过程还需要进一步研究与分析。本文依托实际工程对宽翼缘外倾双索面矮塔斜拉桥索梁锚固区进行拉索张拉施工控制优化，可为同类型桥梁结构提供参考借鉴。

1 工程概况

浮山县丞相河特大桥主桥为（87+160+87）m 双塔斜向双索面PC 矮塔斜拉桥，主桥采用塔、墩、梁固结体系，主梁采用单箱双室箱形截面，其施工采用悬臂浇注法施工[3]。主梁根部28 m 范围内梁高和底板厚度采用1.7 次抛物线变化，主梁根部梁高5 m，跨中梁高3.5 m。桥塔为Y 型塔，塔高24.8 m，每个桥塔共设置8 对斜拉索，采用分丝管索鞍形式，每根斜拉索贯穿主塔并锚固在主梁上。

拉索区箱型梁桥梁中心线处梁高3.5 cm，箱梁顶宽28 m，底宽18 m，悬臂长5 m。两边腹板厚度80 cm，中腹板厚度60 cm，悬臂顶板厚35 cm，箱室内顶板厚28 cm，底板厚45 cm。拉索区上横隔梁宽55 cm，悬臂段上横梁高120～140 cm，箱室段上横梁高140～158 cm。拉索区下横梁宽25 cm，高50 cm。拉索区梁段及横梁构造图见图1、图2。

图1 拉索区横梁横断面（单位：cm）

图2 拉索区横梁立面（单位：cm）

2 空间实体模型建立

主桥主梁及横梁采用C55 混凝土，横梁中3 束25-ϕs15.2 预应力筋和箱梁顶板7 束4-ϕs15.2 预应力筋均采用1860 钢绞线，腹板竖向预应力筋采用JL32 精轧螺纹粗钢筋。索梁锚固区横梁3 束横向预应力钢束布置见图3。

图3 索梁锚固区横梁预应力钢束布置图（单位：cm）

对于边界条件，实体分析模型将靠近桥塔侧的主梁截面固结，另一面自由。加载及边界条件见图4。

图4 索梁锚固区梁段边界及荷载加载示意（单位：m）

采用Midas FEA 实体有限元软件建立拉索区箱型梁及横梁三维实体分析模型。索梁锚固区箱型梁实体分析模型及预应力钢束单元见图5、图6。

图5 索梁锚固区箱型梁实体单元

图6 索梁锚固区箱型梁预应力钢束单元

3 张拉施工控制分析工况

根据主桥结构整体计算模型提取斜拉索施工阶段各拉索初张拉索力，斜拉索施工张拉阶段分别取最大拉索张拉力Fmax=6480 kN（拉索S1，型号为61-ϕs15.2）和最小拉索张拉力Fmin=5370 kN（拉索S6，型号为61-ϕs15.2）进行实体模型分析计算。

索梁锚固区主梁节段施工过程中，当考虑横梁横向钢束及拉索索力同时作用时，拉索区横梁的应力大小能够满足规范限值要求，具体计算结果可见后续第五步分析结论。然而在实际施工过程中发现，由于受箱型梁翼缘板下方斜拉索和横梁钢束张拉作业空间的限制，不可能同时对斜拉索和横梁钢束进行张拉，所以需要考虑分阶段交替进行张拉作业。

原先考虑先将横梁中的3 束横向束依次张拉完毕后，再进行斜拉索的张拉作业。但经过实体有限元模拟分析后发现，该张拉顺序会导致施工过程中拉索区箱梁顶板及横梁部分区域混凝土拉应力大大超过其抗拉强度标准值。图7 为仅横梁钢束张拉完毕后拉索区箱梁及横梁横桥向应力分布结果。

图7 横桥向应力σx分布图

由图7可见，当全部张拉完横梁3道横向钢束后（斜拉索尚未张拉），箱梁悬臂板顶部区域出现较大横桥向拉应力，最大值约4.86 MPa，超过C55 混凝土短暂状况抗拉强度标准值2.52 MPa；拉索区横隔板底部（悬臂板下方）则出现较大横桥向压应力，最大值约28.1 MPa，超过C55 混凝土短暂状况抗压强度标准值19.88 MPa。结合应力计算结果可知，该张拉流程会导致悬臂板顶部在施工过程中出现混凝土开裂现象，同时悬臂板下方的横梁底部局部区域混凝土压应力过大。

根据上述分析结论，认为原先的张拉方案不可行，故需进一步优化横梁3 道横向钢束和斜拉索的详细张拉方案。优化后施工张拉流程如下：第一步，张拉横梁横向束Ⅱ；第二步，张拉斜拉索其中50%钢丝束；第三步，张拉横梁横向束Ⅲ；第四步，张拉横梁横向束Ⅰ；第五步，张拉斜拉索剩余50%钢丝束。

4 张拉施工控制分析结果

索梁锚固区上横梁为预应力混凝土构件，可依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）7.2.8 条[4]进行短暂状况构件的应力计算。预应力混凝土受弯构件，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力应符合下列规定：

压应力：σtcc≤0.70fc'k。

拉应力：当σtcc≤0.70ft'k时，预拉区应配置其配筋率不小于0.2%的纵向钢筋；当σtct= 1.15ft'k时，预拉区应配置其配筋率不小于0.4% 的纵向钢筋；当0.70ft'k＜σtc＜t1.15ft'k时，预拉区应配置的纵向钢筋配筋率按以上两者直线内插取用；拉应力σtct不应超1.15ft'k。

按照施工过程中箱型梁及横梁C55 混凝土达到80%强度再进行下阶段的预应力钢束张拉施工，则0.70fc'k=0.7×0.8×35.5=19.88 MPa，0.70ft'k=0.7×0.8×2.74=1.53 MPa，1.15ft'k=1.15×0.8×2.74=2.52 MPa。

首先确定拉索区横梁应力计算点位置，由于箱梁结构为对称结构，只需取相对于桥面中心线处箱梁一半截面的应力点进行分析研究，具体应力计算点分布见图8。

图8 拉索区横梁应力计算点分布图

a）工况一（第一步） 对于工况一，拉索S1 和S6 处横梁均只张拉了横向钢束Ⅱ，此时两者的应力分析结果相同，此处不重复列举。根据实体模型分析结果，箱梁及横梁横桥向最大拉应力值为1.71 MPa＜2.52 MPa，最大压应力值为11.02 MPa＜19.88 MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力σx分布图如图9 所示。

图9 工况一 横桥向应力σx分布图

b）工况二（第二步） 根据实体模型分析结果，拉索S1 和S6 处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为2.47 MPa、1.62 MPa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为10.59 MPa、11.01 MPa，均小于19.88 MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力σx分布图如图10、图11所示。

图10 工况二 横桥向应力σx分布图（拉索S1）

图11 工况二 横桥向应力σx分布图（拉索S6）

c）工况三（第三步） 根据实体模型分析结果，拉索S1 和S6 处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为2.00 MPa、1.87 MPa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为16.93 MPa、17.77 MPa，均小于19.88 MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力σx分布图如图12、图13所示。

图12 工况三 横桥向应力σx分布图（拉索S1）

图13 工况三 横桥向应力σx分布图（拉索S6）

d）工况四（第四步） 根据实体模型分析结果，拉索S1 和S6 处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为1.80 MPa、1.63 MPa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为18.70 MPa、19.86 MPa，均小于19.88 MPa。满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横隔梁应力计算点横桥向应力σx分布图如图14、图15 所示。

图14 工况四 横桥向应力σx分布图（拉索S1）

图15 工况四 横桥向应力σx分布图（拉索S6）

e）工况五（第五步） 根据实体模型分析结果，拉索S1 和S6 处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为1.91 MPa、1.88 MPa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为15.37 MPa、15.38 MPa，均小于19.88 MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力σx分布图如图16、图17所示。

图16 工况五 横桥向应力σx分布图（拉索S1）

图17 工况五 横桥向应力σx分布图（拉索S6）

5 结论

a）对于采用先行张拉完索梁锚固区横梁横桥向钢束再张拉斜拉索的施工方案，当张拉完横梁钢束后导致箱梁及横梁横桥向拉压应力值出现超限的情况，由此得出原先的索梁锚固区拉索张拉施工方案不具可行性。

b）对原先索梁锚固区拉索张拉施工方案进行优化并制定“五步”张拉施工控制措施，根据索梁锚固区箱梁及横梁实体模型分析结论可知，箱梁及横梁在5 个张拉施工工况下的横桥向正截面拉、压应力结果均满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求，由此验证了该“五步”张拉施工控制工艺的可行性。