王 迪
(中交第三航務(wù)工程局有限公司,上海 200030)
對(duì)矮塔斜拉橋的主梁來(lái)說(shuō),采用懸臂施工法有許多優(yōu)點(diǎn),施工方便,經(jīng)濟(jì)效益高,在橋梁工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用[1-2]。懸臂施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格把控各個(gè)節(jié)段的高程控制工作,保證成橋后結(jié)構(gòu)的線形滿足設(shè)計(jì)要求[3]。但是,當(dāng)橋塔兩側(cè)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生不平衡彎矩,不平衡彎矩超過(guò)容許范圍可能會(huì)導(dǎo)致梁體傾覆。除此之外,還應(yīng)避免施工過(guò)程中主梁出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力,保證施工狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)最大程度吻合。
合龍段的施工是橋梁施工的重要環(huán)節(jié)。該文對(duì)一采用懸臂澆筑施工方法的(94.2+220+94.2) m矮塔斜拉橋在邊跨合龍時(shí)的施工工序進(jìn)行調(diào)整,并對(duì)施工工序調(diào)整前后的梁體線形變化、結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了計(jì)算和分析。該文的研究成果可為類(lèi)似斜拉橋懸臂施工工序的調(diào)整提供參考。
潁上特大橋主橋橋型為預(yù)應(yīng)力混凝土雙矮塔斜拉橋,全長(zhǎng)410 m,計(jì)算跨度為(94.2+220+94.2) m。主梁采用單箱雙室直腹板變高度連續(xù)箱梁,中支點(diǎn)處橋面寬度11.6 m,其他部位橋面寬14.1 m。采用塔梁分離的半漂浮體系,橋塔為縱向“A”型、空間桁架式橋塔,主塔高66.50 m,分為塔座、下塔柱、縱向系梁、上塔柱及上橫梁。斜拉索采用雙索面布置,每個(gè)索塔設(shè)8對(duì)斜拉索。橋梁總體布置圖見(jiàn)圖1。
圖1 橋梁總體布置圖(單位:m)
全橋采用先塔后梁的施工工藝,主梁施工與斜拉索施工交叉進(jìn)行,主梁施工采用懸臂澆筑法,斜拉索錨固于主梁腹板外側(cè)。
該橋兩邊跨配跨相同,為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),因此該橋的施工方案:先對(duì)稱(chēng)懸臂施工,再邊跨合龍,最后中跨合龍[5]。
主梁共分為97個(gè)節(jié)段。其中,邊跨分20個(gè)懸臂澆筑節(jié)段、1個(gè)邊跨支架現(xiàn)澆段以及1個(gè)邊跨1.50 m合龍段,從0#塊到邊墩分別命名為1#~20#、邊跨合龍段和21#塊;中跨分為51個(gè)懸臂澆筑節(jié)段(包括中跨2.0 m合龍段),最大懸臂澆筑長(zhǎng)度為4.50 m,從0#塊到中跨合龍段分別命名為1'#~20'#、22'#~26'#和中跨合龍段。
主梁頂、底板及腹板內(nèi)布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束,主梁支點(diǎn)橫隔板及斜拉索橫梁內(nèi)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束,0號(hào)段布置豎向預(yù)應(yīng)力束。邊跨合龍段截面預(yù)應(yīng)力鋼束布置見(jiàn)圖2。
圖2 邊跨合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束布置示意圖
原設(shè)計(jì)邊跨合龍施工步驟:1)安裝邊跨合龍段臨時(shí)剛性連接構(gòu)造,并臨時(shí)張拉合龍束,邊跨合龍須張拉2根T21b、2根B3鋼束,每根鋼束的臨時(shí)張拉力均為200 MPa。2)在吊架上現(xiàn)澆邊跨合龍段,養(yǎng)生。3)待混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,依次張拉(或補(bǔ)張拉)并錨固縱向預(yù)應(yīng)力束B(niǎo)7、B6、B5、T21a、B4、B3。4)邊跨掛籃暫不拆除(按2000 kN計(jì)),移動(dòng)中跨側(cè)掛籃至下一節(jié)段。5)懸臂澆筑22節(jié)段,待混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,張拉并錨固22'#塊的頂板預(yù)應(yīng)力鋼束T22。
擬調(diào)整的邊跨合龍施工步驟:1)懸臂澆筑22節(jié)段。2)安裝邊跨合龍段臨時(shí)剛性連接構(gòu)造,并臨時(shí)張拉合龍束,邊跨合龍須張拉2根T21b、2根B3鋼束,每根鋼束的臨時(shí)張拉力均為200 MPa。3)在吊架上現(xiàn)澆邊跨合龍段,養(yǎng)生。4)待混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,先張拉并錨固22'#塊的頂板預(yù)應(yīng)力鋼束T22,然后依次張拉(或補(bǔ)張拉)并錨固縱向預(yù)應(yīng)力束B(niǎo)7、B6、B5、T21a、B4、B3。5)邊跨掛籃暫不拆除(按2000 kN計(jì)),移動(dòng)中跨側(cè)掛籃至下一節(jié)段。
要判斷工序調(diào)整方案是否可行,須從主梁線形和結(jié)構(gòu)受力性能2個(gè)方面論證調(diào)整后的方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求。該文采用MIDAS/Civil空間有限元軟件建立(94.2+220+94.2) m矮塔斜拉橋的全橋模型,見(jiàn)圖3。通過(guò)定義不同的施工階段可模擬全橋施工全過(guò)程的變形與受力情況[4]。
圖3 全橋模型
在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中,根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3-2005)中6.4.4條,在傳力錨固或存梁階段,C55混凝土壓應(yīng)力σc≤22.2MPa,拉應(yīng)力限值為σct≤1.848 MPa。
按照調(diào)整后的施工工序,計(jì)算頂板預(yù)應(yīng)力束T22張拉并錨固后,22'#塊的上、下緣應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4~圖5。從圖可知,中跨22'#塊上緣最大應(yīng)力為-1.4 MPa,下緣最大應(yīng)力為0.2 MPa,其中拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。顯然,T22頂板束張拉后,中跨22#塊上、下緣的應(yīng)力均小于規(guī)范限值。
圖4 22'#塊的上緣應(yīng)力(單位:MPa)
圖5 22'#塊的下緣應(yīng)力(單位:MPa)
在不考慮斜拉索作用的情況下,計(jì)算在自重作用下產(chǎn)生的不平衡彎矩。圖6和圖7分別為按照原設(shè)計(jì)和工序調(diào)整后方案計(jì)算得到的塔梁臨時(shí)固結(jié)處彎矩示意圖。
圖6 原設(shè)計(jì)方案塔梁臨時(shí)固結(jié)處彎矩圖(單位:kN·m)
圖7 工序調(diào)整后塔梁臨時(shí)固結(jié)處彎矩圖(單位:kN·m)
由圖6可知,按原設(shè)計(jì)方案施工時(shí),邊跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處彎矩為-2.930×106kN·m,中跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處彎矩為-2.693×106kN·m,即不平衡彎矩為2.37×105kN·m(前兩項(xiàng)數(shù)值之差)。由圖7可知,調(diào)整施工工序后,邊跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處為-2.930×106kN·m,中跨側(cè)臨時(shí)固結(jié)處為-2.901×106kN·m,即不平衡彎矩為2.9×104kN·m(前2項(xiàng)數(shù)值之差)。
對(duì)比2種施工工序產(chǎn)生的不平衡彎矩,發(fā)現(xiàn)先澆筑22'#塊的工況比原設(shè)計(jì)工況產(chǎn)生的不平衡彎矩小2.08×105kN·m,對(duì)結(jié)構(gòu)受力更有利。
22'#塊的澆筑順序不同,梁體由于徐變影響引起的線形變化量也會(huì)發(fā)生改變。施工步驟調(diào)整前后,主梁成橋累計(jì)變形分別如圖8、圖9所示。
圖8 原設(shè)計(jì)主梁成橋累計(jì)變形(單位:mm)
圖9 工序調(diào)整后主梁成橋累計(jì)變形(單位:mm)
經(jīng)計(jì)算分析,主梁變形在施工階段調(diào)整前后,最大變化量為15.4 mm,因此在計(jì)算立模標(biāo)高中,須對(duì)相應(yīng)預(yù)拱度做相應(yīng)調(diào)整。
施工步驟調(diào)整前后,張拉并錨固T22鋼束后的斜拉索索力大小及其比較結(jié)果見(jiàn)表1,其中A、B分別表示0#塊兩側(cè)的斜拉索。
表1 工序調(diào)整前后斜拉索索力(單位:kN)
不難發(fā)現(xiàn),施工步驟調(diào)整前后,在張拉并錨固T22鋼束后索力的變化很小,斜拉索索力差值的最大變化率僅為0.47%,且同根索的不平衡力均小于抗滑裝置所能承擔(dān)的275t不平衡力限值。
該文針對(duì)1個(gè)(94.2+220+94.2) m矮塔斜拉橋,在邊跨合龍時(shí)提出對(duì)原設(shè)計(jì)施工工序進(jìn)行調(diào)整,并對(duì)中跨梁體上、下緣應(yīng)力、不平衡彎矩、線形變化量和斜拉索索力4項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析,驗(yàn)證調(diào)整方案的可靠性。得出如下結(jié)論:1)工序調(diào)整后,先澆筑中跨22'#塊,再進(jìn)行邊跨合龍,22'#塊頂板預(yù)應(yīng)力束T22張拉并錨固后,22'#塊上、下緣應(yīng)力仍滿足規(guī)范要求。2)工序調(diào)整后的不平衡彎矩比原設(shè)計(jì)小2.08×105kN·m;工序調(diào)整前后斜拉索索力變化很?。慌c原設(shè)計(jì)相比,主梁變形最大變化量為15.4 mm,立模標(biāo)高計(jì)算時(shí)需調(diào)整預(yù)拱度的大小。
從分析結(jié)果來(lái)看,該文提出的工序調(diào)整方案在受力性能和主梁線形2個(gè)方面都可以滿足設(shè)計(jì)要求,甚至在不平衡彎矩上具有一定優(yōu)勢(shì),可為今后同類(lèi)工程的施工方案優(yōu)化提供參考。