林東龍

(福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350108)

0 引言

在斜拉橋整體施工過程中，斜拉索張拉是其中最為重要的一道工序，不同的張拉順序?qū)蛄菏┕r和最終成橋狀態(tài)的受力和變形都會產(chǎn)生較大的影響。如何通過斜拉索的張拉使橋梁達到設計的成橋狀態(tài)，是斜拉橋施工最為關(guān)鍵的問題之一。大部分斜拉橋為對稱結(jié)構(gòu)，主塔及斜拉索對稱布置，恒載下受力對稱，斜拉橋的位移及應力控制難度較小[1-4]，而空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋相較一般對稱斜拉橋，由于上下游側(cè)、中邊跨側(cè)斜拉索與主梁和主塔斜交角度均不同，且鋼混組合梁相比于混凝土梁剛度較小，采用不同的張拉方案拉索索力將對橋梁的內(nèi)力狀態(tài)和線形產(chǎn)生明顯的影響。因此，有必要對空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋張拉方案進行比較優(yōu)選，選取一種最優(yōu)的張拉方案，從而減小主梁和主塔在張拉過程及成橋狀態(tài)下的變形及應力，保證橋梁實際的成橋狀態(tài)與設計的成橋狀態(tài)一致[5-7]。

本文以某空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋為背景，分析了三種張拉方案下橋梁結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，從而選取一種最優(yōu)的張拉方案，并通過施工監(jiān)控數(shù)據(jù)測試分析，驗證其合理性。

1 工程背景

本文以某空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋為工程背景。該橋采用跨徑組合為70 m+160 m+70 m=300 m的雙塔雙索面斜拉橋，橋長300 m，橋?qū)?6 m。主梁采用鋼-混凝土組合梁，其中縱梁采用槽形截面，梁高2.6 m，頂板寬0.5 m，底板寬0.8 m?；炷翗蛎姘搴?.26 m。主塔采用水滴形橋塔，主塔塔身高69.75 m，塔座上方5.63 m范圍內(nèi)塔柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設計，其余塔柱按鋼塔內(nèi)填充混凝土進行設計；全橋共32對拉索，呈空間雙索面扇形布置；斜拉索為34-φs15.2 mm和43-φs15.2 mm PE包裹防護環(huán)氧噴涂鋼絞線兩種，標準強度1 860 MPa，鋼絞線拉索群錨體系，全橋共計4×8根。斜拉索在塔上采用分絲管式索鞍構(gòu)造，梁上采用鋼錨箱錨固構(gòu)造。主橋結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。

2 張拉順序優(yōu)化設計的原則

各斜拉索張拉過程會對其他斜拉索的索力產(chǎn)生影響，不同的張拉方案對塔梁結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力的影響也不一樣，因此需要優(yōu)化斜拉索張拉施工順序，在保證施工過程的安全和成橋狀態(tài)滿足設計要求情況下，減少二次調(diào)索的工作量，進一步縮短總工期。

斜拉索張拉順序優(yōu)化設計的原則主要如下：

1)保證張拉過程主梁、主塔應力不超過其容許值，確保橋面板不因應力過大而開裂。

2)鋼混組合梁鋼縱梁采用槽型截面，剛度較小，主梁易發(fā)生較大豎向變形和扭轉(zhuǎn)變形，因此應保證張拉過程主梁位移合理、線形平順。

3)空間異形索塔兩側(cè)索力不對稱，主塔容易發(fā)生偏位，應控制主塔偏位在合理范圍內(nèi)。

4)方便施工、盡量減少工期。

5)二期恒載施工完后索力能最大限度的接近設計值，盡量減少二次調(diào)索的工作量。

3 斜拉索張拉方案設計

斜拉索張拉方案設計分析計算采用MIDAS Civil專業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件。本橋采用單主梁有限元模型(見圖2)，模型共631個節(jié)點，580個單元，斜拉橋主梁和主塔采用梁單元模擬，斜拉索采用只受拉單元(索單元)模擬。主塔底部采用一般支承，全方位固結(jié)；永久支座采用一般彈性連接；臨時墩采用僅受壓的彈性連接；斜拉索與塔柱的連接均以共節(jié)點的形式連接。

該橋總體施工方案為主梁頂推到位后安裝人行道板，安裝預制橋面板，然后澆筑濕接縫及預應力施工，最后進行斜拉索張拉施工及臨時支架拆除。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場情況，選取了3種張拉方案進行優(yōu)化比選，不同張拉方案對比見表1。

表1 不同張拉方案對比

4 各張拉方案索力計算

為了達到設計成橋狀態(tài)的要求，對不同張拉方案下全部斜拉索的張拉力進行了計算，計算結(jié)果如圖3，圖4所示。由于南北塔的索力對稱，表中僅列出南側(cè)索塔的索力值。由圖5，圖6可知，三種張拉方案下的成橋索力與設計成橋索力基本一致，表明三種張拉方案的拉索張拉力均滿足設計成橋索力的要求，需進一步對施工過程中主梁主塔的內(nèi)力及位移進行詳細分析比較。

5 不同張拉方案結(jié)構(gòu)受力分析

采用Midas Civil模型對三種不同張拉方案下主梁主塔的內(nèi)力及位移進行計算，結(jié)果如下。

5.1 主梁位移

從圖7可看出：不同張拉方案作用下，張拉后主梁線形變化趨勢基本一致，主梁最大位移均出現(xiàn)在中跨跨中，但由于張拉順序及張拉索力的不同，不同方案下主梁最大最小位移均不同，在方案1、方案2、方案3作用下，斜拉索張拉后的最大主梁位移分別為172.1 mm，142.6 mm，142.3 mm；最小位移分別為：-6.1 mm，-4.2 mm，-4.1 mm。

由上可知，方案2、方案3在斜拉索張拉后主梁的豎向位移明顯大于方案1，故從主梁位移上方案2、方案3優(yōu)于方案1。

5.2 組合梁鋼梁部分應力

不同張拉方案作用下施工過程的組合梁鋼梁部分應力包絡圖對比見圖8。

方案1、方案2、方案3在張拉過程鋼混組合梁鋼梁部分最大拉應力分別為60.7 MPa，72.3 MPa，61.9 MPa；最大壓應力分別為-102.8 MPa，-101.0 MPa，-97.0 MPa。

從整體上看，三個張拉方案鋼梁應力分布規(guī)律基本一致，方案1在張拉過程中鋼梁的壓應力最大，方案2在張拉過程中鋼梁的拉應力最大，最大應力均接近施工過程設計應力控制值100 MPa，但未超過規(guī)范應力允許值。

5.3 組合梁混凝土橋面板應力

不同張拉方案作用下施工過程的組合梁橋面板應力包絡圖對比見圖9。

方案1、方案2、方案3在張拉過程中鋼混組合梁橋面板部分最大拉應力分別為+1.3 MPa，+1.6 MPa，+0.1 MPa；最大壓應力分別為-6.0 MPa，-5.8 MPa，-5.9 MPa。

從整體上看，三個張拉方案張拉后橋面板混凝土應力分布規(guī)律基本一致，但在張拉過程中方案1、方案2橋面板的拉應力明顯比方案3大，接近橋面板施工階段拉應力容許值，方案3在張拉過程中橋面板僅在局部出現(xiàn)較小的拉應力。

5.4 主塔偏位

不同張拉方案下成橋狀態(tài)主塔縱向位移對比如圖10(a)所示。

從圖10(a)可看出：不同張拉方案作用下，主塔最大縱向位移均在頂部。在方案1、方案2、方案3作用下，主塔的最大縱向位移分別為24.8 mm，14.9 mm，15.1 mm，其中，方案1的主塔縱向位移超過規(guī)范的限值17.4 mm，方案2、方案3主塔縱向位移明顯較方案1小，最大縱向位移未超過規(guī)范要求，且線形基本平順。

5.5 主塔應力

不同張拉方案作用下施工過程的鋼主塔應力包絡圖對比見圖10(b)，圖10(c)。

方案1、方案2、方案3在張拉過程中鋼主塔最大拉應力分別為36.8 MPa，36.5 MPa，36.6 MPa；最大壓應力分別為-64.9 MPa，-64.5 MPa，-64.6 MPa。

從整體上看，三個張拉方案鋼主塔應力分布規(guī)律基本一致，最大應力均出現(xiàn)在25號單元處即主塔弧形中部，最大應力均小于施工過程設計應力控制值100 MPa，且未超過規(guī)范應力允許值。

5.6 小結(jié)

通過以上三種方案的計算結(jié)果對比可知，方案2、方案3的主梁位移和主塔縱向位移較方案1小，方案3的橋面板拉應力明顯較方案1、方案2小，不同張拉方案對結(jié)構(gòu)影響的差異主要在于施工過程中橋面板的應力，以主跨1/4跨位置的應力影響最明顯，主要原因為該區(qū)域橋面板未布置預應力鋼束，斜拉索角度不同導致對主梁的豎向分力和橫向分力不同，先張拉短索相對先張拉長索短期對主梁施加的豎向拉力較大，橫向軸壓力較小，從而導致較大橋面板拉應力。

綜合上述分析，結(jié)合現(xiàn)場施工的情況、施工工期等，選取方案3作為最終的張拉方案。

6 斜拉索張拉施工效果

選擇方案3長索到短索一次張拉方案，在張拉過程中，通過對主梁和索塔的監(jiān)測，應力和線形均滿足控制及設計要求。斜拉索張拉完成后，對主梁線形進行測試，測試結(jié)果見圖11。主梁線形整體規(guī)律與計算值基本一致，總體上主橋橋面縱向線形較平順，無明顯突變點。主梁、主塔位移和應力實測值與計算值均較吻合，綜合表明了選取方案3作為實際的張拉方案是最優(yōu)最合理的(見表2)。

表2 斜拉索張拉后實測值與計算值對比

7 結(jié)論

本項目為雙塔雙索面斜拉橋，主梁采用鋼-混凝土組合梁，其中縱梁采用槽形截面，主塔采用水滴形橋塔，斜拉索呈空間雙索面扇形布置，為了尋求最優(yōu)的張拉順序，使結(jié)構(gòu)在滿足設計成橋狀態(tài)要求的同時最大程度的減小結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形和應力，本文設計了三種不同的張拉方案，計算了各方案的張拉力，并從主梁主塔位移、組合梁鋼梁和橋面板應力、主塔應力等方面進行了對比分析，得出主要結(jié)論如下:

1)在整個施工過程中，方案3主梁位移和主塔偏位均較小，特別是橋面板拉應力明顯較小，變形和應力最優(yōu)；且綜合考慮現(xiàn)場施工的情況、施工工期等其他方面的問題，選擇方案3作為實際最終的張拉方案。

2)實際斜拉索張拉過程中，通過對主梁和索塔進行監(jiān)測，可知主梁、主塔線形和應力均與計算結(jié)果較吻合，表明所采用方案3長索到短索的一次張拉方案是合理、可行的。

3)通過對斜拉索張拉方案的優(yōu)化設計研究，在確保施工過程的安全和成橋狀態(tài)滿足設計要求情況下，減少二次調(diào)索的工作量和縮短了工期，對今后類似工程的施工控制而言具有一定的參考價值。