阮映輝，孫立鵬，王 興，3

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

0 引言

組合梁斜拉橋施工步驟多、工藝要求高，施工時采用的工法對橋梁建成后的受力狀態(tài)和線形有著重要的影響。近年修建的灌河大橋采用單節(jié)段循環(huán)施工工法，逐段安裝、逐段澆筑接縫混凝土[1]；海黃大橋及洛溪大橋采用了兩節(jié)段循環(huán)的施工方法[2-3]。不同節(jié)段主梁循環(huán)施工方法的區(qū)別在于橋面板接縫的澆筑時間，會直接決定組合梁斜拉橋施工時橋面板和鋼主梁的應力狀態(tài)，最終導致不同方案間成橋的內力與線形存在差異，而且澆筑與養(yǎng)護混凝土橋面板的濕接縫是決定施工時間長短的重要因素。因此，在保證結構安全、施工速度和合理成橋狀態(tài)的基礎上，選擇合理的主梁施工方法，是組合梁斜拉橋施工的重點[4]。

胡俊[5]研究了組合梁斜拉橋混凝土橋面板疊合時機，發(fā)現(xiàn)滯后一個或兩個節(jié)段澆筑濕接縫，橋面板基本沒有拉應力，鋼梁的壓應力會隨著濕接縫的滯后澆筑明顯增大，接縫合理的澆筑時機是滯后一個節(jié)段澆筑。易云焜[6]等指出濕接縫澆筑時機對組合梁斜拉橋施工和成橋內力都有顯著影響，且沒有選擇合理的疊合時機是橋面板開裂的主要原因之一。洪麗娟[7]針對組合梁斜拉橋多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫施工方法進行研究，結果表明組合梁斜拉橋采用多節(jié)段循環(huán)濕接縫的施工方法，縮短了濕接縫澆筑及等強的時間，顯著提高了斜拉橋鋼混疊合梁的施工工效。齊鐵東[4]依托樂清灣2號橋進行計算，結果表明兩節(jié)段循環(huán)施工時鋼梁和混凝土橋面板在施工過程中處于安全狀態(tài)。

在以上研究的基礎上，本文以臺州灣跨海大橋為工程背景，對按照混凝土橋面板濕接縫澆筑時間而區(qū)分的單節(jié)段循環(huán)施工、兩節(jié)段循環(huán)施工和三節(jié)段循環(huán)施工這三種施工方法的施工效率以及橋梁在施工時和建成后的內力狀態(tài)，進行了分析與比較。

1 工程概況

臺州灣跨海大橋通航孔橋為雙塔雙索面半飄浮體系鋼—混組合梁斜拉橋[8-9]，跨徑布置為85m+145m+488m+145m+85m，邊跨設輔助墩。標準索間距為10.5m，邊跨靠近尾索區(qū)索間距為8.4m。橋梁總體布置如圖1所示。主梁標準橫斷面如圖2所示，采用雙邊箱形鋼混組合梁結構形式，含風嘴全寬38.5m，中心線處梁高為3.5m。施工方法為在工廠制作各節(jié)段，然后運至現(xiàn)場整節(jié)段拼裝，共97個梁段。標準梁段長10.5m，輔助跨標準梁段長8.4m。鋼梁與混凝土板栓釘連接、節(jié)段間焊接連接，濕接縫混凝土采用微膨脹混凝土。橋面板全寬34m，中跨除了鋼梁腹板和橫隔板的上翼緣處厚度為400mm外，其余部分橋面板厚度為280mm。

圖1 橋梁總體布置(單位：cm)

圖2 主梁標準橫斷面(單位：mm)

本橋原設計方案為單節(jié)段循環(huán)濕接縫施工方法，即按照主梁吊裝拼接、拉索一張、濕接縫澆筑、拉索二張、預應力張拉、吊機前移、拉索二張的工序循環(huán)施工。實際施工時出于工期考慮，對主梁施工方法進行調整，即將原設計的單節(jié)段循環(huán)工藝調整為兩節(jié)段循環(huán)工藝。本文再提出本橋三節(jié)段循環(huán)施工方法，對這三種工藝具體的工效、受力等進行分析，并對工藝調整帶來的索力影響進行研究，為組合梁斜拉橋多節(jié)段循環(huán)的施工方法提供依據(jù)。

2 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工工效分析

國內組合梁斜拉橋常用的施工方法是在工廠預制鋼主梁和橋面板，并形成組合截面大節(jié)段運至橋位現(xiàn)場，進行整節(jié)段懸臂拼裝施工[10]。選擇不同的施工方法會對施工工效有顯著的影響，各施工方法的主要差異有橋面板濕接縫的澆筑時間、拉索張拉次數(shù)、張拉預應力的時間等。

臺州灣跨海大橋跨徑大、施工難度高，且橋址位于易受臺風影響的浙江省，通常要靠提高施工速度縮短工期的方法來避免臺風期對橋梁建設的影響。采用多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫可顯著提高主梁的施工效率，即在多個梁段吊裝完成后，將多道濕接縫同時澆筑，大大減少了多道濕接縫的澆筑與等強的總時間。為此，本項目對不同的施工方法的施工方案作如下安排并對其工效進行分析，多節(jié)段循環(huán)施工功效分析見表1。

表1 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工工效分析

(續(xù)表1)

從表1中每種節(jié)段循環(huán)的施工方案來看，張拉預應力鋼束并澆筑濕接縫混凝土占據(jù)了較長的時間，如何安排該工序，提高施工功效，是縮短建設工期的關鍵。對此，可以考慮在兩個或三個節(jié)段吊裝完成后，一次性澆筑這幾個節(jié)段間的濕接縫。其中，單節(jié)段循環(huán)工藝用時11.5d；兩節(jié)段循環(huán)工藝用時16d，平均1個梁段施工用時8d；而三節(jié)段循環(huán)工藝用時20.5d，平均一個梁段施工用時6.83d。

經(jīng)計算，單節(jié)段循環(huán)施工總工期用時n+396d(n為下部結構及橋塔施工工期)，兩節(jié)段循環(huán)施工總工期用時n+328.5d，提前67.5d結束，合計2.25個月。對于沿海地區(qū)受臺風影響的橋梁施工來說，可以充分利用工藝改變帶來的機動時間，不會出現(xiàn)總工期延誤推遲的情況。該橋最后選擇兩節(jié)段循環(huán)吊裝然后一次性澆筑濕接縫的施工工藝，該施工工藝的濕接縫澆筑流程如圖3所示。對于三節(jié)段循環(huán)施工，總工期用時n+304.5d，相比較標準單節(jié)段循環(huán)施工，提前91.5d結束，合計3.05個月。雖然也可以達到縮短工期的效果，但不及兩節(jié)段效果顯著。同時，由于施工方法的改變，各施工節(jié)段受力狀態(tài)的影響還未展開研究，施工階段中主梁受力的變化有待進行分析。

圖3 橋面板布置及濕接縫澆筑施工流程

3 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工受力分析

通過建立組合梁斜拉橋的有限元模型，模擬其橋面板單節(jié)段、兩節(jié)段、三節(jié)段澆筑濕接縫這三種施工方法，得到鋼梁及混凝土橋面板在不同施工方法下的內力。施工荷載主要包括索力、自重、橋面吊機等。分析計算提取上述三種施工方法時4#～9#主梁節(jié)段的內力狀態(tài)，得到各節(jié)段混凝土橋面板和鋼梁的應力。

3.1 有限元模擬

采用空間有限元分析方法，建立了組合梁斜拉橋的空間有限元模型，如圖4所示。索塔用空間梁單元模擬，主梁組合結構用雙單元模擬，兩者之間以剛性連接為邊界條件，模擬聯(lián)合截面，拉索用桁架單元模擬，全橋共2 659節(jié)點、2 293單元。施工階段按濕接縫澆筑時機分單節(jié)段、兩節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)這三種施工方法模擬。

圖4 全橋有限元模型

3.2 施工過程應力計算結果

為分析不同施工方法對結構的受力影響，分別對上述三種施工方法的有限元模型進行對比計算，得到施工階段鋼主梁及橋面板的應力。各梁段的計算結果見表2。

表2 多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫混凝土施工方案各梁段構件應力(單位：MPa)

顯然，施工方法由單節(jié)段循環(huán)施工改為兩節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)，鋼主梁與混凝土橋面板的拉應力有著較明顯的增加。由于濕接縫是在多個節(jié)段吊裝后一次性澆筑，接縫處鋼主梁未澆筑混凝土形成聯(lián)合截面共同受力，故其上翼緣拉應力值增加較多。而且濕接縫導致橋面板受力不連續(xù)，會增大邊緣區(qū)域的拉應力。同理，非濕接縫處的區(qū)域形成了聯(lián)合截面，鋼與混凝土共同受力，所以改變施工方法引起的應力變化并不大。

3.3 多節(jié)段循環(huán)施工的合理性

由于采用多節(jié)段循環(huán)施工，濕接縫處鋼主梁穩(wěn)定性降低，橋面板的開裂風險增加，故選取混凝土橋面板最大拉應力及鋼主梁最大壓應力的結果如圖5和圖6所示。

圖5 多節(jié)段循環(huán)施工下橋面板拉應力

圖6 多節(jié)段循環(huán)施工下鋼梁壓應力

根據(jù)有限元計算結果和圖5、圖6可以看出，多節(jié)段循環(huán)施工時，主梁的橋面板在主梁未澆筑濕接縫時，主梁截面突變處的混凝土橋面板存在較大的拉應力，并且拉應力隨著節(jié)段數(shù)量增大而增大。采用三節(jié)段循環(huán)施工時，在該節(jié)段循環(huán)靠近橋塔方向的橋面板累計拉應力達到2.1MPa，超過了抗拉強度。待濕接縫澆筑并張拉預應力束后，混凝土橋面板的負彎矩大幅度降低，同時也降低了主梁的拉應力。

采用兩節(jié)段循環(huán)施工方法時，鋼梁的最大壓應力會略微小于采用單節(jié)段循環(huán)施工，所以采用兩節(jié)段循環(huán)施工，對斜拉橋的受力是較為合理的。臺州灣跨海大橋采用的施工方法就是兩節(jié)段循環(huán)施工，在確保橋梁受力合理的前提下，提高了施工效率，減少臺風等惡劣天氣影響施工進度的概率。

4 施工方法調整對斜拉橋索力的影響

4.1 成橋索力偏差

由于原施工階段的拉索索力是由單節(jié)段循環(huán)進行計算的，故采用兩節(jié)段、三節(jié)段進行循環(huán)施工時，結構成橋后必然無法達到預期的合理成橋狀態(tài)。同時，由于施工因素的不確定性，成橋后的索力、主梁內力和線形與設計目標存在差異，因此最初給定的拉索索力已不再適用于修改后的施工方案。通過對比各施工方案下合理成橋狀態(tài)和成橋索力間存在的差異可以得出，單節(jié)段、兩節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)施工的成橋索力與目標索力相比的誤差分別為-7%～9%、-10%～9%、-12%～9%。顯然，改變施工方法對成橋索力有一定程度的影響，三節(jié)段循環(huán)施工的最大索力偏差為-12.4%，拉索編號為S1(Si為邊跨拉索，Mi為中跨拉索，越遠離橋塔數(shù)字越大)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，成橋后索力偏差不應超過±5%，即最大調整值為7.4%，與索力值相比較小，所以可以通過合龍后二次調索而不用調整施工索力，達到成橋最優(yōu)內力分布。

某些索力的誤差較小，此時調整該索索力對周邊索力的影響很小。為減小二次調索的工程量，應在保證調索后所有索力滿足規(guī)范的基礎上，盡量減少調索次數(shù)。

4.2 二次調索結果

本文用迭代法計算二次索力。邊索對塔和梁的變形影響較大，因此先調整邊索能夠減少總調索量，減少二次調索引起的內力變化。

以合龍后斜拉索的索力Ti0作為初始索力，經(jīng)過二期恒載、收縮徐變后的成橋索力與目標索力Td的差值為ΔTi0，故第一次迭代時第i根拉索索力調整為Ti1=Ti0+ΔTi0[11]，按施工順序迭代計算，則第j次迭代值為Tij=Ti(j-1)+ΔTi(j-1)，一直迭代計算至所有ΔTij/Td<±5%。最終各拉索的二次調索值成橋索力最大偏差為-3.8%，滿足規(guī)范要求。

圖7所示為三種施工方法下的二次索力調整值。從圖7可以看出，大部分拉索的調整值的絕對值都小于300 kN,有少數(shù)幾根拉索的調整值大于400 kN,滿足合理成橋狀態(tài)的要求。

圖7 多節(jié)段循環(huán)施工各索力調整值

索力的偏差會隨著主梁節(jié)段長度的增加而增加，進而增加了調索的工作量，其中索力調整值比較大的是最靠近橋塔的6根拉索。單節(jié)段循環(huán)施工最大的索力調整值為92kN，而三節(jié)段循環(huán)施工的最大索力調整值為545kN，兩者差異顯著。所以就二次調索的工作量而言，三階段循環(huán)施工的復雜度要遠高于另外兩種施工方法。

4.3 結構應力分析

利用Midas Civil計算調索前與調索后鋼主梁與混凝土橋面板的受力狀態(tài)。以兩節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫施工為例，計算結果如圖8和圖9所示。

圖8 二次調索前后混凝土橋面板應力

圖9 二次調索前后鋼主梁應力

二次調索后鋼主梁最大應力增量為8.9MPa，最大壓應力小于55MPa，受力安全。二次調索造成混凝土橋面板應力增加值最大為0.66MPa，減小值最大為0.64MPa，總體增加幅度變小，沒有出現(xiàn)處于拉應力，并且二次調索后混凝土橋面板的應力集中程度有所減小。由于索力的調整幅度較小，且在主橋合龍后結構整體剛度大時調索，所以對于結構受力的影響較小。

5 結語

組合梁斜拉橋施工過程涉及鋼梁和混凝土橋面板的結合時機，它是加快主梁施工進度的關鍵環(huán)節(jié)。斜拉橋的成橋線形、內力狀態(tài)與施工過程密切相關。由單節(jié)段循環(huán)改為多節(jié)段循環(huán)滯后澆筑濕接縫的施工方法，將直接改變組合梁斜拉橋施工時的內力，最終造成了成橋線形和內力與目標的差異。本文以一座大跨徑組合梁斜拉橋為對象，探討了混凝土橋面板濕接縫的澆筑工序，分析了三種濕接縫澆筑工序的工效、對結構在施工及成橋后的受力影響，以此對多節(jié)段循環(huán)的施工方法進行比較，得到如下結論：

(1)通過對比分析單節(jié)段循環(huán)施工和多節(jié)段循環(huán)施工工期可以得出，多節(jié)段循環(huán)施工一次性澆筑多道濕接縫，顯著縮短了濕接縫澆筑及等強的時間。對于臺州灣跨海大橋，在不改變輔助墩主梁及邊跨合龍主梁施工工序的前提下，進行三節(jié)段循環(huán)工藝工效計算，同兩節(jié)段與單節(jié)段循環(huán)縮短的工期數(shù)相比，并未有更多的減少。

(2)根據(jù)有限元計算結果，兩節(jié)段循環(huán)施工的結構應力滿足規(guī)范要求，而三節(jié)段施工橋面板應力超限，會引起橋面板開裂。采用兩節(jié)段循環(huán)施工，對斜拉橋的受力是較為合理的。臺州灣跨海大橋采用兩節(jié)段循環(huán)施工，在確保橋梁受力合理的前提下，提高了施工效率。

(3)將單節(jié)段循環(huán)施工改為多節(jié)段循環(huán)施工，會使成橋后的內力產生偏差，通過二次調索來修正這些偏差，計算給出了索力調整值，將調索后橋梁的內力狀態(tài)與調索前做了比較。計算結果表明，二次調索后的斜拉橋滿足合理的成橋狀態(tài)。