張皓清 鄭清剛 張金濤 蔣凡

中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430050

1 工程概況

常泰長江大橋是長江上首座集高速公路、一級(jí)公路、高速鐵路“三位一體”的過江通道。采用雙層橋面布置，上層布置6車道高速公路，下層采用非對稱布置，為2線高速鐵路（上游） + 4車道一級(jí)公路（下游）［1］?？缃伟ㄖ骺? 176 m鋼桁梁斜拉橋、2座主跨388 m的鋼桁拱橋和1座3 × 124 m的連續(xù)鋼桁梁橋。大橋于2019年動(dòng)工，計(jì)劃于2025年建成通車。主航道橋跨度2 440 m，是在建世界最大跨度的斜拉橋，其孔跨布置為（142 + 490 + 1 176 + 490 + 142）m。為減小塔底彎矩和梁端位移，采用溫度自適應(yīng)塔梁縱向約束體系，即用溫度惰性索錨固于跨中梁底與中跨側(cè)主塔橫梁之間，建立塔梁約束，既可實(shí)現(xiàn)塔梁的縱向約束，又能保證結(jié)構(gòu)的溫度不動(dòng)點(diǎn)位于橋梁對稱中心，從而降低溫度次內(nèi)力［2-3］。

常泰大橋空間鉆石形橋塔見圖1。上塔柱為鋼箱-核芯混凝土組合結(jié)構(gòu)；中、下塔柱為鋼筋混凝土空間四肢結(jié)構(gòu)，單肢為正八邊形斷面。通過增加塔肢數(shù)量，減小單個(gè)塔肢截面尺寸，不僅可以降低塔肢在施工期和運(yùn)營期的開裂風(fēng)險(xiǎn)，還增大了結(jié)構(gòu)順橋向剛度，提高了行車舒適性［4-5］。在中、下塔柱交匯區(qū)域設(shè)置了兩道縱梁與兩道橫梁，均為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

圖1 常泰大橋空間鉆石形橋塔（單位：m）

縱橫梁均為單箱單室不規(guī)則四邊形斷面。橫梁采用變截面設(shè)計(jì)，跨中梁高8.0 m，頂板厚1.0 m，底板及腹板厚1.5 m，梁底曲線半徑126.0 m；縱梁亦采用變截面設(shè)計(jì)，跨中梁高6.0 m，頂板及腹板厚1.0 m，底板厚1.2 m，梁底曲線半徑35.3 m。塔梁間豎向永久支座布置于邊跨側(cè)橫梁頂，中跨側(cè)橫梁頂設(shè)有碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastics，CFRP）索的塔端錨固齒塊，縱梁不設(shè)置任何支座或錨固結(jié)構(gòu)，見圖2?？v橫梁合計(jì)混凝土方量約8 800 m3，澆筑規(guī)模大，且其斷面為單向傾斜的四邊形，底部圓弧形設(shè)計(jì)，對模板及支撐體系的配置提出了較高要求?；炷敛捎肅60準(zhǔn)清水混凝土，設(shè)計(jì)時(shí)對外觀質(zhì)量及抗裂能力要求較高。

圖2 常泰橋塔縱橫梁

2 縱橫梁施工分析

2.1 縱橫梁受力特點(diǎn)

兩個(gè)永久支座布置在邊跨側(cè)橫梁的端部，以縮短支座反力與塔柱間的傳力路徑，降低橫梁根部彎矩。中跨側(cè)橫梁頂設(shè)置錨固齒塊承擔(dān)縱橋向CFRP索力，將兩齒塊布置在靠近中塔柱根部處，以降低橫梁的面外彎曲與扭轉(zhuǎn)變形。橫梁通過采用實(shí)心截面局部加強(qiáng)，以滿足支座墊石與齒塊位置的抗剪需求。

縱梁將邊跨和中跨四塔肢連為一體，抵抗中、下塔柱的外傾力，提高橋塔整體剛度。由于縱梁上沒有支座墊石或齒塊，因此內(nèi)力是通過塔梁節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)得到的。橋塔設(shè)計(jì)控制工況是主力 + 附加力工況（中跨滿布活載 + 縱風(fēng) + 降溫），主塔在此工況下向中跨側(cè)彎曲，塔梁節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)縱梁產(chǎn)生S形的彎曲變形（圖3），塔梁交匯處縱梁所受的彎矩與剪力較大，為縱梁設(shè)計(jì)的控制斷面。此外，邊跨側(cè)下塔柱底外緣受拉，為下塔柱設(shè)計(jì)的控制斷面。

圖3 設(shè)計(jì)控制工況縱梁變形分析

縱梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：縱梁中通長預(yù)應(yīng)力束張拉會(huì)使下塔柱頂“內(nèi)收”，下塔柱底部外緣受拉，由此降低邊跨下塔柱底外緣的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，在設(shè)計(jì)控制工況下受力不利。施工期間，當(dāng)縱橫梁以上的結(jié)構(gòu)尚未施工，通長預(yù)應(yīng)力束的張拉會(huì)對下塔柱頂截面受力產(chǎn)生不利影響。因此，將部分縱梁通長預(yù)應(yīng)力束調(diào)整為在縱梁后澆帶斷開的短束（圖4）。短束預(yù)應(yīng)力效應(yīng)僅作用于除后澆段外的縱梁，包括塔梁交匯區(qū)域，在增大縱梁控制斷面壓應(yīng)力儲(chǔ)備的同時(shí)不會(huì)對下塔柱底控制斷面產(chǎn)生不利影響，也降低了施工期間下塔柱底的開裂風(fēng)險(xiǎn)。該預(yù)應(yīng)力布置方式也為施工控制方案中的分區(qū)澆筑提供了條件。

圖4 在縱梁合龍口張拉的預(yù)應(yīng)力鋼束（單位：cm）

2.2 施工方案分析

橋塔橫梁常規(guī)施工多采用分層澆筑、分層鑿毛、分批張拉預(yù)應(yīng)力束的方案，以降低混凝土單次澆筑需求量，減少施工臨時(shí)支架受力［6-7］。但上述方案存在明顯缺點(diǎn)：①后澆層的混凝土濕重由先澆層混凝土和臨時(shí)支架承擔(dān)，該施工工況成為橫梁設(shè)計(jì)的控制工況，使得預(yù)應(yīng)力的布置受施工控制。②鑿毛不到位或工序銜接不合理會(huì)在二次澆筑的分界面產(chǎn)生冷縫、裂紋等病害［8］。因此，考慮縱橫梁沿高度方向不分層、一次性澆筑完成。受制于混凝土的供應(yīng)能力和質(zhì)量控制要求，需要研究平面分區(qū)域澆筑方案。

由設(shè)計(jì)階段的預(yù)應(yīng)力布置形式可知，須在縱橫梁跨中設(shè)置后澆段，將四根縱橫梁分為獨(dú)立的四個(gè)部分。由于下塔柱四肢很難同步施工，在齡期差別的影響下，導(dǎo)致豎向收縮徐變變形存在差異，縱橫梁與四塔肢形成的超靜定框架會(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力。平面上分區(qū)域澆筑可以降低徐變次內(nèi)力。經(jīng)計(jì)算得到后澆段與先澆筑的縱橫梁區(qū)段齡期差10 d時(shí)，可有效降低橫梁面內(nèi)次彎矩6 120 kN·m。為減少施工冷縫，在梁高方向不分層。

3 施工控制方案

3.1 四個(gè)L形區(qū)域澆筑順序

四個(gè)獨(dú)立的L形區(qū)域同時(shí)澆筑對結(jié)構(gòu)受力與長期變形最有利，但單個(gè)L形區(qū)域混凝土方量高達(dá)2 200 m3。綜合混凝土供應(yīng)能力，研究四個(gè)區(qū)域的澆筑順序。

塔肢及縱橫梁先后施工的齡期差異導(dǎo)致在合龍口兩側(cè)存在豎向變形差，且先澆筑的L形區(qū)域使得縱橫梁臨時(shí)支架系統(tǒng)先發(fā)生變形。后澆筑區(qū)域在已發(fā)生變形的支撐系統(tǒng)上施工，其無應(yīng)力幾何尺寸會(huì)受影響［9］，梁塔交界處的梁端轉(zhuǎn)角也會(huì)導(dǎo)致合龍口產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。

對比多種澆筑次序的計(jì)算結(jié)果，提出如下應(yīng)對措施：①減小四個(gè)L形區(qū)域澆筑的齡期差異。因?yàn)闄M梁跨度比縱梁大，應(yīng)優(yōu)先減小橫梁合龍口兩側(cè)L形區(qū)域的澆筑齡期，從而減小錯(cuò)臺(tái)。②合理優(yōu)化縱橫梁澆筑支撐體系，減少四個(gè)L形區(qū)域豎向支撐的相互聯(lián)系，降低先澆區(qū)域?qū)鬂矃^(qū)域的影響。在橫梁跨中對支架和分配梁采取斷開處理的方式。③對于可預(yù)見的合龍口錯(cuò)臺(tái)，在立模時(shí)通過設(shè)置預(yù)拱的方式消除錯(cuò)臺(tái)。

此外，不同的L形區(qū)域澆筑順序會(huì)使得縱橫梁施工完成后四塔肢的反力不同，須通過計(jì)算確定成橋時(shí)反力差別最小的施工順序，以減小四塔肢豎向徐變差異。對比以下三種L形區(qū)域澆筑順序：1‐2‐3‐4（先邊跨），1‐3‐2‐4（先上游），1‐4‐2‐3（對角線）?？v橫梁分區(qū)澆筑方案見圖5。

圖5 縱橫梁分區(qū)澆筑方案

不同L形區(qū)域施工順序計(jì)算結(jié)果見表1?？芍捎?‐2‐3‐4的澆筑順序，在四個(gè)L形區(qū)域澆筑完成后合龍口錯(cuò)臺(tái)量較小，且四塔肢豎向反力差別最小，故最終采用此澆筑順序。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，4‐3‐2‐1與3‐4‐1‐2的澆筑順序，也是符合以上分析結(jié)論的。

表1 不同L形區(qū)域施工順序計(jì)算結(jié)果

3.2 縱梁合龍口對頂

邊跨側(cè)下塔柱在設(shè)計(jì)控制工況下向中跨側(cè)彎曲，其外緣受拉。因此，考慮在縱梁合龍口處對頂，使邊跨下塔柱底預(yù)存設(shè)計(jì)控制工況的反向變形（圖6），提高其外緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備，減小開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 縱梁合龍口對頂工況下塔柱變形

縱梁合龍口對頂力的大小既要滿足施工期的監(jiān)控要求，即塔柱底應(yīng)力不超出控制值，又要滿足中跨側(cè)塔底控制工況的同向變形及內(nèi)側(cè)應(yīng)力要求，在降低中跨側(cè)塔底壓應(yīng)力高富余和提高邊跨側(cè)塔底壓應(yīng)力儲(chǔ)備之間達(dá)到平衡。

通過計(jì)算最終確定縱梁合龍口臨時(shí)有效對頂力為1 000 kN，對應(yīng)合龍口位移張開1.7 mm。但因無法準(zhǔn)確獲取模板支架對混凝土梁的阻力，故采取位移控制為主，頂推力控制為輔的原則，采用精度為 ±50 μm的磁致位移計(jì)對頂推位移進(jìn)行控制，可滿足監(jiān)測要求。通過頂推，為邊跨側(cè)下塔柱底預(yù)存了約52 000 kN·m的彎矩，邊跨側(cè)柱底安全系數(shù)提高約1.40%，中跨側(cè)柱底安全系數(shù)降低約1.45%，檢算后仍滿足設(shè)計(jì)要求。此外，縱梁合龍口的對頂力為合龍段混凝土增加了一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，降低了新舊混凝土交界面處的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 預(yù)應(yīng)力張拉次序

基于縱橫梁在運(yùn)營期極限工況的內(nèi)力設(shè)計(jì)縱橫梁預(yù)應(yīng)力束。施工期間預(yù)應(yīng)力張拉前，外傾塔肢重力作用使下塔柱底部彎矩達(dá)到最大值，其根部為應(yīng)力控制斷面。隨著預(yù)應(yīng)力逐步施加，柱底彎矩逐漸減小，柱頂彎矩逐漸增大，應(yīng)力控制斷面逐步轉(zhuǎn)移至柱頂。若在中塔柱尚未施工前，將縱橫梁所有預(yù)應(yīng)力一次全部張拉完畢，經(jīng)計(jì)算，下塔柱頂內(nèi)緣塔梁交界處會(huì)有6.65 MPa的主拉應(yīng)力（圖7），超出TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］中C60混凝土主拉應(yīng)力容許值3.15 MPa。

圖7 預(yù)應(yīng)力次序優(yōu)化前縱橫梁及塔柱主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

設(shè)計(jì)中將部分通長預(yù)應(yīng)力束改為錨固在跨中后澆段的非通長短束，可以優(yōu)化預(yù)應(yīng)力在施工期對結(jié)構(gòu)的影響。此外，可以結(jié)合以下兩種方式降低預(yù)應(yīng)力施工期下塔柱頂?shù)睦瓚?yīng)力：①預(yù)應(yīng)力全部張拉前施工中塔柱，通過增加重量增大下塔柱四肢外傾趨勢，抵消下塔柱頂?shù)膹澢瓚?yīng)力；②擇機(jī)卸落縱橫梁支架系統(tǒng)的豎向臨時(shí)支撐，依靠縱橫梁自重抵消部分預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。

經(jīng)計(jì)算，最終確定將縱橫梁預(yù)應(yīng)力分三批張拉?？傮w施工步驟如下：①待縱橫梁四個(gè)L形區(qū)域澆筑完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，張拉第一批縱梁預(yù)應(yīng)力束（非通長的預(yù)應(yīng)力短束）；②澆筑橫梁跨中合龍段，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉第一批橫梁預(yù)應(yīng)力束；③縱梁合龍口頂推并在夜間低溫時(shí)段澆筑縱梁跨中合龍段，待達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉第二批縱梁預(yù)應(yīng)力束；④澆筑中塔柱起始節(jié)段，張拉橫梁第二批預(yù)應(yīng)力束；⑤解除縱橫梁支架的豎向臨時(shí)支撐，張拉縱橫梁第三批預(yù)應(yīng)力束，至此所有預(yù)應(yīng)力束張拉完畢。

為減小預(yù)應(yīng)力施工過程中對梁體產(chǎn)生的偏心彎矩，降低非對稱施工風(fēng)險(xiǎn)，每批預(yù)應(yīng)力的張拉順序遵循以下原則：①兩個(gè)縱（橫）梁對稱位置同步張拉；②縱梁左右腹板上的鋼束對稱同步張拉，橫梁頂?shù)装迳系匿撌鴮ΨQ同步張拉；③腹板上的鋼束按照先中間后上下的順序隔孔張拉，頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力束按照先中間后左右的順序隔孔張拉。

經(jīng)過模擬計(jì)算，所有工況塔柱與縱橫梁應(yīng)力均滿足監(jiān)控要求。預(yù)應(yīng)力施工完成后最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在下塔柱頂外緣（圖8），應(yīng)力約為2.89 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖8 預(yù)應(yīng)力次序優(yōu)化后縱橫梁及塔柱主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.4 縱橫梁預(yù)拱度的設(shè)置

為保證成橋收縮徐變后縱橫梁線形逼近設(shè)計(jì)線形，綜合成橋目標(biāo)狀態(tài)的變形量、支架彈性及非彈性變形量、環(huán)境溫度修正量三方面因素，對縱橫梁設(shè)置了預(yù)拱度。

經(jīng)計(jì)算縱橫梁預(yù)拱度曲線見圖9。可知：①由于常泰大橋橫向非對稱的荷載布置，致使上下游縱梁的預(yù)拱度曲線未完全重合，但趨勢相同。②因永久支座僅置于邊跨側(cè)橫梁，致使邊中跨橫梁預(yù)拱度曲線未完全重合，且受非對稱荷載影響，橫梁預(yù)拱度曲線關(guān)于跨中略不對稱。

圖9 縱橫梁預(yù)拱度曲線

對中跨側(cè)橫梁受CFRP索錨固力作用而產(chǎn)生的面外變形進(jìn)行分析，變形量小于5 mm，考慮放樣及施工誤差，未設(shè)置縱橋向面外預(yù)拱度。

3.5 混凝土防開裂措施

橋塔施工過程中的裂縫控制除根據(jù)施工控制方案計(jì)算分析主拉應(yīng)力以外，還可從以下幾方面進(jìn)行控制：①溫度控制?？刂苹炷寥肽囟炔怀^28 ℃，不低于5 ℃；澆筑過程中通過控制冷卻水管中進(jìn)水溫度、水流速率、外模板保溫等方式，控制混凝土內(nèi)外溫差及降溫速率，且混凝土芯部的最高溫度不超過70 ℃。②養(yǎng)生控制?；炷翝仓髱ｐB(yǎng)護(hù)齡期不少于4 d，第5 d后采用密閉保溫幕布通水蒸氣的方式養(yǎng)護(hù)至14 d。③優(yōu)化混凝土配合比、添加抗裂劑。④混凝土保護(hù)層厚度控制。過厚的保護(hù)層會(huì)增加混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 施工控制實(shí)施及效果

空間鉆石形四肢橋塔縱橫梁是承接下、中塔柱的關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)，且其空間傾斜面、曲面較多，給混凝土的布料、振搗工作帶來了較多的困難。首個(gè)L形區(qū)域，澆筑時(shí)長約48 h，混凝土方量2 105 m3，平均43.85 m3/h；后續(xù)三個(gè)L形區(qū)域澆筑時(shí)間逐漸減少，最后一個(gè)L形區(qū)域澆筑用時(shí)43 h。

主塔下橫梁臨時(shí)支架合計(jì)布置16個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，施工期實(shí)測最大峰值拉應(yīng)力201 MPa（數(shù)值模擬值210 MPa），實(shí)測峰值剪應(yīng)力112 MPa（數(shù)值模擬值120 MPa），支架最大橫向變形17.9 mm。支架應(yīng)力及位移結(jié)果均滿足規(guī)范要求。實(shí)測混凝土核心溫度峰值68.5 ℃。

縱橫梁施工結(jié)束后對四塔肢軸線與縱橫梁跨中標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測。塔肢軸線與理論計(jì)算值最大偏差11 mm，縱橫梁跨中標(biāo)高與理論結(jié)果最大偏差19 mm，偏差在可控范圍內(nèi)。待主墩沉降穩(wěn)定后，可通過后澆的支座墊石調(diào)節(jié)梁面標(biāo)高以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1）縱橫梁采用高度方向不分層一次澆筑的方案，可避免傳統(tǒng)橋塔下橫梁分層澆筑帶來的問題。

2）采用縱橫梁跨中設(shè)置后澆合龍段，分區(qū)依次澆筑的施工控制方案，增加了塔柱控制斷面在運(yùn)營期安全儲(chǔ)備，減小了空間超靜定框架的徐變次內(nèi)力，為縱梁合龍口對頂提供了條件。合龍口的對頂力可提高塔底運(yùn)營期安全儲(chǔ)備，并降低新舊混凝土交界面上的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3）通過分批張拉預(yù)應(yīng)力束并合理安排合龍段施工、中塔柱施工等工序，使縱橫梁施工期最大主拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求，降低了施工期開裂風(fēng)險(xiǎn)。