蒲 潔 李 江 王天琪 雍正陽 鞏海周

(中建八局西南公司 成都 610041)

斜拉索作為斜拉橋的重要構(gòu)件,在布置過程中其不同張拉方式會對斜拉橋線形及受力造成較大影響,合理的張拉方式不僅可以降低成本,更能使斜拉橋具有更高的安全性[1-3]。目前,常用的斜拉索張拉方式主要分為2種:①一次張拉到位,②二次張拉到位。大部分斜拉橋索力的張拉使用二次張拉到位的張拉方法[4],此張拉方式不僅有利于保證橋梁結(jié)構(gòu)懸臂施工階段控制截面的受力要求,且在保證線形的基礎(chǔ)上通過二次調(diào)索可使成橋索力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大限度地接近理想成橋狀態(tài)[5]。但此種斜拉索索力張拉方式存在工作量大、施工周期較長的問題,對于有工期要求的項目不太適用。

斜拉索力一次張拉到位方法就是在施工階段只進行一次索力張拉[6],但是為了使橋梁成橋之后達到理想成橋狀態(tài),此種斜拉索張拉方式會提供較大的一次張拉索力,這種過大的索力,對于自重較輕的橋梁,可能會導(dǎo)致懸臂施工階段主梁下緣出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,影響結(jié)構(gòu)安全,且這種方法的主梁線形監(jiān)控壓力大,成橋線形往往較差。

本文以某矮塔斜拉橋為背景,綜合考慮上述2種張拉方式的優(yōu)缺點,擬通過對主梁施加臨時配重的方式,將二次調(diào)索方案轉(zhuǎn)換為一次張拉到位方案,在保證主梁線形的基礎(chǔ)上,縮短施工工期和降低施工風(fēng)險并通過有限元軟件分析這種方法的可行性。

1 工程概況

試驗對象為某波形鋼腹板-預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁雙塔單索面矮塔斜拉橋,其跨徑組合為41.6 m+82.2 m+150 m+82.2 m+41.6 m,梁高4.7 m,主梁斷面為單箱五室,共計6道波腹板,索塔高45 m,橋面鋪裝由10 cm鋼筋混凝土、1 cm防水層和10 cm瀝青面層組成。主梁縱斷面布置圖見圖1。

圖1 某矮塔斜拉橋縱向橋型布置圖

上塔柱和主梁混凝土的強度等級為C50,斜拉索鋼絞線抗拉強度大于2 000 MPa,塔上索鞍錨固,索鞍半徑范圍3.5～4.5 m,梁內(nèi)張拉端。斜拉索采用雙索面布置,索面橫橋向間距1 m。單個橋塔設(shè)置9對拉索,拉索梁上標(biāo)準(zhǔn)間距為6.4 m。主梁采用掛籃懸臂施工,主梁在順橋向劃分11個節(jié)段,每個塔柱兩側(cè)節(jié)段對稱布置,其中0號節(jié)段(塔梁結(jié)合段33.2 m)、1～9號節(jié)段(標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段每塊6.4 m)、10號節(jié)段(合龍節(jié)段1.6 m)拉索編號見圖2,梁為主要承載構(gòu)件,承擔(dān)70%,外力索塔只承擔(dān)30%,索塔具有一些裝飾美觀功能。

圖2 拉索編號示意圖

2 斜拉索張拉優(yōu)化方案

2.1 斜拉索原張拉方案

本橋斜拉索原張拉方案為二次張拉到位法,在主梁懸臂施工階段拉索掛索時進行初次張拉,在中跨合龍完成體系轉(zhuǎn)換之后、二期恒載之前進行全橋斜拉索力二次調(diào)整,調(diào)索順序為從近塔端C1向遠塔端C9逐次調(diào)索,每次調(diào)索4根拉索,由于大橋塔柱內(nèi)空間小,拉索張拉操作困難,且拉索數(shù)量為36根,每調(diào)一次索比較耗時,且調(diào)索過程中不能進行其他施工操作,以至于無法按時完工通車,所以需要對原有方案進行優(yōu)化,改為一次張拉到位法。

2.2 優(yōu)化方案思路

本斜拉橋主梁為等截面主梁,且采用了鋼波腹板,相比于常規(guī)混凝土主梁,自重較輕。為了達到合理成橋設(shè)計索力,直接采用一次張拉方法,施工期張拉索力將會很大。過大的張拉索力將使索塔處的主梁下緣產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,將嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)的施工安全,所以需要對一次張拉方法進行優(yōu)化。

為避免施工期間主梁下緣產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,本方案確定了施加臨時配重的技術(shù)方案,即在張拉部分索力前,相應(yīng)節(jié)段布置臨時配重。配重能夠在有效提高索力的情況下,實現(xiàn)對主梁向上變形的控制,大幅降低索塔處主梁下緣拉應(yīng)力,乃至不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

2.3 臨時配重施加和卸載原則

由于不同拉索之間的索力是相互影響的, 臨時配重施加和卸載的順序所對應(yīng)的施工工況不同, 對橋塔、主梁的結(jié)構(gòu)影響也不相同, 在確保施工過程安全、成橋后索力最大限度接近設(shè)計值且同時減少工期、方便施工的條件下,臨時配重施加和卸載應(yīng)遵循如下原則。

1) 配重施加大小。臨時配重施加局部不宜過大,且各梁塊施加配重大小應(yīng)適應(yīng)索力變化趨勢。在滿足施工應(yīng)力要求下,盡量通過增加初拉力來減少臨時配重以到達成橋設(shè)計索力,臨時配重過大,不僅會造成橋梁線形突升突降增加施工監(jiān)控難度,而且施工階段橋梁上緣也可能出現(xiàn)拉應(yīng)力,影響橋梁施工安全。

2) 配重施加位置。配重應(yīng)對稱施加在梁段上,且配重施加梁段不宜過多,增加施工難度。前幾號梁塊施加臨時配重對主梁應(yīng)力和索力影響較小,施加配重意義不大,主要通過增加初拉力,增加索力,對靠近合龍段的幾個梁塊施加配重,對橋梁應(yīng)力和索力影響較大,效率較高。

3) 配重卸載方式。配重應(yīng)對稱卸載,分批次卸載。一次卸載施工難度較高且中跨跨中可能會因配重減少,上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力,影響結(jié)構(gòu)安全。

2.4 工程實例優(yōu)化方案

根據(jù)上述配重施加卸載原則,本工程方案共分6個階段開始配重,分別是5號梁段、6號梁段、7號梁段、8號梁段、9號梁段和中跨合龍施工階段,懸臂段施工配重位置為各塊拉索主梁錨固端頂端,中跨合龍段配重位置為9號塊最外側(cè),施加配重階段在預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉后、拉索張拉前實施,配重施加后,在后續(xù)施工階段暫不卸載,待到中跨合龍,體系轉(zhuǎn)換完成以后,分批次卸載。本方案分二批次卸載配重,通過先卸載部分配重,施加橋面鋪裝重量壓住主梁,避免橋梁變形因失去壓重而突增,使中跨上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力,具體流程如下。

1) 全橋合龍后先按橋塔對稱卸載5、6、7號主梁上配重。

2) 從兩個0號節(jié)段開始向兩側(cè)對稱鋪裝10 cm厚的鋼筋混凝土至7號梁段。

3) 對稱卸載剩余配重,對稱施工剩余橋面的10 cm后鋼筋混凝土鋪裝。

4) 全橋10 cm厚瀝青面層鋪裝。

各梁段配重大小見表1。拉索張拉索力見表2。

表1 配重大小

表2 一次張拉索力

由表1、表2可知,拉索索力主要由一次張拉索力提供,配重主要起輔助作用,配重大小適應(yīng)拉索索力的增長趨勢。

3 施工階段仿真分析

3.1 有限元分析模型建立

采用midas Civil軟件建立有限元模型,模型中斜拉索采用桁架單元模擬,主梁和主塔采用梁單元進行模擬。全橋共離散為381個節(jié)點,334個單元。臨時配重采用節(jié)點荷載模擬,有限元模型圖見圖3。

圖3 有限元模型(單位:kN)

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1施工階段主梁應(yīng)力分析

本方案是以達到設(shè)計成橋狀態(tài)為目標(biāo),在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下提出的,在幾個重要的施工階段,主梁的應(yīng)力最能反映橋梁的安全狀態(tài)。為了進一步分析施工階段的安全性,本文選取13個施工階段進行分析,仿真計算輸出的是各截面的上、下緣應(yīng)力,應(yīng)力以壓應(yīng)力為正,見表3。

表3 主要施工階段應(yīng)力值 MPa

由仿真分析結(jié)果可知,整個施工過程中主梁上下緣應(yīng)力均無拉應(yīng)力出現(xiàn),由表3可知,施工過程中,幾個重要施工階段,最大上緣應(yīng)力出現(xiàn)在0號塊橋塔根部附近,最大下緣應(yīng)力隨著施工進行由橋塔根部附近向跨中移動,但都未達到應(yīng)力界限值22.4 MPa,還有很大的安全余量,說明橋梁在施工過程中是安全的。

3.2.2施工預(yù)拱度分析

配重對于主梁線形有較大的影響,通過與原方案的施工預(yù)拱度進行對比,各梁段的施工預(yù)拱度見圖4。

圖4 施工預(yù)拱度對比

由圖4可知,二次張拉法的施工預(yù)拱度變化幅度較大,最大主梁號塊施工預(yù)拱度為79.8 mm,配重一次張拉法僅16.5 mm,說明配重一次張拉法,能降低主梁變形幅度;相比二次張拉法,中跨各梁塊施工預(yù)拱度多提供的較大的負值預(yù)拱度,這無疑會增加施工線形監(jiān)控的難度,而配重一次張拉法則較好地避免這一現(xiàn)象發(fā)生。

3.2.3成橋主梁、主塔應(yīng)力分析

本矮塔斜拉橋主橋在成橋階段上、下緣應(yīng)力的有限元計算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 成橋狀態(tài)下上緣應(yīng)力

圖6 成橋狀態(tài)下下緣應(yīng)力

由圖5、6可知,主梁成橋狀態(tài)下的應(yīng)力基本均勻分布,無拉應(yīng)力出現(xiàn),主梁橋塔附近的上緣應(yīng)力較其它位置略大,上緣應(yīng)力最大值為11.9 MPa,下緣應(yīng)力最大值在跨中附近,為12.2 MPa,主塔壓應(yīng)力的最大值為10.0 MPa,均小于C50混凝土的設(shè)計抗壓強度22.4 MPa,符合設(shè)計要求。

3.2.4成橋索力分析

斜拉橋施工控制目標(biāo)中,索力控制是重中之重,索力大小關(guān)乎結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),本方案是否可行,一個重要指標(biāo)即為成橋狀態(tài)拉索索力是否滿足設(shè)計要求。通過對本方案進行仿真分析,得到合理成橋狀態(tài)。成橋設(shè)計索力與成橋計算索力對比分析見圖7、圖8。由圖7、圖8可知,本文方案仿真計算在成橋階段的各拉索索力值與合理成橋狀態(tài)下索力值進行對比發(fā)現(xiàn),兩者索力值的分布規(guī)律及索力值大小吻合度較高。本方案成橋索力數(shù)值和設(shè)計數(shù)值的最大偏差不超過6%?？刂菩Ч己?很好地達到設(shè)計狀態(tài),可以滿足施工要求,實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。

圖7 邊跨索設(shè)計索力與計算索力對比

圖8 中跨索設(shè)計索力與計算索力對比

4 結(jié)語

本文依托某矮塔斜拉橋,針對斜拉橋二次調(diào)索費時費力的情況,提出采用對主梁施加臨時配重的方式,將二次調(diào)索轉(zhuǎn)換為一次張拉到位的方法,以縮短建設(shè)工期,提高工作效率。

通過以橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和成橋索力為切入點,基于midas Civil軟件對本文方案的可行性進行仿真研究。重點研究了該斜拉橋幾個重要施工階段的應(yīng)力和成橋狀態(tài)下主梁應(yīng)力、拉索索力情況。主要結(jié)論為:對于該斜拉橋而言,施工階段無拉應(yīng)力出現(xiàn),應(yīng)力安全量富裕,成橋狀態(tài)下的主梁應(yīng)力分布均勻,斜拉索索力大小和分布規(guī)律與合理成橋狀態(tài)基本吻合,施工線形變化幅度小,成橋線形良好,從而驗證了本文方法的可靠性和合理性。但本文所提索力優(yōu)化張拉方法也存在一定局限性,對于擁有較多拉索的大跨度斜拉橋,過多配重的施加,不僅不能達到加快施工進度的目的,甚至起到反作用。