【摘 要】斜拉橋施工是一個系統(tǒng)性、綜合性的過程，無應(yīng)力狀態(tài)法的思想是源于橋梁分階段施工而產(chǎn)生的，對于某一狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，只有其邊界、外部荷載和各構(gòu)件的無應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)是確定的，則該狀態(tài)的相關(guān)力學(xué)參數(shù)、變形等是唯一的?？梢哉f，無應(yīng)力狀態(tài)法不僅關(guān)注于全局，也適用于局部施工控制，因此，以局部的視角，選取斜拉橋施工中有代表性的兩個局部施工場景并行作業(yè)施工應(yīng)用及成橋后的大范圍調(diào)索技術(shù)，研究在無應(yīng)力狀態(tài)法理論下的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋; 無應(yīng)力; 施工控制; 并行作業(yè); 調(diào)索

【中圖分類號】U448.27【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-01-10

［作者簡介］楊輝（1988—），男，本科，工程師，從事橋梁工程相關(guān)工作。

0 引言

斜拉橋因其較強(qiáng)的跨越能力，在跨越高山、峽谷及江河等特殊地形工程中有著很大的優(yōu)勢。隨著高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久性材料的發(fā)展，橋面系結(jié)構(gòu)越來越輕柔，從而使得斜拉橋的跨越能力得到進(jìn)一步提升。一般連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋的恒載內(nèi)力是確定的，不能通過結(jié)構(gòu)的內(nèi)部調(diào)整改變恒載狀態(tài)。而斜拉橋的拉索是一種主動受力構(gòu)件，可以通過調(diào)整拉索索力改變橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)力的優(yōu)化。由于該類橋梁施工工序復(fù)雜，隨著恒載的增加、橋面施工荷載的位置變化，若要得到合理的內(nèi)力狀態(tài)，必然存在大量的調(diào)索過程。如果調(diào)索過程可以與其他工序并行作業(yè)，則可以大幅節(jié)約工期。

1 工程概況

本文基于浙江某斜拉橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，該橋?yàn)橐蛔p塔雙索面的半飄浮體系斜拉橋，主橋全長908 m，跨徑布置為70 m＋160 m＋448 m＋160 m＋70 m的五跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，邊中跨比0.51，兩端分別設(shè)有一座輔助墩和一座過渡墩。主梁為3.5 m高的扁平鋼箱梁，橋面寬37.1 m。索塔為高178.8 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，索塔橫梁以上為三角形，而橫梁以下的塔支撐腿向內(nèi)收，整個索塔呈“鉆石”形狀，具有較好的整體剛度和構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性。斜拉索與鋼箱梁通過耳板連接，與索塔通過整體鋼錨箱連接，全橋共布置56對平行鋼絲斜拉索，施工步驟主要為先險澆筑主塔承臺，吊裝主梁張拉拉索，完成體系轉(zhuǎn)換，最后二期鋪裝成橋。斜拉橋橋型布置圖及主梁斷面形式如圖1、圖2所示。

2 并行作業(yè)施工的應(yīng)用

在斜拉橋?qū)嶋H施工存在的荷載中，除了結(jié)構(gòu)恒載外，還有各類施工機(jī)具的荷載，而且這些荷載是動態(tài)變化的，如橋面吊機(jī)、運(yùn)輸車輛等，施工荷載的控制影響著成橋的內(nèi)力、線形。在斜拉橋施工和成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力線形、合理的條件下，如果移動施工荷載是一成不變的，將會影響主體施工的效率。同時，斜拉索的索力調(diào)整次數(shù)和用時較多，用傳統(tǒng)張拉力調(diào)索時，其他工作需要暫停，是不利于施工進(jìn)度的［1-4］。因此，對調(diào)索期間進(jìn)行其他工序的并行作業(yè)優(yōu)化是有必要的，接下來基于無應(yīng)力狀態(tài)法的原理，探索并行作業(yè)施工的可行性。

2.1 理論基礎(chǔ)

無應(yīng)力狀態(tài)法可以通過控制任意兩施工狀態(tài)的無應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)來保證結(jié)果的確定性，而與施工順序無關(guān)，這為并行作業(yè)提供了基礎(chǔ)。結(jié)合橋梁分階段施工最終成橋狀態(tài)的力學(xué)平衡方程［5-8］，可以為圖3中兩個過程狀態(tài)建立出平衡方程，如式（1）和式（2）所示。

［K］{δ1}={p1}+{p01}（1）

［K］{δ2}={p2}+{p02}（2）

式（2）-式（1）得式（3）：

［K］{δ2-δ1}={p2-p1}+{p02-p01}（3）

式中：{P1}、{P2}是結(jié)構(gòu)施工過程的外部荷載列陣；{P01}、{ P02}是結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元無應(yīng)力狀態(tài)量組成的荷載列陣。

2.2 算例——橋面吊機(jī)前移與調(diào)索并行作業(yè)

在常規(guī)的斜拉橋施工中，橋面吊機(jī)在完成梁段吊裝后，需要等待該梁段的斜拉索張拉調(diào)索至預(yù)定索力，然后才進(jìn)行前移至下一個位置，難以和調(diào)索施工并行作業(yè)［9-11］。其實(shí)在調(diào)索時，橋面吊車下一個固定位置就已經(jīng)確定，因此可以以無應(yīng)力狀態(tài)法的思想，實(shí)現(xiàn)橋面吊機(jī)前移與斜拉索張拉調(diào)索的并行作業(yè)?，F(xiàn)以本文背景橋梁的第4梁段和B4、Z4斜拉索施工為例進(jìn)行并行作業(yè)合理性的研究，圖4、圖5為吊機(jī)立面圖及橋面吊機(jī)前移狀態(tài)的模型演示。

圖3中使用942.2 kN和153.5 kN的節(jié)點(diǎn)荷載來等效模擬橋面吊車的前后支點(diǎn)荷載，從狀態(tài)（a）至狀態(tài)（b），吊車移動在主梁上的移動距離為20 m，移動前索塔兩端的第四段鋼箱梁和B4、Z4組斜拉索已經(jīng)安裝完成，現(xiàn)需要進(jìn)行調(diào)索和移動吊車至第四段鋼箱梁，設(shè)置表1所示四個工況驗(yàn)證無應(yīng)力

狀態(tài)法的可靠性。

按照表1的四種工況設(shè)置相應(yīng)的施工階段分析，并將提取分析完成的主梁內(nèi)力、位移和索力結(jié)果，分別如表2和3所示。因橋梁為對稱懸臂施工，因此僅展示邊跨主梁和斜拉索的結(jié)果。

通過表2、表3可知，吊車前移的四種工況終狀態(tài)下，工況2、工況3的主梁彎矩、剪力、豎向位移是完全一致的，雖然工況1與工況2、工況3有一定數(shù)量上的差別，但也只是因控制索力的方式不同而產(chǎn)生細(xì)微的內(nèi)力差別。因各個工況下的斜拉索無應(yīng)力長度相同，因此張拉至B4、Z4索時的索力是相同的。通過以上的數(shù)據(jù)可以證明：使用無應(yīng)力狀態(tài)法控制索力時，與外荷載的施加順序和時間無關(guān)，因此在本算例中可以忽略橋面吊機(jī)移動的位置和工序。從施工效率來看，在空間和施工人員、機(jī)械足夠的情況下，四種工況的主梁彎矩、剪力、豎向位移及斜拉索索力基本一致，故工況4進(jìn)行的并行施工是可行的，時間和效率都優(yōu)于前三者。

3 成橋后的大范圍調(diào)索技術(shù)

斜拉橋是通過懸臂安裝、分階段張拉斜拉索等多工序完成的，是一個超靜定結(jié)構(gòu)，施工中還涉及體系轉(zhuǎn)換，受力情況復(fù)雜。在施工完成后，由于撤去了施工荷載，結(jié)構(gòu)受力會發(fā)生改變，而且還受二期鋪裝誤差、索錨固長度誤差等因素影響，因此在斜拉橋施工完成后，都要進(jìn)行大范圍的調(diào)索，以通過斜拉索索力來優(yōu)化橋梁整體內(nèi)力。同時，在橋梁運(yùn)營后，因特殊情況導(dǎo)致受力狀態(tài)改變、邊界條件變化、橋梁加固維修等，也需要進(jìn)行調(diào)索。

然而，使用傳統(tǒng)的張拉力控制索力進(jìn)行調(diào)索是有很多不足的，改變某根索的張拉力，還會影響其他索的索力，而使用無應(yīng)力狀態(tài)法控制索力來調(diào)索的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來，其原理是在結(jié)構(gòu)體系、外荷載和約束條件一定的條件下，通過控制無應(yīng)力索長來得到一組索力，在實(shí)際操作中就可以拉索錨固量/拔出量來控制無應(yīng)力長度。

現(xiàn)對背景橋梁的邊跨的設(shè)置兩個狀態(tài)：狀態(tài)A為索力出現(xiàn)偏差，待調(diào)索狀態(tài)，狀態(tài)B為預(yù)期成橋狀態(tài)，兩狀態(tài)的索力、無應(yīng)力長度及需調(diào)量如表4所示。

如果按照常規(guī)倒拆、正裝方式，通過張拉力來調(diào)整斜拉索索力，則至少需要進(jìn)行三個張拉工序才能將B5～B7、Z5～Z7張拉到預(yù)定索力，同時還要控制施工臨時荷載、環(huán)境溫度、施工工序等因素于理論計算一致，三個張拉工序即為通過倒拆獲得下一個工序所需索力，再代入上一工序進(jìn)行正裝分析，具體如下：

工序1：同時張拉B5和Z5索，其他不張拉；

工序2：同時張拉B6和Z6索，其他不張拉；

工序3：同時張拉B7和Z7索，其他不張拉。

使用表5可為現(xiàn)場張拉施工提供指導(dǎo)，即：工序1同時張拉B5、Z5索到2 772.006 kN和2 677.921 kN；工序2同時張拉B6、Z6索到2 739.740 kN及2 587.114 kN；工序3同時張拉B7和Z7索到2 855.480kN 及2 647.450kN。該工序是理想的計算結(jié)果，但在實(shí)際施工中的溫度、臨時荷載等難以達(dá)到理想狀態(tài)，必然會影響索力的精確性，這也是傳統(tǒng)方法的弊端所在。

為解釋無應(yīng)力索長控制索力調(diào)節(jié)的原理，根據(jù)表4和表5計算上述工序中索力和無應(yīng)力長度的過程增值，結(jié)果見表6，計算方式如下：

增量Ⅰ = 工序1結(jié)果—狀態(tài)A結(jié)果

增量Ⅱ = 工序2結(jié)果—工序1結(jié)果

增量Ⅲ = 工序3結(jié)果—工序2結(jié)果

通過表6可以發(fā)現(xiàn)：使用常規(guī)倒拆、正裝法計算每個張拉工序的張拉索力時，某根索索力的改變會影響其他索索力，這樣的方法計算過程較多，調(diào)索量大時將會使處理數(shù)據(jù)十分繁雜，而且在實(shí)際施工中難以達(dá)到該法的模擬狀態(tài)。而基于無應(yīng)力狀態(tài)法會使調(diào)索過程更加清晰明了，只需要確定無應(yīng)力索長的增量后，對應(yīng)實(shí)踐中的索錨固量/拔出量，即可調(diào)至合理的索力，不需要考慮張拉工序和外部環(huán)境的影響，提高了調(diào)索的計算效率和施工的可實(shí)施性，節(jié)省相應(yīng)的工期。

4 結(jié)束語

本文選取斜拉橋施工中有代表性的兩個局部施工場景，研究在無應(yīng)力狀態(tài)法理論下的應(yīng)用，主要內(nèi)容有：

（1）介紹了無應(yīng)力狀態(tài)法用于并行施工的理論，并通過橋面吊機(jī)前移與調(diào)索并行作業(yè)的案例驗(yàn)證了理論的可行性，研究表明使用無應(yīng)力狀態(tài)法控制索力時，與外荷載的施加順序和時間無關(guān)，因此橋面吊機(jī)移動可以和調(diào)索工作同時進(jìn)行。

（2）論述了基于無應(yīng)力狀態(tài)的大范圍調(diào)索計算，以背景橋梁B5～B7、Z5～Z7索為例分析，并與常規(guī)張拉方式進(jìn)行對比，表明無應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行大范圍調(diào)索具有操作性好、不受外界環(huán)境影響等優(yōu)勢。

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