拉薩市納金大橋箱梁33米寬幅輕型柔性掛藍探討

摘 要：介紹拉薩納金大橋主梁33米寬幅輕型掛藍施工技術，提出柔性掛藍結構設計依據和理論，從斜拉橋和斜拉索結構特征分析斜拉橋懸臂澆筑梁線性控制理論，分析拉薩市納金大橋箱梁33米寬幅輕型柔性掛藍設計與施工。

關鍵詞：納金大橋；寬幅；輕型；柔性；掛藍

1 工程背景

拉薩市納金大橋主橋為跨徑（70+117+117+70）m的三塔矮塔斜拉橋，如圖1所示。橋寬33m。按城市主干道I級進行設計，設計速度采用60km/h；設計汽車荷載標準采用公路I級。該橋目前在建設中。

主橋橫向單塔，布置在中分帶，索塔順橋向采用變截面，塔形由兩道圓弧相切形成，橫橋向為2.5m等寬截面。主塔從橋面以上塔高為17.7m，橋面以上受力部位塔高為15.7m，為跨徑的1/7.5。索塔采用C50混凝土實心斷面，順橋向寬度為3.243m～5.50m；橫橋向寬度為2.5m，順橋向為半徑1.25m圓弧倒面。拉索在塔上采用扇形布置，每個索塔共錨固7對拉索，拉索與塔柱中心交點間距按1m的等距布置。邊中跨的索對稱于主塔布置。塔上拉索采用鞍座形式通過，每根索對應1個鞍座，位于塔兩側拉索出口處設置錨固裝置，克服運營階段索的不平衡拉力。

主梁結構采用C50高性能混凝土，箱型為單箱五室斷面，箱梁高度由跨中2.5米至距主墩中心2米處按拋物線型變化為4米，主墩箱梁在中墩頂設置厚度為3.5米的橫隔梁，有索區每節梁段長5米，每個拉索處設0.5米厚的節段橫隔梁，邊跨端部設厚度為1.8米的橫隔梁。主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。

主橋各單“T”箱梁除0號塊采用支架現澆外，其余節梁段采用對稱平衡懸臂逐段澆筑法施工，懸臂澆筑梁段最大重量451.6噸，懸臂施工掛藍自重及施工荷載按200噸考慮，合龍段施工吊架及其它荷載按70噸考慮。

2 寬幅型施工掛藍設計思路

2.1 設計模型

納金大橋是規劃的“拉薩市第一大橋”，設計采用單箱五室斷面，橋寬33米，是目前采用掛藍懸臂法施工單幅斷面較寬的橋梁，所以稱為寬幅掛藍懸臂法施工，所用掛藍稱寬幅掛藍。

為節約成本，鈉金大橋掛籃系統有別于普通常用的菱形和三角形掛籃，其主梁就地取材，采用六榀定型三角梁作為主梁，分別布置于箱梁六道腹板上方，由35米長40H型鋼制作而成的上橫梁作為分配梁，三角梁之間加以橫向連接，形成整體受力結構。整個掛籃系統屬于后支點式掛籃。主要組成部分為：主梁、底模、側模、翼緣板模板、上橫梁、下橫梁、梁底縱梁、反壓梁以及掛籃行走系統組成。

掛籃結構計算模型見（圖2，圖3，圖4），包括主桁架、立柱間橫向連接系、前上橫梁、底籃、導梁等所有的承重系統。

2.2 掛籃主要技術參數

（1）懸臂澆注箱梁梁段最大重量是3#梁段，混凝土澆筑方量210.1m3，按照鋼筋混凝土2.65噸/m3計算，最大重量為：556.765噸；（2）懸臂澆注箱梁梁段最大分段長度為5米；（3）人群及機具荷載取2.5 KPa[2]；（4）超載系數取1.05[2]；（5）新澆砼動力系數取1.2；（6）掛籃行走時的沖擊系數取1.2[2]；（7）抗傾覆穩定系數2.0[2]。

2.3 驗算方法：

荷載組合：

①砼重+掛籃自重+施工、人群機具+動力附加系數（強度計算）；②砼重+掛籃自重（剛度計算）；③掛籃自重+沖擊附加系數（行走穩定性）根據梁段長度、重量、梁高等參數，設計時按以下兩種工況進行計算。

驗算工況：

工況一：3號梁段混凝土灌注完成工況。此工況梁段長度最大、混凝土重量最大。

工況二：3號梁段完成，掛籃由3號至4號梁段走行工況。此工況掛籃走行距離較長，控制掛籃走行狀態抗傾覆穩定及外模、底模走行梁走行狀態的強度和剛度。

3 關于輕型結構掛藍

按照《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011 第16.5條第1款之規定， 一般掛藍設計時：掛藍與懸澆梁段混凝土的重量比不宜大于0.5，且掛藍的總重量應控制在規定的限重之內[2]。納金大橋所用掛藍充分最大重量145噸，節段混凝土重量547.56噸，掛藍與懸澆梁段混凝土的重量比為0.265，應該說是一種輕型結構掛藍。

普通掛藍結構一般為三角掛籃或菱形掛籃，結構高度一般在5～8米，掛籃用鋼量大、自重大、迎風面相應也大。拉薩地區四季多風，最大風速可達25米/秒以上，多年平均大于或等于17米/秒的大風日數達32.3天；此外，拉薩地區地震場地類別為Ⅱ類，橋梁抗震設防類別為B類，抗震措施按9度區設防[3]。這對掛藍結構穩定性非常不利，因此必須選擇橫向穩定性好、結構建筑高度低、相對輕型的掛藍結構形式。納金大橋掛藍結構高度為2.6米，而且橫向由6榀三角桁架組成，這對抵御強風和地震非常有利。

針對該掛藍結構輕型化，為了進一步驗證結構剛度，采用加載預壓的方法進行荷載試驗（如圖6），第一次的掛籃預壓（8#），由于將前支點、后錨壓梁等構件受力變形值，全部考慮在掛籃的彈性變量中，非彈性變量無法準確測算，掛籃整體變形偏大；第二次按照最重梁段的1.2倍重量預壓，預壓重量高達656t。而施工的1#梁段，重量約為430t，遠遠低于預壓重量。按照掛籃預壓數據，其1#塊最高下撓達2.3厘米，設計理論拋高值為1.9厘米；為了使掛藍剛度滿足要求，降低實際施工時的變形量，對三角主桁梁采取加勁措施每榀三角梁頂部設置一道直徑32毫米的精扎螺紋鋼筋，施加20噸預應力；同時在6榀三角桁梁前吊點位置各加設一道“X”型剪刀撐，這樣掛籃前、中、后都有橫向支撐，加強了掛籃的整體受力和穩定性（如圖6）。

對采取加強措施后的掛藍進行第三次荷載試驗，預壓過程中逐級加載逐級測量，掛籃整體性良好，所有構件節點均無變形，掛籃變形量呈線性變化，掛籃最大下撓值1.82厘米。通過48小時120%荷載測量，變形消除。說明掛籃自身安全、穩定，剛度滿足要求。

4 柔性掛籃結構

4.1 柔性結構

所謂柔性結構，形式上表現為寬幅、大跨結構等，幾何學上的柔性結構是指其幾何非線性因素在分析中影響較大而不可忽略的結構；在數學模型上表現為結構的剛度小，柔性大，幾何非線性不能忽略；在計算方法上柔性結構的問題與剛性結構也不相同，需要將結構簡化成非線性的柔性結構系統進行計算。隨著社會和科技的發展，工程中新材料、新設備、新結構和新施工工藝的運用，結構向高（深）、輕、大這三個方向發展，結構形式也由原來的剛性結構轉變為柔性結構。

目前懸臂法施工梁橋梁底線型一般按二次或四次拋物線設計。根據以上分析和假設：斜拉索近似于懸鏈線型，懸臂梁由于索力和結構內力影響也屬于非幾何線型，也可以擬合成為懸鏈線型，柔性橋梁決定柔性橋梁施工設備。這就要求用于懸臂法施工的掛藍設備在允許范圍內具有一定的柔性，其變形滿足橋梁整體變形協調性。直觀地說：成橋后的線型更接近于實際，這種掛藍結構我們稱之為柔性掛藍結構。納金大橋所設計制造的寬幅、輕型掛藍結構，通過對10#墩掛籃進行了預壓，滿載預壓監測結果其變形符合柔性變形特點，應該是這種柔性掛藍結構的特例。

4.2 部分斜拉橋結構形式的柔性特點

納金大橋部分斜拉橋結構形式，所謂部分斜拉橋是介于連續梁與斜拉橋之間的一種橋型。如果說連續梁橋屬于剛性橋梁，斜拉橋屬于柔性橋梁，則部分斜拉橋為一種剛柔相濟的橋型。一般認為，當斜拉索的豎向荷載承擔率超過30%或斜拉索在活載作用下的應力變化幅超過50MPa時，即進入斜拉橋范圍，斜拉索容許應力取0.4倍極限應力，安全系數為2.5。部分斜拉橋的拉索應力幅度比一般斜拉橋小，拉索可按體外預應力索的容許應力取值，為0.6倍的極限應力，對應的安全系數為1.67，在施工過程中索力可不作調整。由于斜拉橋是高次超靜定柔性結構，而且在施工過程中結構體系不斷改變，使主梁內力分布合理且結構線形滿足要求。

4.3 斜拉索柔性結構

納金大橋斜拉索采用OVM250AT-43，OVM250AT-37兩種型號[1]。分別由43、37根7φ5的鋼絞線組成。OVM250AT-43拉索由錨固段+過渡段+自由段+抗滑錨固段+塔柱內索鞍段構成。鞍座采用分絲管，索鞍分散、均勻傳遞荷載作用。索體采用Фs15.2環氧樹脂涂層預應力鋼絞線，具有多層防護結構。斜拉索從塔上鞍座中連續穿過，兩端錨固在梁體內，所有索鞍半徑均為2.5m，施工時，在梁內對稱一次性張拉到位。斜拉索索力在橋梁縱向，相當于主梁的體外預應力；在豎向，斜拉索力產生了向上的力以抵消向下的自重與活載對主梁產生的彎矩，對于活載來說斜拉索提供了彈性支承。從外觀線型分析，斜拉索近似于懸鏈線。合理的索力，使斜拉索、主塔和主梁受力總體合理，是斜拉橋結構設計的關鍵。斜拉橋的初始索力可以人為設定，是斜拉橋成橋合理受力的有利因素。

4.4 懸臂法施工方法決定主梁線型的非幾何性

納金大橋斜拉橋采用懸臂施工方法，施工過程中結構體系隨著施工進展不斷改變，而且混凝土收縮、徐變等時間效應也會導致結構內力發生改變，因此，為了獲得成橋狀態的結構內力及線形，需要進行施工過程的結構計算分析，通過各施工步驟的應力累計以及考慮施工期間的收縮、徐變影響，得到最終的應力和形狀。

懸臂法施工過程中為了盡量減少各根索的調整次數，將各施工階段所需要的拉力和梁的幾何位置預先算出。在每個施工階段，索力調整后的主梁位置要考慮后續施工中產生的結構變形，包括荷載效應以及收縮徐變變形，因此，必須設置反方向的變形，即預拱，隨著后面的施工推進，結構形狀逐漸變化到設計線形。斜拉橋是以承受軸力為主的結構體系，預拱大小要考慮軸向變形的影響，同時還需要考慮幾何非線性的影響。準確地說：梁底線型是幾種幾何線型的疊加，應該屬非幾何線型（見表1）。

4.5 斜拉橋施工過程的結構分析

斜拉橋施工過程的結構分析包括正裝計算和倒拆計算兩種[4]。逆著施工過程從成橋狀態開始，逐個倒拆各施工過程中安裝的構件，根據拆除后的結構平衡狀態確定標高（預拱度），并確定相應的索力，這種計算方法稱為倒拆計算，從倒拆計算結果看索力內力分布不完全成線型關系。

5 結論

目前掛籃懸澆箱梁施工中，所用的掛籃多為三角、菱形或者貝雷掛籃，但是普遍存在掛籃自重大、無法自行前移、構件成本高、施工不便等大小不一的問題。這些問題在一般掛籃施工中產生的弊端不會太影響施工，但是，在大斷面箱梁整幅掛籃施工時，卻大大影響到現場施工，甚至會影響橋梁自身的受力情況。納金大橋工程利用多用途的三角梁作為主梁，工廠加工各個部件，現場組裝，采用多種組合型鋼焊接而成，通過體內預應力增強了梁的剛度，減小了施工撓度，其剛度和強度滿足施工要求，整套掛籃成本降低，同時自重下降到梁段重量的0.26左右，并在主梁上設置了行走系統，通過行走系統實現主梁自動前移，從而帶動整套掛籃自行前移，施工極其方便。

納金大橋于2012年12月底主梁懸臂掛藍施工全部結束，在寬幅輕型柔性掛藍使用及整體施工過程中通過上海同濟質量工程監測站嚴格監控，主橋各混凝土構件外觀尺寸正常，混凝土澆筑質量較好。箱梁梁體在梁頂板、底板、腹板及橫隔板處均沒有出現裂縫。斜拉索錨固端質量完好，無變形、缺損、銹蝕現象；支座外觀良好，各支座在檢查中未發現偏位及不均勻變形。

在橫向對稱加載情況下，主梁各測試斷面應力實測值及撓度實測值對稱性良好，且實測值在荷載分級加載下與荷載呈線性關系；在橫向偏載加載情況下，實測偏載效應較理論計算小，表明大橋整體上受力均衡，整體性好，全橋上、下游斜拉索恒載索力對稱性良好。

參考文獻

[1]《拉薩市納金大橋工程圖設計》[S].江蘇省交通規劃設計院有限公司，2010.10.

[2]JTJ/TF50-2011《公路橋涵施工技術規范》[S].北京，人民交通出版社，2011.8.

[3]《拉薩市納金大橋場地地震安全性評價報告》西藏自治區地震局地震工程研究所，2008.10.

[4]《〈公路橋涵施工技術規范〉實施手冊》[S].北京：人民交通出版社，2011.8.

作者簡介：周桃玉（1973.9-），男，安徽銅陵人，現職稱：高級工程師，學歷：碩士研究生。