斜拉橋結構受力特點及施工控制方法研究

崔勝海

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

斜拉橋構思于17世紀，受當時技術條件的限制，很長時間未得到發展，一度甚至被遺棄，20世紀30年代，德國造橋專家研究設計了第一條橋梁，由于其受力特點和結構外形的優勢，非常具有競爭力，尤其體現在跨徑大橋的施工上，因此在很短的時間內在世界各國迅速發展。我國這項技術研究較晚，起步于20世紀90年代，隨著我國經濟的迅猛發展，斜拉橋設計建設相繼建成，較為著名的有惠青黃河公路大橋、漳州戰備大橋、無錫市清寧大橋等。截至目前，我國已建成跨度400 m以上的斜拉橋30余座，其中最為著名的是蘇通大橋，跨度為1 088 m，為世界之最。

1 斜拉橋總體布置及結構受力特點

斜拉橋總體布置類型較多，一般來說可以區分為獨塔雙跨式、雙塔三跨式，由于工程實際需要，也可以設置為獨塔單跨式、雙塔單跨式、多塔多跨式三種。斜拉橋一般由以下部分構成：主梁、索塔、拉索以及下部結構，下部結構又主要包括橋臺、橋墩等基本構件，共同組合成體系橋梁。從受力情況看，主梁主要受軸向的拉力，索塔受壓，拉索受拉。

拉索是主要承重件，對主梁有較好的支承作用，對斜拉橋整體經濟合理性以及剛度起著至關重要的作用，根據索面的不同，可以區分為豎琴形、輻射形、扇形三種基本形式，受力特點是：輻射形由于易發生應力集中現象，使用已經日趨減少；豎琴形由于其受力特點，一般僅用于跨度較小的斜拉橋中；扇形布置兼顧了以上兩種優點，有著較好的抗扭剛度和抗風穩定性，也是當前采用最多的索型。采用混凝土主梁，拉索最科學的間距為4～12 m，采用鋼主梁時，拉索最科學的間距為8～24 m。主梁一般分為連續和非連續體系兩種，前者為連續梁和連續鋼構；后者主梁主跨斜拉橋中央，帶一個剪力鉸或簡支掛孔。鋼主梁斜拉橋受力分析：斜拉橋的受力主要存在材料和結構的非線性影響。材料的非線性影響主要指在長期負荷下發生徐變的影響，結構非線性影響主要指塔和梁的軸力效應和大撓度影響。

在外負荷作用下，斜拉橋的塔和橋均承受了較大壓力，達到一定值時就會產生平面或彎扭屈曲，其精確計算可按空間桿系屈曲有限元法實施。拉索錨固區的應力可按照圣維南假定實施計算，從整體中取出一個梁高或半個梁寬作為錨固體，按彈性階段實施受力分析。如果有預應力，可作為外力考慮。此外，還要充分考慮風力、靜力、地震等自然災害以及動力如風雨激振的影響，嚴寒地區還要充分考慮到拉索馳振的影響。

2 斜拉橋施工控制及監理要點研究

由于斜拉橋結構形式和施工方法多樣，施工也最能體現一個企業的裝備層次和技術水平，比如對于鋼索塔的施工，就必須充分考慮其起吊能力、焊接工藝以及安裝的精度等。由于施工安裝程序和施工方法與結構恒載內力關系密切，要求其上部結構必須嚴格按照工藝和步驟實施施工，必須實施嚴密的施工控制。作為監理人員，筆者結合港珠澳大橋深水區橋梁工程(包括青州航道橋、江海直達船航道橋)，對施工控制和監理重點進行闡述，具體見表1所示。

2.1 鋼管沉樁

為滿足施工要求，需要在鋼管樁內外壁實施防腐處理，設置內外剪力環，由于其設計頂標處于水面下，標高取6.0 m或5.0 m。沉樁工藝一般使用液壓打樁錘配合大型打樁船完成，傾斜度控制在≤1/250，中心平面允許的偏差值≤100 mm。

此階段監理重點為：對鋼管樁的運輸、堆存管理要科學，避免出現摩擦和碰撞情形，因為其極易導致防腐涂層的損壞以及管端的變形；對于樁錘的選型必須根據試驗結果而定，確保垂直度和位置的精確控制。

2.2 灌注樁施工

主要采用的復合樁直徑分別為2.15 m、2.5 m，確保樁底嵌入深度≥1.5倍的樁徑，平均樁長為103 m，最大樁長為129.7 m，必須全過程進行鉆孔施工記錄，并留樣。監理人員、業主和設計人員必須到場簽認；現場加工制作鋼筋籠，并根據運輸要求實施分節制作；鋼筋籠施工完畢后，必須安裝混凝土保護塊，強度達到標準后，可實施抽芯檢測和超聲檢測，順序一般按先超聲檢測后抽芯檢測的順序，數量按照每墩2芯實施。

此階段監理重點：(1)必須常態落實對于泥漿的含砂率、比重、泥皮厚度等指標的檢查，確保孔壁的穩定，確保不發生卡鉆、掉鉆等現象，保證鉆孔效率；(2)泥漿凈化處理必須符合環保標準；(3)鉆孔的孔徑、垂直度等必須符合設計要求；(4)要充分考慮混凝土連續灌注能力，確保不出現斷樁現象；(5)注重把握混凝土的初凝時間、澆筑時間、灌注的時間必須不少于首批混凝土初凝時間，以防鋼筋籠的上浮；(6)對樁頂的高程，必須嚴格控制，確保不發生松散等情況，確保施工質量。

表1 斜拉橋施工控制和監理要點表

2.3 承臺的安裝

承臺套箱一般由內外圍壁、底板、護舷等支撐系統組成，節段間需安裝橡膠條，采取消能裝置對承臺的碰撞進行緩沖，減少沖擊能。必須按照《鋼質海船入級與建造規范》的標準要求對于焊接工藝、材料和規格嚴格規范，所有的主次要構件以及焊縫必須檢驗合格，套箱實施防腐處理應按照不少于20年的壽命進行設計，套箱所采用的焊接材料、預處理、焊接方法、焊后處理及檢驗要求等，均要滿足中國船級社要求。所有噴砂除銹必須達到Sa2.5級，涂裝必須在清潔合格后實施。樁頭處理中，直徑>20 mm鋼筋采用墩粗直螺紋機械連接。

此階段監理重點：(1)鋼筋層次多，用量也較大較多，尤其要注意層間網格的對齊與間距控制的科學合理，確保鋼筋保護層厚度符合標準要求，二級承臺需保證模板的剛度、強度和穩定度；(2)焊接必須牢固，確保外形均勻和光滑，無裂縫、殘渣、氣孔等缺陷。

2.4 墩身的安裝

浮吊吊裝墩身時，必須擱置于承臺支墩上，完成初步定位，以滿足設計要求，固定臨時裝置進行安裝時，必須拆除千斤頂，完成承臺頂面與墩身的連接。

此階段監理需注意：(1)墩身連接預應力粗鋼筋的張拉；(2)墩身整體吊裝的定位精度；(3)支承墊石頂面的高程精度。

2.5 索塔施工

索塔施工控制的基本原理，就是利用工程控制論的普遍原理，建立誤差處理系統，正確評估線形偏差，做出線形調整，利用可靠穩定的參考點實現模板或鋼錨箱節段的準確定位。以柳州三門江大橋施工為例，大橋主塔分5個施工節段，第一、二節段高各4.8 m，第三節段高4.4 m，第四節段高4.7 m，第五節段高2.8 m。塔身直順，主塔高度較低，主塔采用塔外搭設支架翻模施工。主塔施工材料和設備通過便橋、碼頭及水上交通船運至墩位，垂直起吊運輸由塔吊負責，混凝土由設在主梁上的地泵直接送入模。

此階段監理重點：(1)對于索塔預埋件要給予關注，確保位置準確、設置齊全；(2)索塔施工必須確保垂直度、錨箱定位和結形撐定位精度；(3)上塔柱實施混凝土施工時，必須嚴格控制其連接部位安裝質量。

2.6 鋼箱梁的吊裝

鋼梁的拼裝需科學制定合龍方案，一般按照先合龍兩側，再向中跨延伸，再實施合龍主跨的步驟，科學進行轉角調整，使其準確合龍，達到平順。在鋼箱梁施工時，原材料是非常重要的，其包括鋼材、焊接材料、連接用緊固件等，要嚴把質量關，才能從根源上控制鋼箱梁的質量。主要檢測材料的質量證明書，并對其力學性能、化學成分等進行分析和驗證，在選擇焊接材料時，要和母材的強度和硬度是相同的，連接用緊固件有高強度的螺栓等。構件在連接時有焊接和高強度螺栓連接兩種。焊接時，運用材質相同的材料進行焊接，并在焊縫兩端設置引出板，在焊接完成后，運用機械切割或者氣割的方式將引出板切除，不能用錘子擊打。焊接完后，還要對焊縫進行超聲波檢測和射線探傷。其次，高強螺栓在使用前要檢查摩擦面的抗滑移系數，螺栓的旋入方向要一致，初擰和終擰都要受力均勻。要在1～48 h之內進行扭矩檢查，檢查采用松扣回扣法。

此階段監理需注意：(1)鋼梁架設是施工安全中必須重點關注的環節，按照要求必須設置穩定設施，確保大跨度懸臂施工安全；(2)對鋼箱梁懸臂精度必須嚴格控制。

2.7 斜拉索的安裝

對于斜拉索的保護是安裝重點，其索力也將直接影響橋梁的內力以及主梁的線形。以公軌兩用雙層橋面鋼桁梁斜拉橋為例，在上游塔柱各設置1臺塔吊用于塔端斜拉索安裝及空中展索；在塔頂布置卷揚機，將斜拉索牽引入索導管并提升塔柱內的千斤頂、撐腳、張拉桿等塔內設備；在塔頂布置工字鋼扁擔梁支撐塔頂卷揚機；在橋面塔柱安裝卷揚機將索頭提升至索導管位置；采用卷揚機及導向滑輪組、手拉葫蘆將梁端索頭牽引到位；采用千斤頂張拉斜拉索。

此階段監理重點：(1)做好斜拉索的保護，包括運輸、堆放過程的保護；(2)防止錨頭進水；(3)使用高密度聚乙烯實施連接防腐處理；(4)索長達到預定長度后，要對溫度、軸線、傾斜度實施測量，控制誤差。

3 結語

綜上所述，斜拉橋安裝程序和施工方法與主橋線形以及結構內力有著緊密的關系，施工過程中必須嚴格實施監控，其施工過程和施工設計之間必須形成反饋機制，信息的反饋要及時，并逐步完善這種機制，所以在施工中必須全面掌控設計意圖和標準要求，科學編制設計方案，促進斜拉橋施工工程的科學穩定。

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