無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)施工過程的影響

（中建路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050001）

一、引言

無背索斜拉橋結(jié)構(gòu)的合理狀態(tài)取決于傾斜主塔和主梁重量之間的充分平衡，如果主梁采用自重較大的混凝土結(jié)構(gòu)，則相應(yīng)地需要主塔提供較大的傾覆力矩，通過拉索使體系平衡。必要時(shí)，可以通過設(shè)置主塔橫梁獲得更大的傾覆力矩，也使結(jié)構(gòu)各部尺寸比例恰當(dāng)，滿足結(jié)構(gòu)平衡和外形美觀的雙重要求。本文以某全混凝土無背索斜拉橋?yàn)槔?，分析輕主塔重橫梁和重主塔輕橫梁這兩種設(shè)計(jì)方案對(duì)施工過程的影響，從施工角度確定設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全下的施工效益最大化。

二、工程概況

依托橋梁為跨徑80m+40m的無背索斜拉橋，墩梁塔固結(jié)形式。主梁雙室截面的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主塔采用實(shí)心混凝土矩形截面，傾角59°，順橋向?qū)挾?.0m～8.5m，橋面以上塔高約66m，主塔頂設(shè)置3道橫梁，橫梁高度為3m。全橋布置13對(duì)拉索，由長到短為C1～C13。橋型布置圖如圖1所示，橋梁主塔共分為10個(gè)節(jié)段，第3節(jié)段至第9節(jié)段張拉拉索，主塔施工完畢后依次施工3道橫梁。主梁采用滿堂支架法施工，主塔采用落地支架輔助的翻模法施工。

圖1 依托工程橋跨立面布置圖 （單位：cm）

三、設(shè)計(jì)方案與模型建立

（一） 兩種設(shè)計(jì)方案

按主塔和橫梁提供傾覆力矩的貢獻(xiàn)不同，擬定了兩個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的構(gòu)造方案。方案一為輕主塔重橫梁方案：主塔順橋向長度5m～8.5m，橫橋向?qū)挾葹?.5m，橫梁截面3m×3m；方案二為重主塔輕橫梁方案：主塔橫橋向?qū)挾仍黾又?m，橫梁寬度減小至1.7m。

為了實(shí)現(xiàn)最終的成橋狀態(tài)，必須控制每個(gè)施工階段的張拉索力和立模標(biāo)高，使控制結(jié)果既能滿足成橋后的結(jié)構(gòu)受力、線形要求又能滿足施工階段結(jié)構(gòu)的受力要求。這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案采用不同的主塔和橫梁重量分配方式，進(jìn)而影響橋梁構(gòu)件的截面剛度和橋梁內(nèi)力分布，也必然會(huì)改變施工過程控制參數(shù)，在施工階段反映出不同的響應(yīng)特點(diǎn)。

（二）模型建立

本文采用Midas Civil進(jìn)行正裝模擬分析，主塔采用變截面梁單元模擬，以準(zhǔn)確模擬實(shí)際剛度，尤其是對(duì)位移影響較大的抗彎剛度。

四、分析方法及初拉索力

斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了每根索的內(nèi)力變化均會(huì)引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，斜拉索初張力和其后期調(diào)整索力確定后才能根據(jù)主梁的累積位移給出主梁立?；蚍艠痈叱痰仁┕み^程的各技術(shù)參數(shù)。核心問題是確定斜拉索初張拉力，主要方法有倒拆計(jì)算方法、倒拆-正裝迭代法，正裝迭代法和無應(yīng)力狀態(tài)法等。本文采用正裝迭代法計(jì)算得到C1～C13初拉索力值。兩種設(shè)計(jì)方案的初拉索力對(duì)照?qǐng)D如圖2所示。

圖2 初拉索力對(duì)比圖

方案二與方案一相比：主塔重量增加1211t，橫梁重量減少776t，塔以上總重增加435t，其拉索力也隨之增加，增加幅度在1.4%～11.9%，長索索力增加明顯。初張拉時(shí)安全系數(shù)滿足規(guī)范不小于2.5的要求。

五、對(duì)施工過程的影響分析

以下通過施工過程中方案一和方案二橋梁線形和內(nèi)力的計(jì)算對(duì)照，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案差異對(duì)橋梁施工的影響。

（一）對(duì)主梁撓度的影響分析

圖3 主梁撓度對(duì)比圖

圖4 主塔最大偏位對(duì)比圖（邊跨方向?yàn)檎?/p>

如圖3所示，主塔及橫梁重量的不同分配方式對(duì)主梁影響整體上較小，該影響主要反映在主塔端部施工時(shí)。

（二）對(duì)主塔偏位的影響分析

方案二主塔抗彎剛度相對(duì)方案一增加1.2倍，如圖4所示，方案二主塔各階段的偏位均處于方案一主塔偏位的范圍內(nèi)，表明主塔抗彎剛度增加后施工時(shí)主塔偏位變小，這對(duì)于控制主塔位移較為有利。方案一在主塔澆筑第一道橫開始，位移變化明顯大于方案二，且成橋后位主塔位移近20cm，說明對(duì)方案一主塔和橫梁重量重新分配增加主塔剛度是必要的。

圖5 塔根截面應(yīng)力對(duì)比圖

圖6 索力應(yīng)力對(duì)比圖

（三）對(duì)主塔關(guān)鍵截面應(yīng)力的影響分析

塔根部為關(guān)鍵應(yīng)力控制截面，如圖5所示，方案一因主塔橫梁配置集中、重量大，而主塔抗彎剛度相對(duì)小，導(dǎo)致塔根下緣應(yīng)力超限，最大拉應(yīng)力4.7MPa，存在混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取分次張拉或調(diào)整施工順序等措施以保證施工安全和質(zhì)量。方案二主塔上緣和下緣拉應(yīng)力均有所減小，下緣拉應(yīng)力降低明顯。

（四）對(duì)各階段索力的影響分析

如圖6所示，方案二在各施工階段的索力值隨塔重增加而有所增加，相對(duì)方案一最大增幅10.3%。兩方案索力安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

六、結(jié)語

方案一橫梁較重且配置集中，而主塔剛度相對(duì)較小，對(duì)主塔和橫梁重量重新分配并增加主塔剛度是必要的。

方案一塔根部混凝土最大拉應(yīng)力4.7MPa，有開裂風(fēng)險(xiǎn)，必須采取調(diào)整施工順序、分次張拉等有效措施。

方案二主塔剛度增加后，主塔偏位和主梁撓度減小，對(duì)線形控制有利；施工過程主塔應(yīng)力變化幅度小且處于安全范圍，對(duì)施工過程安全有益。這反映了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的塔身剛度和橫梁重量的變化對(duì)施工階段塔根應(yīng)力的直接影響。

方案二比方案一總體上增加混凝土用量164m3，但減少了三道橫梁高空混凝土澆筑作業(yè)量293m3，整體上施工費(fèi)用相當(dāng)。

綜合考慮施工過程安全、施工質(zhì)量可控，施工費(fèi)用節(jié)約等因素，推薦選用方案二，即重主塔輕橫梁方案。