高速公路矮塔斜拉橋斜拉索施工設(shè)計(jì)方案分析

陳少林

（廣東廣惠高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

橋塔是斜拉橋的承重結(jié)構(gòu)，斜拉索錨固區(qū)的設(shè)計(jì)與施工是斜拉橋項(xiàng)目中的難點(diǎn)問(wèn)題。在鋼錨室集中錨固施工環(huán)節(jié)，常因邊跨、中跨斜拉索未實(shí)現(xiàn)同步張拉產(chǎn)生較大偏載作用，甚至引發(fā)斷索問(wèn)題，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因而需對(duì)斜拉索錨固施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程實(shí)例

1.1 項(xiàng)目概況

以潮惠高速公路榕江特大橋施工項(xiàng)目為例，榕江大橋是位于廣東省潮州至惠州高速公路段的重要節(jié)點(diǎn)工程，采用雙塔混合梁斜拉橋體系，橋梁跨徑為640m，主橋?yàn)槿崃后w系矮塔斜拉橋。橋區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為22℃、相對(duì)濕度為79.6%，年平均經(jīng)歷1～4次臺(tái)風(fēng)襲擊；橋區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，基巖埋深為85m，淤泥質(zhì)軟土層平均厚度為12.43m；橋址所處河道的河面寬510m，水深平均為8.1m。在技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)上，計(jì)劃修建雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為Ⅰ級(jí)，行車速度為100km/h，最高水位為4.31m，單孔雙向通航，地震動(dòng)峰值加速度為0.183g[1]。

1.2 橋型方案設(shè)計(jì)

在榕江特大橋的橋型方案設(shè)計(jì)上，綜合考慮水利、航運(yùn)、抗風(fēng)、抗震、潮汕機(jī)場(chǎng)航空高度限制等因素的影響，針對(duì)變截面混合梁矮塔斜拉橋、自錨式懸索橋、地錨式懸索橋、鋼桁梁橋與雙塔混合梁式矮塔斜拉橋五種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，最終選擇矮塔雙塔混合梁斜拉橋體系，其布置情況如圖1、圖2所示。結(jié)合通航凈空、橋位條件等因素，將橋梁主跨的跨徑設(shè)為380m，依照60m+70m+380m+70m+60m的規(guī)格進(jìn)行五跨連續(xù)布置；中跨、次邊跨主梁采用鋼箱梁，邊跨采用扁平混凝土箱梁，將混合梁結(jié)合點(diǎn)設(shè)在輔助墩墩頂部位；斜拉索立面呈輻射式、雙索面，分別布設(shè)在中跨和兩側(cè)邊跨處，在塔頂集中錨固；索塔采用門式框架結(jié)構(gòu)，塔柱和橫梁分別選用鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，底緣呈圓弧線形，采用變高度結(jié)構(gòu)形式。

2 斜拉索施工的設(shè)計(jì)方案

2.1 斜拉索施工的設(shè)計(jì)方案

榕江大橋共設(shè)有4×12對(duì)斜拉索，采用強(qiáng)度等級(jí)為1770MPa的平行鋼絲拉索，在塔頂集中錨固，在鋼箱梁、混凝土箱梁上分別采用鋼錨箱、齒塊錨固。考慮到該橋的斜拉索傾角較小，為克服塔上空間不足的問(wèn)題，擬針對(duì)整橋采用鋼錨箱錨固，將鋼錨箱設(shè)置在上塔柱塔腔中，與塔壁間留有一定距離，利用預(yù)應(yīng)力螺桿將鋼錨箱錨固在塔柱上。橋梁主要結(jié)構(gòu)由錨室腹板、側(cè)板、斜拉索錨箱、承壓板和臨時(shí)施工平臺(tái)組成，鋼錨箱部分長(zhǎng)4.7m、寬2.36m、豎向高6m，共設(shè)有3個(gè)錨室，各錨室設(shè)有8個(gè)鋼錨箱，并焊接在腹板上。斜拉索通過(guò)鋼錨箱將索力由上至下依次傳遞給腹板、承壓板和塔柱，并且針對(duì)錨室中腹板、邊腹板、側(cè)板分別選取60mm、40mm和40mm厚鋼板，針對(duì)承壓板則選用80mm厚鋼板。針對(duì)鋼箱梁、混凝土箱梁，分別采用15m和12m、8m和4m形式的索距，保障斜拉索在主梁上的錨固點(diǎn)均勻布置在箱梁橫隔板與頂板結(jié)合部位，借助邊腹板和橫隔板分別實(shí)現(xiàn)索力水平和豎向分力的傳遞擴(kuò)散。

圖1 榕江大橋橋型布置示意圖（單位：cm）

圖2 斜拉索和鋼箱梁節(jié)段編號(hào)

2.2 鋼錨室制造與安裝

該工程在斜拉索施工上采用塔頂鋼錨室進(jìn)行斜拉索的集中錨固處理，用于增大錨固高度，通過(guò)調(diào)節(jié)水平夾角來(lái)減小斜拉索的水平分力，保障發(fā)揮斜拉索的使用價(jià)值。在塔頂鋼錨室制造環(huán)節(jié)，受塔頂有限空間的影響，需綜合考慮鋼錨室所受荷載、焊接環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及鋼材防腐等問(wèn)題。在橋塔鋼錨室的施工環(huán)節(jié)，選用Q370qD、Q345C兩種鋼材，將同一錨室內(nèi)斜拉索的錨固點(diǎn)間距控制為1.5m，將相鄰錨室中的錨固點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)布設(shè)。針對(duì)鋼錨室進(jìn)行防腐處理，在鋼錨箱的內(nèi)、外表面均采用重防腐涂料進(jìn)行涂裝，在塔壁混凝土澆筑環(huán)節(jié)針對(duì)鋼錨箱進(jìn)行封閉處理，選取抽濕機(jī)配合作業(yè)，提升防腐處理水平。在焊縫設(shè)置上，由于所選鋼板材料較厚，因此在鋼錨室壁板與腹板、斜拉索錨箱錨板與錨室腹板、錨箱錨板與傳力腹板、錨箱腹板與錨室腹板的連接部位均設(shè)置熔透焊縫，在鋼錨室底板與承壓板間不設(shè)焊縫，選取φ70mm的鋼螺桿，并將其錨固在塔頂上，需將上下承壓板間的平整度偏差控制在±0.1mm，以避免削弱整體結(jié)構(gòu)的受力性能。

在鋼錨室制造環(huán)節(jié)，主要經(jīng)由下料、加工、部件裝焊、單元件裝焊及總成等階段完成鋼錨室的制造，依照壁板、隔板、底板、腹板的規(guī)律進(jìn)行組焊，在焊接過(guò)程中注意把控好殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生焊接變形；針對(duì)底板和承壓板主要采用整體銑面加工工藝，用于保障鋼錨室端面的平整度與垂直度。為消除焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，需針對(duì)板間角焊縫進(jìn)行超聲沖擊，配合激振器去除應(yīng)力。

在塔柱混凝土澆筑環(huán)節(jié)，應(yīng)圍繞承壓板與塔頂混凝土結(jié)構(gòu)間留有50mm左右的間隔，采取水泥壓漿方法進(jìn)行縫隙的填充，依照0.4～0.6MPa的壓力進(jìn)行緩慢勻速壓漿，當(dāng)觀察到出漿口有濃漿溢出后，將出漿口進(jìn)行封閉，保持0.4MPa的穩(wěn)壓，待穩(wěn)壓約20～40s后即完成注漿作業(yè)，保障壓漿填充的密實(shí)度。

在預(yù)埋承壓板安裝環(huán)節(jié)，應(yīng)與塔柱鋼筋安裝保持同步作業(yè)，依次完成安裝、澆筑、注漿及預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)。在施工過(guò)程中需密切關(guān)注預(yù)埋承壓板的平整度，確保其在混凝土澆筑前后的局部最大高差不超過(guò)±2mm，待完成預(yù)應(yīng)力張拉后局部最大高差不超過(guò)8mm，保障其平整度符合施工要求。

在鋼錨室吊裝環(huán)節(jié)，選用900t浮吊一次性吊裝就位，配合三向千斤頂完成鋼錨室位置的微調(diào)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)速、潮水流速等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，保障整體吊裝精度，為后續(xù)鋼錨室的集中錨固處理創(chuàng)設(shè)良好作業(yè)條件[2]。

2.3 斜拉索錨固處理

在斜拉索錨固作業(yè)環(huán)節(jié)，針對(duì)鋼箱梁段的斜拉索，主要采用塔端張拉方式；針對(duì)邊跨混凝土箱梁段的斜拉索，則采用梁端張拉方式。由于該橋梁的錨固構(gòu)造由3個(gè)錨室組成，各錨室與周圍混凝土結(jié)構(gòu)均保持分離關(guān)系，僅在底部采用預(yù)應(yīng)力螺桿進(jìn)行連接固定。將各錨室內(nèi)的鋼錨箱均焊接在其側(cè)壁上，在同一錨固區(qū)內(nèi)設(shè)有24個(gè)鋼錨箱，每一鋼錨箱均配有斜拉索，利用鋼錨箱將斜拉索的索力傳遞至側(cè)壁鋼板，由預(yù)應(yīng)力螺桿分擔(dān)不平衡力，保障整體錨固區(qū)域的構(gòu)造合理、混凝土受力均勻。

2.4 斜拉索張拉與伸長(zhǎng)量控制

由于該橋的斜拉索集中錨固于塔頂鋼錨室，因此在張拉環(huán)節(jié)采用YDC250QX穿心式千斤頂作為張拉設(shè)備，采用等值張拉法保障斜拉索索力達(dá)到設(shè)計(jì)值。在張拉過(guò)程中首先進(jìn)行單根斜拉索張拉力的計(jì)算，結(jié)合斜拉索張拉結(jié)束后的索、梁、塔變形量進(jìn)行張拉力修正，利用壓力傳感器控制后續(xù)斜拉索的預(yù)應(yīng)力張拉，并測(cè)量伸長(zhǎng)值，通過(guò)控制伸長(zhǎng)量調(diào)節(jié)橋梁線形。待將整體斜拉索全部張拉完畢后，需基于索力控制公式做好斜拉索的補(bǔ)張，確保斜拉索布置整齊、受力均勻[3]。

2.5 斜拉索防腐處理

由于榕江特大橋建設(shè)區(qū)域?qū)儆诮５貐^(qū)，因此需以抵抗氯離子和水侵入作為橋梁耐久性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，分別開(kāi)展混凝土碳化試驗(yàn)與氯離子侵入試驗(yàn)，并采取相應(yīng)的防腐措施。例如選用丁基橡膠帶進(jìn)行管道外側(cè)的防護(hù)，也可采用高密度聚乙烯材料作為防護(hù)層，或利用自動(dòng)化包裹設(shè)備進(jìn)行斜拉索表面的防護(hù)處理，無(wú)須搭建工作平臺(tái)或租用起重設(shè)備，即可達(dá)成防腐目標(biāo)。

2.6 張拉成橋后結(jié)構(gòu)分析與效果評(píng)價(jià)

首先，觀察靜力計(jì)算結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)組合下斜拉索的最大應(yīng)力值為701.3MPa，安全系數(shù)為2.53，拉索活載應(yīng)力幅保持在100～140MPa，滿足規(guī)范要求；其次，觀察動(dòng)力計(jì)算結(jié)果可知，模擬該橋在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的豎彎、扭轉(zhuǎn)基頻依次為0.370Hz、0.972Hz，扭彎頻率比為2.629；再次，觀察抗震計(jì)算結(jié)果可知，在E2地震作用下主橋過(guò)渡墩、輔助墩和主塔不同截面均未見(jiàn)塑性鉸，且縱、橫橋向下主塔的阻尼器最大反力分別為3000kN和6795kN，主橋橫向、過(guò)渡墩與輔助墩橫向的鋼阻尼支座均進(jìn)入屈服狀態(tài)，而主橋支座的變形量則符合允許變形量要求。接下來(lái)觀察抗風(fēng)計(jì)算結(jié)果可知，在風(fēng)攻角為±3°的條件下，該主橋在施工及成橋兩個(gè)階段的顫振臨界風(fēng)速均高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，符合顫振穩(wěn)定性要求，且順利通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，符合抗風(fēng)性能檢測(cè)要求。總體來(lái)看，榕江特大橋采用柔梁矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，有效解決了“上壓下頂”的高程控制問(wèn)題與抗風(fēng)、抗震問(wèn)題，豐富了大跨度柔梁矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式，張拉成橋后斜拉橋保持恒載受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了成橋目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

榕江特大橋采用雙塔混合梁斜拉橋體系，橋梁結(jié)構(gòu)的最大特色在于利用塔頂鋼錨室實(shí)現(xiàn)斜拉索的集中錨固處理，通過(guò)均勻布設(shè)拉索的錨固點(diǎn)，保障鋼錨室構(gòu)造的合理性及其安裝精度，進(jìn)一步提升斜拉索的使用效率。結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，該橋的主梁受力合理，斜拉索使用效率較高，具備良好的應(yīng)用價(jià)值。