采用后支點掛籃施工的雙邊箱主梁混凝土斜拉橋設計

何 海

（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507）

1 工程概況

斜拉橋跨越內河Ⅰ級航道，要求通航凈寬不小于230 m，凈高不小于18 m，上底寬不小于207 m，側高不小于8 m。本橋設計為（119+250+119）m 雙塔雙索面預應力混凝土梁斜拉橋，邊中跨比為0.476，全長488 m。主橋橋型布置如圖1 所示。

圖1 主橋橋型布置圖（單位:cm）

主橋為雙向六車道整體式斷面，全橋總寬36.5 m。主梁橫斷面布置圖如圖2 所示。

圖2 主橋橫斷面布置圖（單位：cm）

2 主梁設計

主梁標準梁段采用預應力混凝土雙邊箱斷面結構，主梁中心高度3 m，全寬36.5 m。箱寬7.5 m，頂板厚30 cm，直腹板厚40 cm，斜腹板厚30 cm，底板厚40 cm。拉索錨梁寬2.3 m（不含風嘴）。

主梁邊跨現澆段，考慮配重的需要，采用預應力混凝土單箱三室斷面結構，主梁中心高度3 m，全寬36.5 m。邊箱寬7.5 m，頂板厚30 cm，直腹板厚50 cm，斜腹板厚45 cm，底板厚50 cm。

主梁采用C60 混凝土。主梁縱向按全預應力構件設計，橫隔梁按A 類預應力構件設計，橋面板按普通鋼筋混凝土構件設計。

3 主梁掛籃施工方案

斜拉橋施工大多利用斜拉橋自身在結構上的優點, 懸臂澆筑施工時選擇前支點牽索式掛籃, 利用待澆梁段斜拉索和已澆梁段共同承擔待澆梁段和掛籃的全部重量,以減輕已澆梁段承擔的荷載,充分發揮斜拉索的作用。然而本橋施工單位根據已有施工機具情況及工期要求，提出了后支點掛籃施工的方案。

本橋主梁施工方案為0～1# 塊采用支架現澆、其余標準段采用后支點掛籃懸臂現澆施工。后支點掛籃施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 后支點掛籃施工過程圖

后支點掛籃布置如圖4 所示。

圖4 后支點掛籃橫向布置圖（單位：cm）

后支點掛籃空載時，前錨固點反力264.8 t（向下），后錨固點反力-72.6 t（向上），掛籃及模板等自重192.2 t。

掛籃滿載澆筑標準梁段時，前錨固點反力1019.9 t（向下），后錨固點反力-317.3 t（向上）。掛籃荷載適當考慮澆筑混凝土濕重的不利影響，按1.1倍梁段自重考慮。

4 斜拉橋總體受力分析[1]

整體計算采用空間程序MIDAS，共建立703 個節點，676 個單元。其中，采用160 個索單元模擬拉索，516 個梁單元模擬主梁、橋塔、基礎等，拉索和主梁之間采用剛臂連接。整體計算模型如圖5 所示。

圖5 計算模型

施工過程中主梁上、下緣最大拉應力為0.5 MPa，主梁拉應力滿足規范要求；最大壓應力為16.5 MPa，主梁壓應力滿足規范要求。成橋階段主梁上下緣均未出現拉應力，最大壓應力為14.8 MPa，滿足規范要求。使用階段主梁標準狀況下最大壓應力17.9 MPa，滿足規范要求。短期狀況下無拉應力，滿足規范要求。

5 主梁0～1#梁段施工階段應力分析[2]

2# 塊施工是本橋后支點掛籃施工中最為不利的計算工況之一，2# 塊澆筑施工如圖6 所示。

根據整體模型計算，在澆筑2# 塊梁體混凝土時，0～1 節段主梁中1 號斜拉索已張拉，1 號斜拉索力F1=2131 kN。對0～1 節段主梁建立塊體有限元模型（如圖7 所示），進行應力分析，主梁0# 塊布索區頂板最大拉應力2.8 MPa（見圖8 及表1），考慮普通鋼筋的作用，基本滿足后支點掛籃施工的需要。

圖6 2# 塊澆筑施工（單位：cm）

圖7 主梁有限元模型

圖8 頂板縱向應力圖

表1 單項應力匯總 單位：MP a

從圖9 可以看出，在掛籃荷載單獨作用下，主梁0# 段頂板整體以受拉為主，但是拉應力分布很不均勻，這主要受掛籃橫向傳遞范圍的影響，掛籃荷載基本上45°擴散，最大拉應力出現在主梁兩側拉索區以及內側腹板與頂板交匯處（即掛籃作用點對應的軸線上），約8.5 MPa ，最小拉應力出現在主梁中心處，約1 MPa ，主梁外側13 m 左右范圍內拉應力大于2 MPa。由此可見，受掛籃力橫向擴散范圍的限制，掛籃僅對拉索區實體段及箱室范圍內的主梁產生2～8.5 MPa 的拉應力，中間橫梁區段范圍內主梁頂板拉應力很小，小于2 MPa。

圖9 掛籃單項荷載作用下應力圖

從圖10 可以看出，在1# 斜拉索單獨作用下，主梁0# 段頂板整體以受壓為主，但是壓應力分布很不均勻，主要受拉索橫向傳遞范圍的影響，最大壓應力出現在主梁兩側拉索區，最大壓應力2.8 MPa，最小壓應力出現在主梁中心處，壓應力0.3 MPa，主梁外側9 m 左右范圍內壓應力大于2 MPa，而拉索離0# 塊根部距離僅9 m，1# 拉索索力基本按45°擴散。

圖10 斜拉索單項荷載作用下應力圖

由此可見，受拉索索力橫向擴散范圍的限制，1#索僅對拉索區實體段及箱室范圍內的主梁產生2～2.8 MPa 的壓應力，中間橫梁區段范圍內主梁頂板壓應力很小。

0～1# 塊節段長度僅10 m，橋寬達36.5 m，結構寬跨比較大，主梁在剪力滯效應、預應力束橫向分布不均勻（拉索區受斜拉索穿過影響，不易布置預應力），掛籃和拉索力擴散不開等因素共同作用下，采用后支點掛籃施工，0～1# 塊頂板正應力分布不均，在主梁中間段橫梁區頂板由于預應力產生較大的壓應力，而掛籃及恒載產生的拉應力卻不大，故頂板出現較大壓應力儲備，而在兩側拉索區則剛好相反，預應力提供壓應力較小，而拉索產生的壓應力水平也不高，但是掛籃卻產生較大的拉應力，導致拉索區范圍內頂板出現拉應力。

隨著節段長度的增加，斜拉索傾斜角不斷減小，斜拉索水平分力不斷增加，其增加的壓應力儲備足以抵消掛籃懸臂施工產生的拉應力，這與整體計算基本一致。經計算，本橋施工階段頂板拉應力最不利的為澆筑4#節段混凝土時，最大拉應力不超過3 MPa，考慮普通鋼筋的作用，基本滿足后支點掛籃施工的需要。

6 后支點掛籃施工雙邊箱混凝土斜拉橋的設計特點

與前支點掛籃施工混凝土斜拉橋相比，后支點掛籃施工雙邊箱混凝土斜拉橋設計有如下特點。

6.1 主梁縱向預應力用量增加

由于采用后支點掛籃施工時，已澆梁段需完全承擔待澆梁段和掛籃的全部重量，主梁施工階段的受力更為不利。

經計算比較，采用后支點掛籃施工比采用前支點掛籃施工，主梁縱向預應力鋼束用量增加36%（見表2）。

表2 主梁縱向預應力束工程量比較 單位：t

對于本橋，由于施工單位利用自有的后支點掛籃進行施工，節約了購置前支點掛籃費用，經過綜合比較，采用后支點掛籃施工仍然是較為經濟的方案。

6.2 斜拉索用量變化不大

如圖11 所示，計算結果表明，采用前、后支點掛籃施工對成橋索力變化不大，平均相差約5%。故斜拉索用量變化不大。

圖11 前、后支點掛籃施工成橋索力對比（單位：kN）

6.3 施工過程中，主梁橫向應力分布不均勻，需注意主梁剪力滯等效應的影響

根據計算結果表明，主梁施工的前5 個梁段，由于結構寬跨比較大，主梁在掛籃、斜拉索作用下剪力滯、軸力滯效應更明顯，主梁截面應力分布更不均勻。如果預應力布置不當，施工過程中主梁布索區可能會產生較大的拉應力，導致主梁開裂。建議前5 個梁段布置足夠多的預應力，優化預應力布置，拉索區域附件盡量布置足夠的預應力，使主梁全截面趨于整體均勻受壓。

7 結 語

（1）混凝土雙邊箱主梁形式的混凝土斜拉橋，采用后支點掛籃懸澆施工雖然國內實例較少，但在技術上是可行的。該橋現已建成通車，運營狀況良好。

（2）采用后支點掛籃施工的混凝土斜拉橋，已澆梁段需承擔待澆梁段和掛籃的全部重量，主梁施工階段的受力更為不利，主梁鋼束用量會有所增加。主梁橫向應力分布更不均勻，剪力滯效應更明顯。

（3）后支點掛籃施工可減少斜拉索索力調整次數，施工監控難度較低，且能有效節省施工工期。結合施工單位的施工機具選擇不同的施工方案，可節約工程造價。