七都大橋北汊橋輔助墩合龍方案優化分析

沈 東 王 杰 胡逸凡 楊玉滿

(1.溫州市七都大橋北汊橋建設有限公司 溫州 325000；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034； 3.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034)

疊合梁斜拉橋充分發揮了混凝土抗壓性能好、鋼材抗拉壓性能好的材料特性，使其具有自重輕、跨越能力強等優勢，在橋梁建設中應用越來越廣泛[1-3]。隨著跨度的增加，往往在邊跨合適位置設置輔助墩，來改善結構的靜力和動力特性，降低施工風險[4-5]。

輔助墩的設置改變了懸臂施工階段的吊裝工序，為了順利通過輔助墩，通常做法是在輔助墩旁搭設臨時支架或托架，將墩頂梁段提前放置于墩頂，合龍前采用三向千斤頂調整墩頂梁段位置，調整到位后安裝與懸臂梁連接合龍。但當遇到工期緊、輔助墩墩頂操作空間受限、支架或托架局部承載力較弱時，此方法往往會影響合龍精度或施工進度，甚至影響支架安全。本文以溫州市七都大橋北汊橋工程為背景，為克服此方案的弊端，提高拼裝精度和保證施工進度，對原設計方案進行了優化，大橋于2020年1月10日順利實現輔助墩合龍。該優化方案可為供類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

七都大橋北汊橋主橋設計為58 m+102 m+360 m+102 m+58 m雙塔中央索面疊合梁斜拉橋。采用五跨連續半漂浮體系，空間密索型布置。主橋主梁分為近塔段(T節段)、標準段(22對)、合龍段(MH)，主梁采用鋼梁與混凝土橋面板組合梁，二者通過剪力釘相結合。橋面板寬度為37.62 m，梁高(鋼箱梁)3.5 m。斜拉索采用平行鋼絲斜拉索。斜拉索在主梁上的基本索距為8 m，邊跨尾索區為6 m；塔上索距為2.5 m，全橋共168根斜拉索，最大斜拉索長度193.8 m。主橋立面布置見圖1。

圖1 七都大橋北汊橋主橋立面布置圖(單位：m)

2 方案優化

2.1 原方案

原方案為塔區S0-T-M0梁段在支架上拼裝，S1～S11、M1～M11采用橋面吊機懸臂拼裝方案，輔助墩墩頂節段包括S11、S12、S13。輔助墩墩頂梁段施工工序為搭設輔助墩臨時支架→依次吊裝S12、S13節段→調整節段并臨時擱置(節段向邊跨側預先偏移20～30 cm左右，確保S11節段吊裝空間)→吊裝S11節段→調整節段，順序完成S11、S12、S13節段焊接→澆筑濕接縫，并張拉縱向預應力→安裝BS11、MS11斜拉索并完成張拉→橋面吊機前移→吊裝M12節段→澆筑濕接縫→安裝BS12、MS12斜拉索并完成張拉→橋面吊機前移→吊裝M13節段→澆筑濕接縫→安裝BS13、MS13斜拉索并完成張拉→橋面吊機前移，準備S14、M14節段的吊裝。

原方案輔助墩合龍示意圖見圖2，運梁船定位位置向主跨側預偏約1 m，橋面吊機起吊S11節段，同時在棧橋上利用鋼絲繩留纜，此時橋面吊機鋼絞線控制2°左右的斜度，節段起吊5 m左右，運梁船離開，將節段緩慢恢復至垂直狀態起吊就位，S11后端與S10焊接，采用三向千斤頂調整S12梁段位置，使S11前端與S12梁段焊接。

圖2 原方案輔助墩合龍流程示意圖

2.2 優化方案

受潮位影響，運梁船無法靠近主墩墩旁托架，S11梁段起吊角度過大，起吊安全風險大，故需將S11梁段長度減小，重量減輕，減小起吊夾角，才能安全起吊。將S11梁段較小部分增加至S12梁段，S12梁段自重增加至4 200 kN，現場需更換大的三向千斤頂才能對S12梁段進行姿態調整，由于原輔助墩墩旁支架設計未考慮梁重增加因素，造成墩頂操作空間受限及支架局部受力不能滿足頂梁要求。針對以上問題，結合施工線形控制及結構受力的分析結果，需對原輔助墩合龍方案進行優化。

方案優化的思路是以成橋狀態為目標，調整吊裝工序，并采用有限元模型計算的方式對2種方案的塔偏、索力、線形進行計算分析，根據計算結果論證優化方案的可行性。

優化方案為將S11梁段縮短1 m，S12梁段增長1 m，運梁船定位位置向主跨側預偏約2 m，橋面吊機起吊S11節段，同時在棧橋上利用鋼絲繩留纜，此時橋面吊機鋼絞線控制2°左右的斜度，節段起吊5 m左右，運梁船離開，將節段緩慢恢復至垂直狀態起吊就位，S11后端與S10焊接，橋面吊機前移，張拉BS11、MS11斜拉索，輔助墩墩頂梁段施工工序為：吊裝S12節段→調整節段，順序完成S11、S12節段焊接→澆筑接縫，并張拉縱向預應力→施加S12梁段一期配重→安裝BS12、MS12斜拉索，并完成張拉→橋面吊機前移，準備S13、M13節段的吊裝。S12梁段起吊匹配示意圖見圖3。

圖3 S12梁段起吊匹配示意圖

3 結構分析與控制

3.1 計算模型及思路

輔助墩合龍方案的變化，必然造成輔助墩合龍前邊跨索力與線形的變化，甚至會影響施工過程中的受力安全[6-8]。為保證合龍后線形的平順性，主梁、橋面板受力及斜拉索索力安全系數滿足設計文件要求[9]，采用有限元軟件midas Civil建立三維模型，對原方案與優化方案進行施工過程模擬，對比分析合龍前后邊跨的受力及線形影響。

主橋主塔采用C55海工耐久性混凝土，輔助墩、過渡墩采用C40海工耐久性混凝土，橋面板采用C60混凝土，鋼梁采用Q345qD，斜拉索為鍍鋅平行鋼絲斜拉索，共9種規格。計算模型見圖4。邊界條件、臨時荷載與實橋保持一致，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，主塔、主梁、橋墩采用梁單元模擬，材料特性根據現場實測結果進行修正。

圖4 三維有限元計算模型

方案優化計算分析的原則為輔助墩合龍后(即BS12、MS12斜拉索張拉完成)，塔偏、索力、線形、應力與原方案結果基本保持一致，細微差別可通過成橋調索工況進行調整。計算的思路為輔助墩合龍前，根據梁重和吊重變化，提前調整索力、塔偏、線形，實現S12梁段與S11梁段的無應力線形匹配，然后施加S12梁段一期壓重，確保輔助墩支座處于受壓狀態，待BS12、MS12斜拉索張拉完成后，調整墩頂附近的斜拉索索力，使結構狀態與原方案保持一致。

3.2 計算分析結果

原方案與優化方案的工序變化與區別見表1，其余施工階段工序相同，表中未列出。根據表1的工序，為保證S12梁段與S11梁段的預應力匹配角度，且匹配后S12梁段支座位置處標高達到設計標高，優化方案對S11、M11的一次張索力進行了調整，由原方案的3 792，3 547 kN(邊、中)調整為2 916，3 235 kN(邊、中)。

表1 原方案與優化方案工序對比表

原方案與優化方案的塔偏計算結果(工序1～9)見圖5，橋面吊機前移，工序5狀態下2種方案塔偏差別較大，但是輔助墩合龍后，工序9狀態下優化方案與原方案塔偏值趨于一致，優化方案與原方案塔偏分別為-168，-182 mm(“-”代表向邊跨偏，下同)，差值14 mm。

圖5 各工序下塔偏計算結果

工序9狀態下，邊跨BS1～BS12斜拉索索力見表2，該工序下，優化方案的斜拉索索力與原方案的斜拉索索力最大偏差為-4.5%，小于5%，最小安全系數為3.0，大于2.0，滿足JTG/T 065-01-2007 《公路斜拉橋設計細則》施工工期斜拉索安全系數不小于2.0的要求。

工序9狀態下，邊跨S1～S12梁段線形見圖6，該工序下，優化方案的邊跨主梁線形與原方案的主梁線形基本一致，最大偏差為6 mm，滿足設計文獻中線形偏差不大于20 mm的要求。

表2 工序9狀態下優化方案與原方案索力表

圖6 工序9狀態下邊跨線形對比圖

根據計算結果，工序9狀態下，原方案S1梁段根部橋面板最大壓應力為-8.25 MPa，鋼梁最大壓應力為-62.45 MPa；優化方案S1梁段根部橋面板最大壓應力為-8.42 MPa，小于理論限值-26.5 MPa，鋼梁最大壓應力為-63.65 MPa，小于理論限值-210 MPa。滿足設計要求，由于后續工況按照原設計方案進行，因此優化方案僅對過程中的塔偏、索力、線形有影響，對成橋后的結構狀態基本無影響。

綜上，雖然施工過程中2種方案的塔偏、索力、線形、應力不同，但是輔助墩合龍后，優化方案與原方案對比，控制指標基本一致，即工序的變化改變了過程中的結構變形與受力，但是對最終的成橋結構狀態影響較小，且優化后的方案現場起吊施工風險小、墩旁支架無千斤頂局部作用、工期較原方案節約2～3 d時間，說明優化方案可行。

3.3 控制成果

大橋現場采用優化方案進行施工控制，于2020年1月10日順利實現輔助墩合龍，合龍后工序9狀態下對主橋的塔偏、應力、索力及線形控制指標進行了實測對比。實測塔偏-172 mm，與計算值-168 mm基本一致；S1梁段根部橋面板實測平均應力-7.92 MPa，鋼梁實測應力-60.02 MPa，與理論計算值-8.42 MPa、-63.52 MPa基本一致，且實測值均小于理論計算值；邊跨BS1～BS12斜拉索實測索力與理論索力對比見圖7。

圖7 實測索力與理論索力對比柱狀圖

由圖7可見，實測索力與理論索力最大偏差4.1%，小于5%。

邊跨S1～S12梁段實測高程與理論高程對比見圖8。

圖8 實測線形與理論線形對比圖

由圖8可見，最大偏差13 mm，位于S6梁段，S12梁段前端較理論值小6 mm，小于理論限值±20 mm的要求。

綜合以上各控制指標，說明當現場條件及工期受限，采用調整斜拉索索力、橋面吊機起吊匹配過輔助墩取代輔助墩三向千斤頂合龍的方式是可行的，且降低了現場施工風險，節約了工期，最終的控制狀態與原方案對比是吻合的。

4 結語

對于大跨度疊合梁斜拉橋主梁輔助墩合龍施工，當現場條件受限，墩旁支架較弱，運梁船難靠近支架時，采用調整索力與線形，改變合龍段梁長，橋面吊機起吊墩頂梁段匹配的方式過輔助墩，取代原來的通過墩頂三向千斤頂調整梁段合龍的方案是可行的。對比理論計算與現場實測結果可得，施工控制過程中結構的塔偏、應力、線形、索力在允許范圍內變化，輔助墩合龍后的狀態與原方案對比，各指標基本一致，現場實測數據與理論計算結果相吻合，大橋于2020年1月10日順利完成輔助墩合龍施工，比原預計工期節約了3 d，此優化方案可為類似橋梁施工控制提供借鑒。