不對稱獨塔疊合梁斜拉橋塔梁同步施工可行性與影響因素分析*

易志慧， 趙超， 彭建新

(1.長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114;2.中交路橋華南工程有限公司， 廣東 中山 528400)

傳統的斜拉橋施工工序是先澆筑塔柱，封頂后再進行主梁架設和斜拉索張拉，即先塔后梁。近年來，塔梁同步施工技術以其較好的施工效果越來越受青睞，該技術的特點是在塔柱封頂前同時進行主梁架設和斜拉索張拉。曾洋等以某混合梁斜拉橋為工程背景，分析了斜拉橋張拉級數、張拉次序、溫度變化等因素對塔梁同步施工中橋塔偏位的影響。顧箭鋒等運用MIDAS/Civil軟件模擬混合梁斜拉橋施工過程，對比分析了塔梁同步和先塔后梁施工時成橋索力和成橋狀態，發現2種施工方法的理論值均與實測值吻合，塔梁同步施工可行。張淑坤等分析了砼斜拉橋塔梁同步施工的影響因素，結果表明主要影響因素為橋塔垂直度、索力、高程控制、索導管施工、勁性骨架施工等。謝官模等依托某砼斜拉橋，利用MIDAS/Civil軟件模擬塔梁同步和先塔后梁施工方式，發現塔梁同步施工對箱梁應力、主梁線形、支座反力的影響較小，相對于塔梁異步施工，塔梁同步施工可減小5%塔根處應力。趙曉斌以鋼箱斜拉橋為研究對象，利用MIDAS/Civil和橋梁博士軟件進行分析比較，發現塔梁同步施工時成橋索力、線形與設計結果較吻合。目前針對塔梁同步施工的研究主要以混合梁斜拉橋、砼斜拉橋和鋼箱斜拉橋為主，對不對稱疊合梁斜拉橋塔梁同步施工的研究很少。該文以貴州省銅仁市凱峽河特大橋為工程背景，利用MIDAS/Civil分別模擬塔梁同步工藝和先塔后梁工藝的施工過程，比較2種施工方式下成橋索力、成橋預拱度、主塔根部壓應力等關鍵參數，分析不對稱獨塔疊合梁斜拉橋采用塔梁同步施工的可行性及影響因素。

1 工程概況

凱峽河特大橋全長410 m，主梁采用鋼主梁與橋面板相結合的整體斷面，屬于不對稱獨塔雙索面疊合梁斜拉橋(見圖1)。全橋鋼梁劃分為A(主塔處梁段)、B、C、D、E、F 6種類型梁段，共39個梁段。主塔采用人字形，由61 m高的上塔柱和56 m高的中塔柱組成，分為23個節段施工，總高度為117 m。斜拉索采用7絲φs15.2環氧鋼絞線，共36對(72道)。

圖1 凱峽河特大橋的總體布置(單位：cm)

該橋原設計采用先塔后梁施工工藝。為保證施工進度，施工方變更施工工序，采用塔梁同步施工工藝。表1為2種施工工藝的施工工序對比。

表1 塔梁同步和先塔后梁施工工序對比

2 塔梁同步工藝可行性分析

運用MIDAS/Civil有限元軟件建立該橋計算模型，模擬塔梁同步和先塔后梁施工過程，通過對比2種施工工藝下成橋狀態驗證不對稱疊合梁斜拉橋采用塔梁同步施工工藝的可行性。主梁和主塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，斜拉索與主塔、主梁之間采用剛性連接。全橋共794個節點、693個單元(見圖2)。

圖2 凱峽河特大橋有限元模型

2.1 成橋索力對比

每種合理成橋狀態匹配一組最優成橋索力，成橋索力的好壞決定斜拉結構受力是否均勻。調整成橋索力的目的是使“塔直梁平”，即盡量使主塔處于軸心受壓狀態，主梁處于類似于多點彈性支撐的連續梁狀態。圖3為2種施工工藝下成橋索力對比。

由圖3可知：塔梁同步施工與先塔后梁施工時成橋索力無太大差別，差值在100 kN以內。最小成橋索力差值出現在M4索，為0.08 kN，遠小于原設計成橋索力的1%；最大成橋索力差值出現在M15索，為92.31 kN，占原設計成橋索力的1.7%。表明改變施工工序對成橋索力的影響很小，該橋采用塔梁同步施工工藝可行。

圖3 不同施工工藝下成橋索力對比

2.2 成橋預拱度對比

主梁線形是否平順直接影響橋梁運營期的安全和行車舒適度。考慮汽車荷載和砼收縮徐變的影響，主梁在成橋后需設置預拱度以實現合理的成橋

線形。通過有限元模型分別提取塔梁同步施工和先塔后梁施工時成橋預拱度，并將塔梁同步施工時預拱度與設計預拱度進行對比，結果見圖4、圖5。

圖4 不同施工工藝下成橋預拱度對比

圖5 塔梁同步施工時預拱度與設計預拱度對比

由圖4、圖5可知：塔梁同步施工與先塔后梁施工時成橋預拱度差值的絕對值為0～1 mm，最大差值為0.7 mm；塔梁同步施工時預拱度與設計預拱度最大相差0.6 mm，出現在M4錨點處，兩者吻合較好。采用塔梁同步施工方法可控制主梁成橋線形，對合理成橋狀態的影響較小，疊合梁斜拉橋采用塔梁同步施工工藝可行。

2.3 主塔根部應力對比

根據文獻[6]，在斜拉橋塔梁同步施工中，由于主塔處于未封頂狀態，主塔根部壓應力儲備不多，在這種情況下進行斜拉索張拉應注意保持橋塔兩側索力基本一致，從而保證主塔安全。對該橋主塔封頂前4種工況(分別為斜拉索S1、M1初次張拉，斜拉索S1、M1二次張拉，安裝橋面吊機，安裝梁段B2)下主塔根部壓應力進行分析，2種施工工藝下主塔根部壓應力見表2。

表2 主塔根部應力對比 MPa

由表2可知：不同工況下，塔梁同步施工和先塔后梁施工時主塔根部壓應力幾乎完全吻合，只有在安裝梁段B2時，兩者相差0.01 MPa。這是因為在塔梁同步施工中，只對斜拉索S1、M1進行張拉。根據上述研究，斜拉索S1、M1的成橋索力不足2 700 kN，橋塔兩側斜拉索索力差值為70 kN左右，對橋塔的影響較小。該橋采用塔梁同步施工工藝，可通過減少不足1%的壓應力儲備來換取施工工期的縮短，說明該施工工藝可行。

3 塔梁同步施工影響因素分析

3.1 索塔順橋向溫差對橋塔偏位的影響

貴州銅仁地區的晝夜溫差常年較大。凱峽河特大橋坐西朝東，受陽光照射的影響，一天中主塔兩側的溫差隨時間的推移而變化。實測發現：背陽側(石阡側)橋塔的溫度滯后于向陽側(大龍側)的溫度，這種情況在14：00時表現最明顯；夏季橋塔背光側和向光側溫差最大可達20 ℃，冬季溫差達10 ℃。該橋塔梁同步施工在6月進行，需考慮日照溫差的影響。

塔梁同步施工中，主塔兩側由于不平衡荷載使下部已澆筑的橋塔產生相對于理論軸線的偏位，而后續澆筑的橋塔節段按照原設計軸線進行爬模，導致成橋后塔柱的實際線形產生順橋向偏位，若該偏位超過容許值，會給工程帶來一定風險。因此，需探究日照溫差對橋塔偏位的影響。設定5、10、15、20 ℃ 4個順橋向溫差，提取塔柱頂部附近的單元位移進行分析，結果見圖6。

圖6 不同溫差下橋塔偏位

由圖6可知：1) 隨著橋塔高度的增大，橋塔偏位增大，增長速率在遠離橋塔頂部時較大，在接近橋塔頂部時有所放緩。這是因為斜拉索分布在橋塔頂部靠下的位置，斜拉索的加入影響附近的溫度場作用，在索力和溫差應力的雙重作用下橋塔偏位更明顯。2) 溫差大小影響主塔偏位。5 ℃溫差時，主塔最大偏位為-45.2 mm；10 ℃溫差時，主塔最大偏位為46.9 mm；15 ℃溫差時，主塔最大偏位為-48.9 mm；20 ℃溫差時，主塔最大偏位達到-57 mm。表明主塔順橋向溫差會影響主塔偏位，20 ℃溫差時主塔偏位值接近6 cm。塔梁同步施工應盡量在每天12：00時之前和18：00時之后進行，同時密切關注施工過程中主塔偏位情況，發現問題及時調整橋塔線形。

3.2 不平衡荷載對橋塔偏位的影響

塔梁同步施工的關鍵是保證橋塔兩側荷載對稱，以確保主塔的垂直度和線形。橋塔兩邊不平衡荷載可能導致較大橋塔偏位。在塔梁同步施工中，橋塔兩側斜拉索索力、主梁自重、橋面人員與設備等的差異會產生不平衡荷載。以塔梁同步施工完成時的幾個主塔節段為控制截面，設定無不平衡荷載、20 t不平衡荷載、40 t不平衡荷載3種情況分析不平衡荷載對橋塔偏位的影響，結果見圖7。

圖7 不平衡荷載作用下橋塔偏位

由圖7可知：不平衡荷載對橋塔縱向偏位的影響較大。不平衡荷載達到40 t時，橋塔偏位值為-24.9 mm，遠大于無不平衡荷載時的-0.29 mm，說明橋塔偏位對不平衡荷載大小較敏感。在塔梁同步施工中，需注意由橋塔兩側不平衡荷載導致的主塔軸線偏移，盡量避免不平衡荷載情況出現。

4 結論

(1) 塔梁同步施工和先塔后梁施工時成橋索力最大差值為92.31 kN，為原設計成橋索力的1.7%，塔梁同步施工對疊合梁斜拉橋合理成橋狀態的影響可忽略。

(2) 塔梁同步施工中，主塔順橋向溫差對主塔偏位有一定影響，溫差達到20 ℃時橋塔順橋向最大偏位值接近6 cm。塔梁同步施工時應盡量避免出現溫差過大的情況。

(3) 塔梁同步施工中，主塔偏位對不平衡荷載大小較敏感，無不平衡荷載作用時主塔偏位值僅為-0.29 mm，而不平衡荷載為40 t時該值為-24.9 mm。塔梁同步施工時應避免荷載堆積在同一側。