曲線形獨塔無背索斜拉橋施工控制關鍵技術研究

黃安民

摘要 為了使橋梁的內力和線性均可達到預期設計要求，選擇無應力狀態控制法對橋梁加以控制，完成曲線型獨塔無背索斜拉橋的施工，從而解決過去橋梁在斜拉索方面存在的“超長”問題，研究項目根據實際工程情況，采用文獻分析法與案例分析法，查詢相關的文獻資料，對鋼混混合梁結構的斜拉橋主梁進行研究分析，采用先梁后塔與塔索同步的施工方案。應用研究發現，在該工程施工技術與質量控制期間，加強對主梁線性的有效控制，同時兼顧對索導管的傾角修正，可實現斜拉索一次張拉到位。實踐表明，應用該技術能及時發現引發斜拉索“超長”問題的原因，計算放索前目標索力，為相關工程施工控制提供借鑒與參考。

關鍵詞 無背索；斜拉橋；鋼混混合梁；施工控制

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）11-0122-03

0 引言

工程項目為無背索獨塔斜拉橋，整體采用塔梁墩固結鋼構體系，橋梁主梁為鋼混混合梁結構，其中鋼箱梁與預應力混凝土箱梁長度分別為91 m和44 m，結合段長度2 m，箱梁均為單箱三室結構，預應力混凝土箱梁高度3 m，鋼箱梁高度2 m。斜拉橋的橋塔位置采用鋼混結構，橋塔高度72 m，縱向為滿足景觀造型和采用反S形曲線擬合，終端傾斜角50°，底部與頂部角度接近于垂直狀態。采用“先梁后塔”與“塔索同步”的施工方案，加強對索導管傾角與橋塔內力的有效施工控制，以保障施工質量，提高施工效率。

1 結構體系

以往的無背索斜拉橋在施工控制環節主要是憑借著橋塔自身的自重與剛度特征，依靠斜塔自重完成對塔梁固結點位置的彎矩抵消。預應力混凝土材料的應用會讓橋的主梁承載力偏大，不利于滿足索塔自重要求。與此同時，斜拉橋作為一種高次超靜定結構，在成橋的線形方面有著十分詳細且嚴格的要求，節點坐標的改變會直接對橋梁結構內力分配情況產生影響。一旦斜拉橋的線形與設計值發生偏離，將會造成內力與設計值不相符。所以，在工程結構體系設計環節，有必要加強對拉索垂度、臨時荷載或混凝土收縮等影響因素的分析，兼顧各項條件，完成結構體系的調整。該項目內，橋梁主要以鋼構體系為整體結構，主梁為鋼混組合梁，主塔為鋼筋混凝土結構，中央分隔帶的位置設斜拉索。由于橋梁建設對周圍景觀要求比較高，經過勘測得知河道的寬度在100 m左右，該項目中的無背索斜拉橋為了適用于該河道寬度，需要依靠橋塔重力來平衡主梁的荷載，使主塔的傾斜度達到60°左右。在塔梁墩固結體系下，只有少數小跨徑橋會將塔梁固結和塔墩分離。

設計期間，加強對不同計算方法的應用，計算出不同施工階段下索力與梁體變形情況，依據理論計算結果得到材料彈性模量與構件的重量信息，按照溫度變化情況，掌握臨時荷載變化趨勢，確保影響因素對工程施工控制帶來的改變，防止預期施工與實際施工之間不一致。由于斜拉橋在施工期間存在著理論和實際偏差問題，且這種偏差還有累積性，所以需要進一步調整和控制。基于無背索的斜拉索多為扇形與豎琴形，很少會用輻射形。從實際情況來看，扇形與豎琴形的索面無論是外觀，還是受力上都十分相似。豎琴形索面可以更早的張拉首索，便于塔柱位置進行懸臂施工，為平衡主跨荷載，塔柱需要實心。扇形索面中短索傾角偏大，索導管較長，容易影響施工效率。該項目選用豎琴形索面，配合曲線型塔柱進行施工，其中前2根短索塔短索導管長度為16.5 m[1]。為降低主梁的重量，使塔柱自重有所減輕，項目中根據該斜拉橋的實際情況，融合施工現場環境氣候特點，采取鋼混組合結構，發揮鋼筋與混凝土材料的作用。主梁位置應用鋼混結構，以主跨為分界點位，同塔梁固結點保持大約19 m的距離。分界點位置需要分析主梁的應力傳遞情況與主梁剛度變化情況，所以鋼混結合段處需要做好結構體系的優化，加強預應力結構分析，保障橋梁整體結構的穩定與安全。

2 工程施工方案

2.1 總體施工方案

常規斜拉橋會采取先塔后梁與主梁懸拼相結合的結構形式，但無背索斜拉橋的塔柱會產生傾斜，塔柱自身無法有效保持平衡，需依靠斜拉索保持主梁的重量平衡，所以無背索斜拉橋需要先梁后塔，且塔索同步進行施工，完成主梁架設后再對主塔進行懸臂節段施工，項目整體施工方案主要為“先梁后塔”與“塔索同步”。具體施工流程如下：搭設橋梁支架，對混凝土箱梁與鋼混結合段進行現澆施工，隨后安裝鋼箱梁。張拉箱梁預應力澆筑混凝土。搭設主塔平臺，依靠勁性骨架對主塔節段進行懸臂澆筑，保持塔端同步張拉斜拉索，最終放索，將主梁支架與主塔支架一次拆除[2]。

2.2 承臺深基坑施工方案

項目施工位置內存在淤泥質土壤，填筑材料內摻雜巖石，一般深基坑施工多為放坡開挖與圍堰施工方法相結合，但施工期間存在一定風險。該項目決定采用“放坡+圍堰開挖”施工方案，放坡開挖的同時觀察土壤與水文變化情況，必要時使用鋼板樁圍堰，開挖期間如果填土效果良好，可將放坡開挖的坡比設計為1∶1.25，隨后掛網噴漿護面，依靠抽水機提高施工效率。

2.3 承臺一次性澆筑方案

項目中橋梁承臺屬于大體積混凝土，根據圖紙要求對承臺位置分層施工。為防止混凝土結構產生穩定裂縫，要求結構內外溫差不能超出±25 ℃，采用分層施工手段預防裂縫問題，加強對混凝土入模時溫度的有效控制，要求混凝土溫度≤30 ℃。此外，使用低水化熱膠凝材料，比如具有低水化熱特征的硅酸鹽水泥，材料內摻入一部分粉煤灰，使其不會對混凝土強度產生影響，還能降低材料發熱量，防止混凝土結構內部出現溫度急劇升高的情況。夏季施工時，要求摻入粉煤灰的混凝土入模溫度≤30 ℃，冷卻水管共3層，每層保持1 m的間隔距離，水管間距1.2 m，承臺養護7 d后可以拆模。

3 施工控制關鍵技術

3.1 主梁施工技術

鋼混混合梁結構中，鋼箱梁與混凝土梁的高度分別為2 m和3 m，采用單箱三室斜腹板界面，混合位置處于主跨區域，與主塔中心相距19 m。對主梁進行澆筑與拼裝，邊跨區域的混凝土主梁跨徑為25 m，實施鋼管臨時墩與貝雷架相結合的施工方案，為防止臨時墩沉降，避免主梁出現開裂的問題，要求鋼管臨時墩必須支撐在承臺上，貝雷架的跨徑達到25 m。邊跨區域主梁自重770 kN/m，所需貝雷架數量較多，需增強支點位置的剪力。鋼混混合梁施工時，先進行主梁施工，再進行混合段施工，張拉主梁預應力，最終安裝鋼箱梁[3]。

對主梁結構線形控制，由于項目中該斜拉橋的預應力混凝土箱梁端選擇采用現澆法進行施工，分段拼裝鋼箱梁，共計11個階段，標準段的長度為8 m，通過合理設置主梁預拱度可以完成對線形的有效控制。

3.2 主塔施工技術

承臺之上主塔高度72 m，下塔柱高度12 m，主梁以上高度60 m，中心線縱向采用反S形的曲線形式擬合，使主塔中部傾斜角達到50°，塔底部和頂部的角度接近垂直狀態，縱向寬度呈漸變，底部與頂部縱寬分別為11.75 m和3.25 m，橫向等寬3 m。主塔位置使用四邊倒角實心截面，縱向寬度從底部向頂為1.5～0.5 m的漸變，橫向寬度等寬0.3 m。上塔柱共劃分成15個節段，澆筑高度最大為4.581 m，根據模板受力情況進行節段劃分，塔根位置最大拉應力＜2 MPa時不會產生受力裂縫的問題。

對斜拉橋的橋塔進行線形控制。一般斜拉橋橋塔部位呈垂直狀態，兩側斜拉索的索力會均等分布，實際施工過程中無需對橋塔的預偏量進行額外設置。項目內，針對該斜拉橋，加強線形控制，將橋塔的預偏量分別劃分為水平與豎向兩部分，此外計算結果需通過施工環節計算得到。對橋塔位置進行分段澆筑施工，計算每節塔柱澆筑施工環節的節段預偏量，同時計算索塔錨固點位置的預偏量值，從坐標中得到預偏量結算，見表1，科學掌握預偏量的變化趨勢，完成對橋塔線形的有效控制，為后續斜拉橋施工技術的應用提供數據參考。

3.3 索導管傾角控制

完成橋梁線形的控制后，接下來還要安裝索導管，判斷斜拉索垂度給傾角控制造成的影響，確保斜拉索位于導管內部，且保持位置居中，實現對索導管傾角的有效控制，將傾角取值為錨固點傾角，采用切線法對傾角變化量加以計算。該項目內，橋梁的塔柱為實心的，且索導管的長度在16.5 m左右，已經超出索長大約三分之一，計算后利用割線法對索導管傾角進行調整，修正夾角，使導管前端的降低值能夠低于索導管中點位置的垂度，最終符合施工要求。

3.4 橋塔內力控制

橋臺選擇傾斜的鋼混結構，由于彎矩偏大，橋塔位置會形成較大的拉應力，嚴重時會造成受力裂縫，由此，需加強對各環節斜拉索索力的控制。

3.4.1 張拉索力

為保證傾斜塔柱局部平衡，在橋塔節段施工環節要求張拉索力與成橋索力必須一致，因主梁預拱度存在，落架前橋塔與索梁錨固點的間距較小，此時斜拉索看起來“超長”。其中cb1-cb6號的斜拉索錨杯長度為42 cm，cb7-cb10號斜拉索錨杯長度為37 cm，要求張拉端錨具螺母處于錨杯前三分之一處，那么斜拉索錨頭前端長度應如表2所示。根據圖表中的數據信息得知，梁端螺母處于錨杯前三分之一位置時，cb6-cb8斜拉索超長梁超過理論長度，此時說明該處斜拉索塔端錨杯需要用到錨墊板[4]。

為解決上述問題，可減小無應力索長，對螺母的位置做出調整，或減小一部分張拉索力，讓梁端螺母位于錨杯前小于1/3的位置。由表1數據得知，澆筑塔柱節段環節，塔端與梁端的錨頭前端長度能夠超過最小理論值，有效解決了斜拉索“超長”的問題，實現了對橋塔拉應力的有效控制，使其≤2 MPa，完成對斜拉索的一次張拉施工[5]。

3.4.2 放索索力

對橋塔部位進行施工后，主梁落架會加大斜拉索的索力，此時橋塔的內力超出容許值，有必要在落架前進行放索處理。受應力限制，放索需要分兩次進行，且放索應力需要與實際工程施工中索力與目標索力的差值相同。其中，目標索力可以采用反推的方式，在迭代法的試用下求解。具體如表3所示，斜拉橋的索力值當中，按照橋梁實際設計要求，放索量依據螺母旋出量控制，保持螺母位置不動，外旋塔端螺母，延長錨頭前端位置的長度，從而實現對放索索力的控制。

4 結語

綜上，該項目為無背索獨塔斜拉橋，采取“先梁后塔”與“索塔同步”的總體施工方案，通過無應力狀態法實現對工程的有效施工控制。根據主梁與橋塔線形控制，加強對索導管傾角的控制，不斷完善各項施工關鍵技術，使成橋后斜拉橋的主梁高程偏差值被控制在1.3 cm，橋塔縱向偏差值不超過1.6 cm，橋塔未產生受力裂縫問題，使橋梁受力與線形均能符合工程預期要求。

表3 項目斜拉橋放索索力/kN

索號 第一次放索的索力 第二次放索的索力

實測 目標 放索索力 實測 目標 放索索力

cb1 3 455 2 886 569 3 650 3 151 499

cb2 3 402 2 697 705 3 256 3 005 251

cb3 3 340 2 361 979 2 980 2 711 269

cb4 2 964 2 294 670 2 902 2 676 226

cb5 2 430 1 804 626 3 013 2 199 814

cb6 2 379 1 893 486 2 504 2 276 228

cb7 2 280 1 968 312 2 577 2 269 308

cb8 1 750 1 382 368 1 909 1 616 293

cb9 1 912 1 649 263 2 062 1 792 270

cb10 1 658 1 757 ?99 1 894 1 787 107

參考文獻

[1]程宏斌. 獨塔無背索曲線鋼管梁斜拉橋設計與分析[J]. 中國市政工程， 2023（1）： 16-19+90.

[2]俞伯林. 曲線無背索獨塔斜拉橋拉索張拉施工方案分析[J]. 福建交通科技， 2022（7）： 42-46.

[3]王永禎. 曲線形獨塔無背索斜拉橋荷載試驗研究[J]. 福建建材， 2019（9）： 3-5.

[4]湯少青， 馬虎. 扭背索獨塔斜拉橋鋼箱梁施工線形控制研究[J]. 中外建筑， 2019（4）： 213-214.

[5]張光亮. 曲線形獨塔無背索斜拉橋施工關鍵技術[J]. 交通世界， 2019（15）： 96-98.