多塔斜拉桥顶推合龙关键技术研究

肖剑

(中南勘测设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410007)

大跨度双塔或多塔砼斜拉桥成桥后受砼收缩徐变的影响，主塔会往跨中方向产生偏位。为使成桥稳定后主塔在恒载作用下保持竖直状态，施工至主梁阶段需对主塔进行预偏处理。目前，主塔往边跨预偏主要通过边、中跨的索力差来实现，会给施工过程中主梁受力带来不利影响。另外，在确定的成桥目标状态下，施工索力确定既要满足成桥索力、主梁内力、线形目标，又要满足塔偏目标，在成桥后塔偏由于收缩徐变变化较大的情况下，难以得到满意的施工索力，即使得到了也会降低成桥目标状态实现的精度。加上多塔斜拉桥主跨存在多个合龙口，会给后期高精度合龙带来较大难度。为同时满足高精度合龙和预加塔偏的要求，采用顶推方式增加预偏力，达到合龙后改善塔偏及减小应力的目标，确保桥梁在合理期限内的使用安全。该文主要研究顶推方案的优化、顶推关键技术的实施及控制。

1 工程概况

(汝城—郴州)汝郴高速公路赤石特大桥为四塔砼斜拉桥，总体桥型设计为左幅4×40 m连续T梁+(165+3×380+165) m斜拉桥+16×40 m连续T梁、右幅4×40 m连续T梁+(165+3×380+165) m斜拉桥+15×40 m连续T梁。中间双塔采用墩梁固结，边塔采用支座，每个主塔独立布设23对斜拉索并呈扇形锚固于上塔柱。主塔外观为曲线收腰形，主梁采用预应力砼箱梁形式。主跨分为3个合龙端，边跨分为2个合龙端，合龙端长度均为2.0 m(见图1)。

图1 赤石特大桥桥型布置

2 顶推合龙方案

2.1 顶推合龙方案优化

多塔斜拉桥依据施工工序不同，产生的应力会有变化，应根据悬臂施工实际工序及监测数据选择合龙方案。该桥施工步骤主要包含主塔施工、主梁浇筑、合龙、二期恒载施作等。原合龙顺序为边跨合龙→次边跨合龙→中跨合龙(方案一)。计算结果显示,主桥徐变10年完成后索塔偏位偏大(边塔表现得尤其明显)，且表现为偏向中跨(见表1)。

表1 原合龙方案下10年后塔顶偏位情况

注：正负号分别表示往大、小里程方向偏位；8#主塔为大里程边塔，5#主塔为小里程边塔。下同。

为降低后期成桥后因砼收缩徐变造成的主塔应力变化的不利影响，并进一步减小塔偏量，对合龙顶推方案进行优化：

(1) 调整合龙顺序。将原合龙顺序即方案一调整为边跨合龙→中跨合龙→次边跨合龙(方案二)。

(2) 因中跨首先进行合龙施工，在中跨合龙口两端进行水平方向顶推力施加，确保中间塔可向边跨侧预偏；次边跨进行合龙口施工时，于次边跨合龙口进行水平顶推力施加，使2个边塔也向边跨预偏。

(3) 确定推力值。中跨施加顶推力的目标为桥梁完工并达到10年收缩徐变期后，中间塔墩梁固结点处产生的位移累计值基本为零；次中跨施加顶推力的目为桥梁完工并达到10年收缩徐变期后，边塔主梁0#段产生的位移累计值约为零。因此，确定中跨施加400 t顶推力，次边跨施加200 t顶推力。

2.2 顶推方案理论计算结果对比

2.2.1 塔顶偏位

顶推合龙施工顺序优化并将顶推力施加于中跨合龙口和次边跨合龙口后，成桥10年后由砼收缩徐变导致的理论塔偏量见表2。

表2 顶推合龙方案优化前后成桥10年后塔偏情况对比

由表2可知：顶推合龙方案优化后，成桥10年后主塔偏位大大减小，对改善主塔受力状态有利。

2.2.2 主塔应力

顶推合龙方案优化后，施加顶推力后中间塔偏位趋于合理。下面以主塔左侧为例，对主塔左右缘10年徐变完成阶段应力情况进行分析。合龙方案优化前后5#～8#主塔左塔柱应力对比见图2～5。

图2 顶推合龙方案优化前后10年徐变完成 阶段5#主塔左塔柱应力对比

图3 顶推合龙方案优化前后10年徐变完成 阶段6#主塔左塔柱应力对比

图4 顶推合龙方案优化前后10年徐变完成 阶段7#主塔左塔柱应力对比

图5 顶推合龙方案优化前后10年徐变完成 阶段8#主塔左塔柱应力对比

由图2可知：方案二对5#主塔左、右缘绝对应力的改变主要体现在下塔柱位置，其影响量绝对值分别约-1.0、1.0 MPa，塔柱不平衡应力改善量为2 MPa。

由图3可知：方案二对6#主塔左、右缘绝对应力的改变主要体现在墩柱位置，其影响量绝对值分别约-0.8、0.8 MPa，塔柱不平衡应力改善量为1.6 MPa。

由图4可知：方案二对7#主塔右、左缘绝对应力的改变主要体现在下塔柱位置，其影响量绝对值分别约-0.6、0.6 MPa，塔柱不平衡应力改善量为1.2 MPa。

由图5可知：方案二对8#主塔右、左缘绝对应力的改变主要体现在下塔柱位置，其影响量绝对值分别为-1.0、0.8 MPa，塔柱不平衡应力改善量为1.8 MPa。

综上，顶推合龙方案优化后，主塔左、右缘10年徐变完成阶段应力计算值更均衡，对抵抗后期活载影响更有利。

3 顶推关键技术

3.1 顶推支架设置

合龙阶段主要以挂篮作为顶推设备及操作平台。挂篮锚杆与梁体锚固，按照相对位置固定不变的原则预埋锚杆孔，现场根据施工进度情况进行调整。后施工梁段预埋孔位置根据已施工完成梁段预埋孔位置进行反力支架预埋。

反力支架采用双拼H588×300工字钢制作，支架与预埋在主梁两侧风嘴处实心段的钢板焊接，作为顶推承力装置的千斤顶安置于两反力架中间(见图6、图7)。

图6 1/2顶推反力支架立面图(单位：mm)

图7 反力支架A大样图(单位：mm)

3.2 刚性连接设置

在合龙段两端主梁节段完成后，采用工字钢作为刚性支架对两端主梁节段端头位置进行固定。刚性支架主要用于锁定合龙段合龙时的标高、支撑顶推后主梁间的反力。根据实际受力情况，考虑在梁体断面上设置9个控制点，每个点采用双拼H588×300工字钢固定，与梁体上预埋件焊接，保证主梁在合龙时标高锁定及支撑顶推反力的效果(见图8)。

图8 顶推力转换刚性支架示意图(单位：mm)

3.3 顶推过程监控

(1) 塔偏监控。因塔顶处偏位值受顶推影响明显，使用全站仪对6#、7#主塔偏位变化量进行实测，确保两侧位移在顶推过程中处于计算范围内。

(2) 合龙口高差及长度变化监控。利用卷尺实测中跨及次中跨合龙口相对高差的变化；在合龙口两侧固定选取两个点用卷尺测量长度变化，左、右幅各选择1个点。

顶推监控主要以塔顶偏位控制为主，兼顾主梁标高，确保合龙后线形顺畅、顶推中结构受力安全。

4 顶推成果分析

4.1 顶推影响因素分析

该桥为砼斜拉桥，需考虑材料指标因素对顶推效果的影响，确保顶推结果处于合理范围内。

(1) 主塔砼弹性模量与理论值的差异。1) 采用6#、7#主塔弹性模量比理论值大50%进行模拟计算，以塔偏调整量为75 mm为基数计算得顶推力为400 t，再以该顶推力为基数计算主梁和主塔应力、索力影响量。应力影响量出现在主梁1#段处，最大为0.1 MPa；主塔应力影响量最大为0.3 MPa，处于横梁C、D之间。顶推以塔偏量不变为原则，对索力没有影响。2) 以5#、8#主塔弹性模量比理论值大50%进行模拟计算，以塔偏调整量为108 mm计算得顶推力为200 t，以该顶推力为基数计算索力影响量、主梁及主塔应力。应力影响量出现在主梁1#段处，最大为0.1 MPa；主塔应力影响量最大值为0.2 MPa，处于C、D横梁中间。由于顶推以塔偏量不变为原则，对索力没有影响。

(2) 主梁砼弹性模量实际值与理论值的差异。通过建模分析，主梁各梁段之间刚度的差异性并不会影响顶推成效。

(3) 两塔之间弹性模量的差异。各塔水平位移一致(塔高一样)，说明两塔砼弹性模量没有差异。

以上情况表明弹性模量和塔偏的取值会对主塔和主梁应力产生明显影响，需在建模计算时根据实际工况合理取值，否则将影响桥梁结构的稳定性。

4.2 顶推结果分析

因顶推操作对梁体及塔偏位移量精度要求较高，且外界环境温度对梁体变化及内力影响较大，为确保顶推完成后合龙口及塔偏位移值达到设计效果，顶推时间选择在一天中温度较低的晚间进行。表3、表4为主塔合龙位移、塔偏量理论值与现场实测值对比及误差。

表3 中跨合龙口顶推结果分析

注：偏差绝对值=实测值-理论值；比值=实测值/理论值×100%。下同。

表4 次中跨合龙口顶推结果分析

由表3、表4可知：各主要部位位移状态及顶推力均在可接受范围内，顶推施工达到了预期效果。6#、7#主塔产生顶推误差的主要原因是主塔砼实际弹性模量比理论值大50%左右；次中跨顶推误差产生的主要原因是永久支座(5#、8#主塔及交界墩支座)摩擦力及主塔砼弹性模量误差。

5 结语

根据顶推完成后实测数据进行分析，赤石特大桥采用的顶推方案合理，控制得当，预偏达到了设计和规范要求。得到以下经验：1) 斜拉桥合龙口顶推施工应采用塔顶偏位及顶推力双控的方式才能为合龙后线形提供有力保障。2) 顶推施工前应根据桥梁结构特性及外界环境影响合理确定顶推时间，这对施工管控非常重要。3) 顶推施工中应充分考虑结构砼弹性模量误差，通过砼试块弹性模量测试或试顶推确定结构实际弹性模量。