斜拉—连续组合桥梁主梁一次落架施工关键控制参数分析

■陈建峰

（厦门路桥百城建设投资有限公司，厦门 361000）

无应力状态控制法理论[1]，指在保证结构构件单元的无应力长度和无应力曲率的前提下，结构的最终内力和位移与结构的形成过程无关。 无应力状态控制法适用于线性结构（包括几何线性、材料线性和约束线性），并要求施工过程中构件的无应力线形不变。 因此，也可以从构件的角度来论述无应力状态控制法：构件初始参数和结构成桥状态之间具有确定的对应关系。 但在实际桥梁结构中，经常包括一些非线性构件，如混凝土主塔（考虑收缩徐变时，混凝土为材料非线性）、超长斜拉索（几何非线性）等。 当结构非线性影响较小时，无应力状态控制法仍然适用。 无应力状态控制法已成功应用于多座桥梁，如厦漳跨海大桥北汊主桥（钢箱梁）[2]、南汊主桥（组合梁）[3]、江顺大桥（混合梁）[4]等。 这些文献详细介绍了无应力状态控制法在悬臂施工斜拉桥梁施工监控中的应用流程，但无应力状态控制法应用于主梁支架施工的案例很少。 福建省龙岩市上杭县潭头大桥为单塔混合梁斜拉—连续组合桥梁，塔梁墩固结。 混合梁采用主梁一次落架施工，即：与常规的悬臂施工不同，主梁采用支架浇筑或拼装，拉索安装完成后，拆除所有主梁支架。 通常斜拉桥的主梁一次落架施工过程中，主梁会随斜拉索的张拉出现与支架脱空的现象，支架对主梁约束非线性。 项纯夫[5]采用脱架系数对结构影响矩阵进行修正，但计算过程比较复杂。 潭头大桥调整施工顺序，在斜拉索张拉前浇筑钢箱梁段上的钢纤维混凝土铺装层，避免了主梁脱架，保证了支架对主梁的约束处于线性状态。 因此，本文将从构件的初始参数角度研究连续—组合桥梁一次落架施工关键控制参数的确定方法。

1 工程概况

潭头大桥跨径布置为40+45+138+30=253 m，为斜拉—连续组合体系桥梁，塔梁墩固结，墩台编号为P3～P7，其中P5 为主塔。

该桥边跨和次边跨采用现浇混凝土箱梁，主跨和连续跨采用钢箱梁，钢混结合点位于主跨、距离主塔中心线10.75 m，所有主梁梁高均为3.5 m。 索塔采用变体一字型独塔，位于横断面中央分隔带，上塔柱为箱形截面，下塔柱分开为双薄壁塔柱，采用圆端型截面。 索塔总高84.6 m，其中桥面以上索塔高68 m，高跨比（主塔高/主跨长）为0.49。 斜拉索采用平行双索面密索体系，扇形布置，主梁处的双索面水平间距为3 m。 拉索在主塔上的竖向间距为2.3 m，在边跨主梁上的水平间距为6 m，在主跨主梁上的水平间距为12 m[6]（图1）。

图1 潭头大桥布置图

2 总体性施工方案

原设计推荐总体性施工方案为先塔后梁、主跨钢箱梁段悬拼。 因河道中事先满布搭设了钢管—贝雷支架，作为钢箱梁运梁通道，故将钢箱梁段安装方案调整为支架拼装，为此节省工期约3 个月。 在第一次张拉斜拉索之前，浇筑钢箱梁段上的钢纤维混凝土铺装层，以起到压重的作用，防止斜拉索张拉时钢箱梁与支架脱架。 具体控制施工工序为：（1）施工下塔柱、塔梁固结段；（2）浇筑边跨、次边跨混凝土箱梁，压重；（3）安装钢混结合段并张拉预应力；（4）支架拼装钢箱梁；（5）施工钢箱梁段钢纤维混凝土铺装层；（6）依序第一次对称张拉AC1～AC10 号、MC1～MC10 号斜拉索（AC 表示边跨索，MC 表示中跨索，下同）；（7）拆除主梁支架；（8）依序第二次张拉斜拉索；（9）剩余桥面系施工；（10）调索，成桥。

3 关键控制参数

3.1 主塔的控制参数

3.1.1 主塔纵向预偏

主塔在不平衡斜拉索力的作用下，将发生顺桥向的变形。 为使主塔在准永久荷载状况下处于设计线形状态，需要在主塔中设置预偏。 主塔预偏除需考虑施工过程中的恒载累计变形外，还需要考虑活载作用下主塔的变形。 活载产生的变形通过在桥梁全长范围内满布1/2 静活载计算得到。 在综合考虑恒载、活载和收缩徐变的效应后，潭头大桥的主塔预偏为：向主塔右侧预偏，塔顶预偏值为8 mm、塔梁固结点为0 mm， 塔顶至塔梁固结点间采用线性内插设置。

3.1.2 索塔锚固点预抬高

施工完成后的索塔锚固点在后续荷载作用下会向下位移。 为使成桥时锚固点位于设计位置，需要对索塔锚固点进行预抬高。 预抬高值为后续恒载（包括收缩徐变） 在锚固点产生的竖向位移值和锚固点安装后的基础沉降之和。 经计算，AC1（MC1）～AC10（MC10）索塔锚固点的预抬高值为8～11 mm。

3.2 主梁的控制参数

主梁有多个线形概念，包括：设计线形、成桥线形、无应力线形、制造线形、安装线形等。 设计线形是设计图纸中的桥梁纵断线形，是道路纵断线形的一部分；成桥线形是在设计线形的基础上考虑活载挠度和10 年收缩徐变， 施工成桥后要达到的目标线形；无应力线形是通过释放主梁内力后所得到的线形，包括无应力长度和无应力曲率；制造线形是主梁在胎架上加工时的线形，因胎架上加工接近于无应力状态，因此一般用无应力线形代替；理论制造线形是一条连续曲线，实际制造线形是在理论制造线形基础上的多段折线；安装线形是由待安装梁段自由端定位标高连接起来的线形，等于设计线形加上预抛高值。

3.2.1 主梁制造线形

单元无应力状态量与单元预制构形相互对应[7]。无应力线形的求解方法有多种， 包括单元解体法、单元CR 位移法、结构解体法、切线拼装法[8]。从恒载状态开始，释放主梁所有约束，解除所有外荷载（包括自重在内），作几何非线性有限元分析，即可得到主梁、主塔的无应力构形[8]。 按照施工过程进行的正装计算一般为几何线性分析，由此计算得到的主梁恒载挠度为无应力线形的一阶线性近似解。 密索体系的一般跨径斜拉桥，主梁弯矩较小，无应力线形与设计线形差别不大，所以我国早期斜拉桥直接用设计线形作为主梁线形，如上海南浦大桥和南京长江二桥[8]。 也有的设计院将成桥索力用初应变代替，斜拉桥一次组装、一次落架，将主梁挠度反号，作为无应力线形，这是套用梁桥的做法。 钢箱梁段无法按连续曲线制造，一般“以折代曲”，通过梁段顶底板长度来控制梁段长度和梁段间夹角，使主梁制造线形逼近其理论无应力线形。 取钢梁制造基准温度为设计基准温度， 实际制梁时需根据现场温度换算，并考虑焊接收缩变形量。

3.2.2 主梁预拱度

对于焊接钢箱梁， 通常通过调整焊缝的宽度和夹角来消除误差的影响， 这相当于微小地改变了钢箱梁的无应力长度和曲率； 因为可以调整焊缝的宽度和夹角， 焊接钢箱梁可以按照混凝土梁的方法来控制主梁线形，即：进行正装计算得到恒载挠度，叠加活载挠度后反向得到主梁预拱度，主梁预拱度叠加设计线形即为安装线形。 潭头大桥采用支架浇筑混凝土和拼装钢箱梁， 支架上的梁段拼装线形即为安装线形。 潭头大桥主梁支架预拱度如图2 示。

图2 潭头大桥主梁支架预拱度

3.3 斜拉索的控制参数

3.3.1 斜拉索长度

斜拉索长度包括无应力长度和制造长度。 斜拉索无应力长度一般指设计基准温度下理论锚固点之间的无应力长度，其影响因素包括弹性变形和拉索重力垂度效应。 制造长度除需考虑斜拉索无应力长度、温度等因素外，还需要考虑不同厂商、不同拉索型号的锚固位置、锚具回缩、镦头锚固钢丝长度等参数，这些参数一般由厂商确定。

3.3.2 斜拉索张拉

斜拉索张拉包括张拉顺序、 张拉批次和张拉力。斜拉索一般都是由内向外、对称张拉。张拉批次与斜拉桥施工过程的结构受力相关联。 对潭头大桥上部结构受力影响较大的主要施工过程包括主梁落架和二期恒载施工。因此，潭头大桥斜拉索分2 批张拉，主梁落架前张拉至设计成桥索力的40%左右，二期恒载施工前张拉至二恒前索力。 二期恒载施工后，根据索力测试情况进行调索。 后续索张拉对已张拉索的索力有较大影响。 进行索力迭代计算，可以做到一次张拉就达到目标索力[9]。

4 控制结果与分析

4.1 主梁落架阶段

表1 为落架工序的潭头大桥主梁挠度理论计算值、实测值和差值。 表1 中实测挠度值略小于计算挠度值，最大计算挠度值为117 mm，最大实测挠度值为98 mm；其主要原因是计算模型刚度小于结构实际刚度。 表2 和表3 为落架后的实测索力和计算索力对比。 从表2 和表3 可见，个别索力偏差超过10%，最大13.48%，但大部分的索力偏差在5%以内，索力偏差对结构受力影响较小，结构应力均未超限。

表1 落架工序的主梁挠度值比较

表2 左索面落架后实测索力与计算索力

表3 右索面落架后实测索力与计算索力

4.2 成桥阶段

4.2.1 主塔控制结果

成桥后， 塔顶纵向坐标的预偏实测值为2.1 mm。 索塔锚固点高程的偏差如表4 所示。 由塔顶纵向坐标的预偏值偏差和表4 中索锚点高程的偏差可知，实测值普遍小于理论值，即实测索锚点高程高于理论高程，其原因主要是混凝土按规范取值的弹性模量小于实际混凝土的弹性模量，因而结构计算模型中的塔柱刚度小于实际塔柱刚度。

表4 成桥后实测索锚点高程的偏差 （单位：mm）

4.2.2 斜拉索控制结果

成桥后的斜拉索力差值如表5 和表6 所示。 由表5 和表6 可见，索力偏差大部分小于5%，MC1～MC4索力偏差较大，为－7%～－9%。 成桥后的索力偏差好于落架后，这是因为索力偏差主要产生在落架工序，而成桥后的索力大于落架工序，故成桥阶段索力偏差占比减小。

表5 左索面成桥后实测索力与计算索力

表6 右索面成桥后实测索力与计算索力

4.2.3 主梁控制结果

成桥后，主梁高程和应力的实测值与目标值的差值分别如图3 和表7 所示。 从图3 中可见，主梁高程在主跨钢箱梁段普遍为正偏差， 最大正偏差为+35 mm，边跨、次边跨预应力混凝土梁段高程普遍为负偏差，最大负偏差为－22 mm。边跨、次边跨预应力混凝土梁段高程普遍为负偏差的一个主要原因是模型中支架假定为刚性约束，其弹性和塑性变形考虑不足。 主跨高程偏大的原因是大编号实测索力总体大于计算索力。 对于结构应力，实测值比计算值要求不大于20%，且不超限值。由表7 可知，边跨和次边跨的混凝土主梁未出现拉应力，主跨和连续跨的钢主梁应力不大，主梁受力安全。 主墩两侧的主梁应力偏差率较大，与表5 和表6 中索力偏差比例趋势一致，可见引起主梁应力偏差的主要原因是索力偏差。

图3 主梁高程偏差

表7 主梁应力实测值与计算值

5 结论

斜拉桥采用先塔梁后拉索、主梁支架拼装并一次性落架的方案可以极大地缩减工期，潭头大桥采用此方案缩短工期至少3 个月。 本文从构件初始参数和结构成桥状态的对应关系，探讨了斜拉—组合桥梁一次落架施工基于无应力状态控制法的控制关键参数，得到如下结论：（1）斜拉—连续组合桥梁一次落架施工控制的主要参数为：控制主塔线形的主塔预偏和索塔锚固点预抬量；控制主梁线形的无应力线形和支架安装高程；控制成桥索力的无应力索长和张拉索力。 （2）对于中小跨径斜拉桥，主梁设计线形、无应力线形和安装线形差别较小；主梁支架安装线形为设计线形加上恒载计算预拱度和1/2静活载预拱度。 （3）落架前主梁重力由支架支承，落架后主梁重力主要由拉索承担。 因此，一次落架的关键是主梁落架前索力的大小，合理的落架前索力既能使主梁不脱架，且落架后主梁应力不超限。潭头大桥于2019 年2 月1 日正式通车， 线形和索力控制结果符合规范和设计要求。 因工期原因，桥面系施工后并未调索；如进行调索工序，主梁高程和索力将非常理想。