林南昌，丁兆峰，陳舜東，鄒春蓉

(1.浙江樂清灣鐵路有限公司，浙江 溫州 325002；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

現(xiàn)代斜拉橋多屬于密索體系，PC斜拉橋的索距一般在5～8 m，大部分PC斜拉橋都采用牽索掛籃進(jìn)行分節(jié)段懸臂澆筑施工。牽索掛籃充分利用了現(xiàn)代斜拉橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用斜拉索作為掛籃的牽索，為掛籃提供支撐。設(shè)置牽索不僅減輕了掛籃的重量，也增加了主梁施工節(jié)段的長(zhǎng)度。采用牽索掛籃懸澆施工的PC斜拉橋，施工現(xiàn)場(chǎng)最主要的工作是混凝土節(jié)段的懸澆和斜拉索的掛設(shè)與調(diào)整[1-2]。

主梁進(jìn)行懸灌澆筑時(shí)，一般都是在混凝土澆筑過程中通過幾次張拉牽索，及時(shí)將混凝土重量通過牽索掛籃傳遞給索塔，以減輕懸臂主梁及掛籃的負(fù)擔(dān)，確保主梁及掛籃施工過程安全。對(duì)于大跨度PC斜拉橋，當(dāng)主梁節(jié)段混凝土方量較大時(shí)，在多數(shù)情況下還需要在節(jié)段混凝土澆筑過程中進(jìn)行斜拉索索力調(diào)整作業(yè)。為保證節(jié)段混凝土澆筑質(zhì)量，要求節(jié)段混凝土連續(xù)不間斷澆筑，節(jié)段混凝土的澆筑引起橋上荷載變化，而且量值極難準(zhǔn)確把握。如果以索力作為混凝土澆筑過程中調(diào)索的依據(jù)，很難取得較好的效果[3]。本文以甌江特大橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋懸澆施工過程索力張拉控制方法進(jìn)行研究。

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋由于具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約、結(jié)構(gòu)剛度大、維修養(yǎng)護(hù)工作量小且費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，在200～500 m 的經(jīng)濟(jì)適用跨度范圍，廣泛應(yīng)用于公路、市政橋梁。鐵路混凝土斜拉橋僅應(yīng)用于少數(shù)幾座中小跨度橋梁(主跨小于150 m)，但在大跨度鐵路橋梁上未見應(yīng)用。

1 工程背景

甌江特大橋跨甌江，主橋?yàn)闇刂輼非鍨掣蹍^(qū)鐵路的控制性工程。根據(jù)項(xiàng)目交通功能、線路標(biāo)高、梁高限制、橋位地形條件、通航防洪、入?？诘暮Ｑ蟓h(huán)境等建橋條件，并以經(jīng)濟(jì)節(jié)約為原則，主橋采用跨徑組合為(52+90+300+90+52)m的雙塔雙索面半漂浮體系預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，目前為世界最大跨度鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，見圖1。

圖1 甌江特大橋主橋立面(單位：cm)

主橋主梁共分為75個(gè)節(jié)段。其中G0，MG1，SG1,SG19梁段采用支架現(xiàn)澆,邊跨合龍段2個(gè)(SG18),中跨合龍段1個(gè)(MG19)。牽索掛籃懸澆66個(gè)梁段，其中邊跨側(cè)主梁懸澆段節(jié)段編號(hào)為SG2—SG17，中跨側(cè)懸澆段節(jié)段編號(hào)為MG2—MG18，懸澆梁段長(zhǎng)8 m。在每個(gè)懸澆梁段施工過程中進(jìn)行3次斜拉索張拉作業(yè)，即掛籃就位進(jìn)行初張,混凝土澆筑1/2后進(jìn)行第2次張拉,預(yù)應(yīng)力張拉完畢后進(jìn)行第3次張拉。懸臂現(xiàn)澆至成橋合龍過程中，索力多次調(diào)整，結(jié)構(gòu)體系不斷轉(zhuǎn)換，控制難度大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。

2 懸澆施工過程索力張拉控制方法研究

本橋在牽索掛籃調(diào)整到位后需要掛設(shè)斜拉索，并在梁端對(duì)稱進(jìn)行斜拉索第1次張拉，由于塔、梁?jiǎn)卧膶?shí)際位置會(huì)影響斜拉索兩端錨固點(diǎn)的幾何距離，故斜拉索掛設(shè)時(shí)以索的張拉力作為控制參數(shù)[3]。

在節(jié)段混凝土澆筑施工時(shí)，需要在混凝土澆筑50%時(shí)調(diào)整索力，在這種荷載條件下可以計(jì)算需要調(diào)整的索力值與斜拉索無應(yīng)力長(zhǎng)度之間的關(guān)系，再換算成拉索在梁端或塔端的拔出量(回縮量)進(jìn)行控制。施工現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，節(jié)段混凝土澆筑至50%左右的時(shí)段內(nèi)(混凝土方量的估計(jì)不需要很準(zhǔn)確)，用千斤頂把需要調(diào)整的斜拉索錨頭拔出或放回至預(yù)先設(shè)定的數(shù)值即完成調(diào)索工作。斜拉索調(diào)整完成時(shí)，斜拉索索力可能不是結(jié)構(gòu)施加50%梁段重量的索力值，但當(dāng)全部節(jié)段混凝土澆筑完畢后，索力會(huì)自動(dòng)達(dá)到節(jié)段混凝土澆筑完成的索力值。

預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，將牽索索力由掛籃轉(zhuǎn)至主梁上，并在塔端進(jìn)行第3次索力張拉，此時(shí)仍采用拔出量(回縮量)的方法進(jìn)行索力控制，并采用索力動(dòng)測(cè)儀及千斤頂油表對(duì)斜拉索索力進(jìn)行驗(yàn)證。

1)結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析

采用橋梁計(jì)算軟件MIDAS對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[4-5]。在前2次張拉斜拉索、澆筑混凝土?xí)r，主梁僅產(chǎn)生重量而無剛度，因此在仿真分析時(shí)需在掛籃上進(jìn)行斜拉索的張拉，此掛籃單元的剛度通過掛籃預(yù)壓試驗(yàn)確定。主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段的計(jì)算工況為：安裝掛籃(以掛籃荷載方式施加)；安裝虛擬梁?jiǎn)卧?無重量，通過此單元節(jié)點(diǎn)變形并考慮掛籃變形的修正后，可以看出施工過程主梁前端變形)；第1次張拉斜拉索；澆筑1/2 混凝土(以梁段荷載方式施加)；第2次張拉斜拉索；澆筑剩余1/2混凝土(以梁段荷載方式施加)；張拉該梁段預(yù)應(yīng)力；第3次張拉斜拉索；掛籃前移。

2)結(jié)構(gòu)中間施工理想狀態(tài)確定

施工階段仿真計(jì)算分析時(shí)，先假定一個(gè)張拉索力，按正裝計(jì)算得到一個(gè)成橋狀態(tài)，將該成橋狀態(tài)與事先定好的合理成橋狀態(tài)比較，按最小二乘法原理使2個(gè)成橋狀態(tài)相差最小，以此來修正張拉索力，再進(jìn)行新的一輪正裝計(jì)算，直到收斂為止[6-7]。通過計(jì)算分析，計(jì)算出各個(gè)施工階段斜拉索的目標(biāo)索力及梁段節(jié)點(diǎn)的理論坐標(biāo)位置。

3)斜拉索無應(yīng)力索長(zhǎng)及拔出量(回縮量)計(jì)算

3次張拉后斜拉索塔至梁錨點(diǎn)間的水平長(zhǎng)度l1,l2,l3分別為

(1)

(2)

(3)

第3次張拉后斜拉索塔至梁錨點(diǎn)間的豎直高度為

h1=|Z1，i-Z1，j|

(4)

h2=|Z2，i-Z2，j|

(5)

h3=|Z3，i-Z3，j|

(6)

按照懸鏈線索長(zhǎng)計(jì)算公式，錨點(diǎn)之間斜拉索的曲線長(zhǎng)度L為[8-9]

(7)

式中：雙曲線正弦函數(shù)sinh(γ)=1/2(eγ-e-γ)。

設(shè)此狀態(tài)下斜拉索無應(yīng)力長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，則張拉后斜拉索錨固點(diǎn)之間的曲線長(zhǎng)度計(jì)算如下

(8)

式中：T為斜拉索的索力平均值；E0為斜拉索材料彈性模量；As為斜拉索的截面面積。

根據(jù)式(8)求得

(9)

通過式(9)計(jì)算出每次張拉后斜拉索無應(yīng)力長(zhǎng)度，分別為L(zhǎng)1,0,L2,0,L3,0。

第1次張拉以索的張拉力作為控制量；第2次、第3次張拉以斜拉索拔出量(回縮量)的方法進(jìn)行索力控制，按式(10)—(11)計(jì)算。

第2次張拉時(shí)斜拉索拔出量(回縮量)為

L2,b=L2,0-L1,0

(10)

第3次張拉時(shí)斜拉索拔出量(回縮量)為

L3，b=L3，0-L2，0

(11)

3 索力控制效果評(píng)價(jià)

根據(jù)上述索力張拉控制方法，對(duì)甌江特大橋17#索塔、邊跨S2#～S8#及中跨M2#～M8#斜拉索3次張拉后，斜拉索無應(yīng)力長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)斜拉索3次張拉的無應(yīng)力長(zhǎng)度，計(jì)算出第2次張拉、第3次張拉斜拉索拔出量，結(jié)果列于表1。

表1 斜拉索無應(yīng)力索長(zhǎng)L0及拔出量Lb m

在斜拉索張拉實(shí)施過程中，按照表1斜拉索拔出量對(duì)2次張拉、3次張拉索力進(jìn)行控制，并以第3次張拉作為評(píng)價(jià)工況，采用索力動(dòng)測(cè)儀及千斤頂油表對(duì)斜拉索索力控制情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本文對(duì)邊跨S2#～S8#及中跨M2#～M8#下游側(cè)斜拉索評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表2、圖2。

表2 斜拉索目標(biāo)索力值與測(cè)試索力值對(duì)比

由表2可知，各索力偏差均滿足小于4%的誤差要求，其中M2#索偏差最大，為2.7%，其他均在2%內(nèi)。測(cè)試索力與目標(biāo)索力吻合較好，索力狀況符合設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)索力控制奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

在斜拉橋的施工中，索力的調(diào)整和實(shí)現(xiàn)是非常重要和關(guān)鍵的。牽索張拉力是懸澆施工中最活躍的因素之一。本文基于PC混凝土斜拉橋采用牽索掛籃懸澆施工過程的分析，提出了懸澆施工過程斜拉索索力的控制方法。首先通過有限元計(jì)算分析確定結(jié)構(gòu)中間施工理想狀態(tài)。由于塔、梁?jiǎn)卧膶?shí)際位置會(huì)影響斜拉索兩端錨固點(diǎn)的幾何距離，在橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，斜拉索掛設(shè)時(shí)的初張拉采用張拉千斤頂控制張拉索力。其后斜拉索的索力調(diào)整則全部以斜拉索的無應(yīng)力長(zhǎng)度變化為調(diào)整基礎(chǔ)，以錨頭拔出量或回縮量進(jìn)行索力控制，實(shí)現(xiàn)PC混凝土斜拉橋懸澆施工過程索力的精確控制和施工過程多工序同步作業(yè)。在局部或全橋調(diào)索時(shí)亦可采用本方法。