阮映輝 孫立鵬 高田瑞

(1.浙江臺州市沿海高速公路有限公司 臺州 318001；2.長安大學(xué) 西安 710064)

0 引言

組合梁斜拉橋施工方法復(fù)雜、工序繁多，最終的成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形與施工過程密切相關(guān)。近些年修建的灌河大橋采用逐段安裝、逐段澆筑接縫混凝土的單節(jié)段循環(huán)施工方法[1]，海黃大橋及洛溪大橋采用了兩節(jié)段循環(huán)的施工方法[2-3]。不同節(jié)段主梁循環(huán)施工方法的區(qū)別在于橋面板接縫的澆筑時間與橋面板和鋼主梁受力的差異，對組合梁斜拉橋的施工過程結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生直接影響，使得結(jié)構(gòu)的施工、最終成橋狀態(tài)與合理成橋狀態(tài)產(chǎn)生偏差。同時濕接縫的澆筑養(yǎng)護也會影響主梁的施工工期。因此在考慮合理工期、確保結(jié)構(gòu)安全、保證施工和合理成橋狀態(tài)的前提下，如何確定合理的主梁施工方法，是組合梁斜拉橋施工設(shè)計的重點[4]。

胡俊等[5]針對組合梁斜拉橋混凝土橋面板疊合時機開展了研究，其研究表明滯后一個節(jié)段及滯后兩個節(jié)段澆筑濕接縫，橋面板幾乎不出現(xiàn)拉應(yīng)力，且橋面板濕接縫越是滯后澆筑，鋼梁的壓應(yīng)力顯著增大，合理的滯后澆筑時機為滯后一個節(jié)段。易云焜等[6]也指出濕接縫澆筑時機對組合梁斜拉橋施工階段、成橋階段內(nèi)力都有顯著的影響，且不合理的疊合時機是造成橋面板開裂的主要原因之一。以上都是針對橋面板濕接縫澆筑時機的研究，而洪麗娟等[7]針對組合梁斜拉橋多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫施工方法進行研究，結(jié)果表明組合梁斜拉橋采用多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工方法，縮短了濕接縫澆筑及等強的時間，大大提高了斜拉橋鋼混疊合梁施工工效。齊鐵東等[4]依托樂清灣2號橋進行計算，結(jié)果表明2節(jié)段循環(huán)施工時鋼梁應(yīng)力和混凝土橋面板應(yīng)力在施工過程中處于安全狀態(tài)。

在以上研究的基礎(chǔ)上，本文以臺州灣大橋為工程背景，對比研究了三種濕接縫澆筑工序的工效、對結(jié)構(gòu)在施工及成橋后的影響，以此對多節(jié)段循環(huán)的施工方法進行比較，可為同類橋梁施工提供參考。

1 工程概況

臺州灣跨海大橋通航孔橋為雙塔雙索面半飄浮體系鋼—混組合梁斜拉橋[8-9]，跨徑布置為85+145+488+145+85m，邊跨設(shè)輔助墩。標準索間距為10.5m，邊跨靠近尾索區(qū)，索間距為8.4m。橋梁總體布置如圖1所示。主梁采用雙邊箱形鋼混組合梁結(jié)構(gòu)形式，含風(fēng)嘴全寬38.5m，中心線處梁高為3.5m，主梁標準橫斷面如圖2所示，采用全斷面節(jié)段預(yù)制、現(xiàn)場吊裝的施工方法。全橋共97個梁段，除近索塔處、邊跨處梁段采用浮吊吊裝外，其余均采用橋面吊機安裝。標準梁段長度10.5m，輔助跨標準梁段長8.4m。鋼梁與混凝土板栓釘連接、節(jié)段間焊接連接，濕接縫混凝土采用微膨脹混凝土。橋面板全寬34m，中跨標準段橋面板標準厚度280mm，在鋼梁邊腹板、中腹板和橫隔板的上翼緣處加厚至400mm。

本橋原設(shè)計方案為單節(jié)段循環(huán)濕接縫施工方法，即按照主梁吊裝拼接、拉索一張、濕接縫澆筑、拉索二張、預(yù)應(yīng)力張拉、吊機前移、拉索二張的工序循環(huán)施工。實際施工時出于工期考慮，對主梁施工方法進行調(diào)整，即將原設(shè)計的單節(jié)段循環(huán)工藝調(diào)整為兩節(jié)段循環(huán)工藝。下面再提出本橋三節(jié)段循環(huán)施工方法，對這三種工藝具體的工效、受力等進行分析，并對工藝調(diào)整帶來的索力影響進行研究，為組合梁斜拉橋多節(jié)段循環(huán)的施工方法提供依據(jù)。

圖1 臺州灣跨海大橋通航孔橋立面布置圖(cm)

圖2 臺州灣跨海大橋通航孔橋主梁標準橫斷面(mm)

2 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工工效分析

目前國內(nèi)組合梁施工大部分采用預(yù)制鋼主梁和橋面板，現(xiàn)場吊裝的施工方案[10]。各個施工方案的主要區(qū)別在于斜拉索的張拉次數(shù)、梁段橋面板間濕接縫的澆筑和預(yù)應(yīng)力張拉時機，不同的施工順序及步驟對施工工效有著很大的影響。

臺州灣跨海大橋在施工過程中具有懸臂長度大、橋塔高、施工方法復(fù)雜等特點，加之橋址位于東南沿海地區(qū)，施工工期受環(huán)境影響較大。為了避開臺風(fēng)期對橋梁施工的影響，往往需要加快施工進度。多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫是組合梁斜拉橋提高主梁安裝施工速度的重要措施，即主梁懸臂拼裝時，吊裝多節(jié)段后一次性澆筑濕接縫，從而合并多個濕接縫等強的時間，加快工程進度，縮短施工周期。為此，本項目對不同的施工方法的施工方案做如下安排并對其工效進行分析，多節(jié)段循環(huán)施工功效分析見表1。

圖3 橋面板布置及濕接縫澆筑施工流程

表1 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工工效分析

續(xù)表

從表1中每種節(jié)段循環(huán)的施工方案來看，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束并澆筑濕接縫混凝土占據(jù)了較長的時間，如何安排該工序，提高施工功效，是縮短建設(shè)工期的關(guān)鍵。對此，考慮合并相鄰節(jié)段間濕接縫混凝土澆筑工藝，在兩個節(jié)段、三個節(jié)段安裝完成后，一次澆筑這幾個節(jié)段間橋面板濕接縫混凝土。其中，單節(jié)段循環(huán)工藝用時11.5天；雙節(jié)段循環(huán)工藝用時16天，平均1個梁段施工用時8天；而三節(jié)段循環(huán)工藝用時20.5天，平均一個梁段施工用時6.83天。

經(jīng)計算，單節(jié)段循環(huán)施工總工期用時n+396天(n為下部結(jié)構(gòu)及橋塔施工工期)，雙節(jié)段循環(huán)施工總工期用時n+328.5天，提前67.5天結(jié)束，合計2.25個月。對于沿海地區(qū)受臺風(fēng)影響的橋梁施工來講，可以充分利用工藝改變帶來的機動時間，不會存在總工期延誤推遲的后果。臺州灣跨海大橋最終采用了雙節(jié)段循環(huán)的濕接縫澆筑工藝，對應(yīng)的橋面板布置及濕接縫施工流程如圖3所示。對于三節(jié)段循環(huán)施工，總工期用時n+304.5天，相比較標準單節(jié)段循環(huán)施工，提前91.5天結(jié)束，合計3.05個月。雖然也可以達到縮短工期的效果，但不及雙節(jié)段效果顯著。同時，由于施工方法的改變，各施工節(jié)段受力狀態(tài)的影響還未展開討論，施工階段中主梁受力變化有待進行受力分析。

3 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工受力分析

通過建立大跨度組合梁斜拉橋的有限元模型，及對其橋面板濕接縫澆筑的不同施工方法模擬，得到各節(jié)段鋼主梁及混凝土橋面板在三種不同的施工方法下的受力狀態(tài)。施工荷載主要包括索力、自重、橋面吊機等。

選取主梁標準節(jié)段4#～9#施工過程進行受力分析，分別按照單節(jié)段、雙節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)的濕接縫澆筑流程進行運算，得到各梁段橋面板及鋼主梁最大應(yīng)力。

3.1 有限元模擬

采用空間有限元分析方法，建立了組合梁斜拉橋的空間有限元模型，如圖4所示。采用空間梁單元模擬索塔，主梁組合結(jié)構(gòu)采用雙單元模擬，二者之間以剛性連接為邊界條件，模擬剪力釘作用下的聯(lián)合截面，桁架單元模擬斜拉索，全橋共建2659節(jié)點，2293單元，邊界條件根據(jù)工程實際情況施加。施工階段的定義分別按照上述的橋面板濕接縫澆筑時機分為單節(jié)段循環(huán)、雙節(jié)段循環(huán)、三節(jié)段循環(huán)這種不同的施工方法進行模擬。施工節(jié)段的橋面吊機、梁段吊重荷載采用集中力施加。

3.2 施工過程應(yīng)力計算結(jié)果

為分析不同施工方法對結(jié)構(gòu)的受力影響，分別對臺州灣大橋進行了上述三種施工方法對比計算，得到了施工階段鋼主梁及橋面板的應(yīng)力，各梁段的計算結(jié)果如表2所示。

圖4 全橋有限元模型

表2 多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫混凝土施工方案各梁段構(gòu)件應(yīng)力(MPa)

顯然施工方法由鋼梁安裝、拉索一張、濕接縫澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、拉索二張、吊機前移的單節(jié)段標準工序循環(huán)施工改為雙節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)，構(gòu)件的應(yīng)力幅值均有一定程度的增加，尤其是鋼主梁與橋面板的拉應(yīng)力。由于濕接縫的滯后施工，濕接縫位置處鋼梁將單獨承受原來組合截面承擔(dān)的應(yīng)力，鋼主梁的上翼緣拉應(yīng)力大幅增加。同時由于濕接縫處橋面板受力間斷，在邊緣會引起拉應(yīng)力的增加。而其他部位由于還是組合截面參與受力，故壓應(yīng)力變化較小。

3.3 多節(jié)段循環(huán)施工合理性

由于采用多節(jié)段循環(huán)施工，濕接縫處鋼主梁穩(wěn)定性降低，橋面板的開裂風(fēng)險增加。故選取混凝土橋面板最大拉應(yīng)力及鋼主梁最大壓應(yīng)力結(jié)果如下。

圖5 多節(jié)段循環(huán)施工下橋面板拉應(yīng)力 圖6 多節(jié)段循環(huán)施工下鋼梁壓應(yīng)力

根據(jù)有限元計算結(jié)果和上圖可以看出，多節(jié)段循環(huán)施工時，主梁的橋面板上緣受力因未及時澆筑相鄰節(jié)段濕接縫混凝土并張拉預(yù)應(yīng)力，伴隨著懸臂段長度隨著節(jié)段數(shù)量增加而加長，同時考慮到各工況在懸臂端部作用的荷載，導(dǎo)致每節(jié)段梁段尾端距離濕接縫最近的橋面板上緣累計產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。三節(jié)段循環(huán)施工時，在該節(jié)段循環(huán)靠近橋塔方向的橋面板累計拉應(yīng)力達到2.1MPa，超過了抗拉強度。待濕接縫澆筑并張拉預(yù)應(yīng)力束后，主梁橋面板節(jié)段負彎矩效應(yīng)大大削減，各節(jié)段主梁拉應(yīng)力又減小。

相比于單節(jié)段循環(huán)的標準施工方法，雙節(jié)段鋼梁最大壓應(yīng)力反而有小幅減小，考慮是由于濕接縫處混凝土未澆筑，鋼梁承受的荷載較小，而三節(jié)段循環(huán)施工時鋼梁壓應(yīng)力增加則是由于懸臂節(jié)段過大引起的鋼梁下翼緣壓應(yīng)力增加大于三處濕接縫混凝土自重作用。因此從結(jié)構(gòu)受力而言，雙節(jié)段循環(huán)施工是最為合適的，而臺州灣跨海大橋?qū)嶋H施工時正是采用了雙節(jié)段循環(huán)施工方法，在保證結(jié)構(gòu)受力合理的條件下，加快施工進度，避免了因臺風(fēng)對整個工期的延誤。

4 施工方法調(diào)整對斜拉橋索力的影響

4.1 成橋索力偏差

由于原施工階段的拉索索力是由單節(jié)段循環(huán)進行計算的，故采用雙節(jié)段、三節(jié)段進行循環(huán)施工時，結(jié)構(gòu)成橋后必然無法達到預(yù)期的合理成橋狀態(tài)。同時由于施工因素的不確定性，導(dǎo)致成橋后的索力、主梁內(nèi)力和線形偏離設(shè)計目標。因此，原始的設(shè)計索力已經(jīng)不適應(yīng)調(diào)整后的方案。下圖所示為三種施工方法下的成橋索力與合理成橋狀態(tài)的索力偏差。(邊跨由橋塔向梁端記作S1～S22，中跨由橋塔向跨中記作M1～M22)。

根據(jù)結(jié)果顯示，單節(jié)段循環(huán)施工的索力偏差范圍為-6.98%～8.94%，平均索力偏差0.81%；雙節(jié)段循環(huán)施工的索力偏差范圍為-9.77%～8.85%，平均索力偏差0.53%；三節(jié)段循環(huán)施工的索力偏差范圍為-12.40%～9.38%，平均索力偏差0.57%。顯然，改變施工方法對成橋索力有一定程度的影響，三節(jié)段循環(huán)施工的最大索力偏差為-12.4%，按照當前規(guī)范，成橋后索力偏差不應(yīng)超過±5%，即最大調(diào)整值為7.4%，遠小于拉索的索力值，因此可以不改變施工索力，通過合龍后二次調(diào)索進行調(diào)整，實現(xiàn)成橋狀態(tài)的最佳內(nèi)力分布。

表3 成橋索力偏差(kN)

從表3可以看出，部分索力誤差較小，此時調(diào)整該索索力對周邊索力影響很小，為減小二次調(diào)索的工程量，應(yīng)該在保證調(diào)索后所有索力滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，盡量減少調(diào)索數(shù)量。

4.2 二次調(diào)索結(jié)果

二次調(diào)索的索力計算方法目前主要有迭代法和影響矩陣法。影響矩陣法是將索力變量和其廣義影響矩陣為目標函數(shù)，利用方程組得出各個索力的張拉值。此方法較為快捷，但是無法考慮結(jié)構(gòu)的非線性作用。迭代法則可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性作用，故這里采用迭代法進行二次索力計算。由于離塔端較遠的索對塔和梁的變形影響較大，因此先調(diào)整靠近塔頂端附近的拉索，即先調(diào)整長索能夠減少總的調(diào)索量，從而可減少因二次調(diào)索引起的應(yīng)力變化量。

以合龍后拉索索力Ti0作為初始索力，經(jīng)過二期恒載、收縮徐變后的成橋索力與目標索力Td的差值為ΔTi0，故第一次迭代時的第i根拉索索力調(diào)整為Ti1=Ti0+ΔTi0，按照施工順序進行迭代計算，以此類推，第j次迭代值為Tij=Ti(j-1)+ΔTi(j-1)，直至所有ΔTij/Td<±5%，即可以得到最終各拉索的二次調(diào)索值如下表4，成橋索力最大偏差-3.8%，滿足規(guī)范要求。

表4 二次調(diào)索索力(kN)

圖7所示為三種施工方法下的二次索力調(diào)整值(二次調(diào)索索力-原索力)，可以看出，大多數(shù)拉索的索力調(diào)整值都在-300～300kN，僅邊跨近塔區(qū)及中跨跨中幾根拉索的成橋索力調(diào)整值達到400kN以上，該調(diào)整對于成橋狀態(tài)可接受，因而可采用二次調(diào)索的方案滿足合理成橋狀態(tài)。

圖7 多節(jié)段循環(huán)施工下各拉索索力調(diào)整

隨著濕接縫循環(huán)澆筑節(jié)段長度增加，索力的偏差越來越大，索力的調(diào)整工作量增加。尤其是在近塔區(qū)的斜拉索S1～S3及M1～M3，其索力調(diào)整值較其他拉索增加明顯。三節(jié)段循環(huán)施工的索力調(diào)整值最大達到了545kN，較原始的單節(jié)段循環(huán)施工調(diào)索值最大增加了453kN。因此從二次調(diào)索的工作量來說，三節(jié)段循環(huán)濕接縫施工方法的成橋二次調(diào)索較單、雙節(jié)段循環(huán)施工更為復(fù)雜。

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

利用Midas Civil模型定義施工階段，計算調(diào)索前后拉索錨固區(qū)橋面板應(yīng)力。以雙節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫施工為例，計算結(jié)果如圖8和圖9。

圖8 二次調(diào)索前后橋面板應(yīng)力 圖9 二次調(diào)索前后鋼梁應(yīng)力

調(diào)索引起的橋面板應(yīng)力最大增加0.66MPa，位于M9號拉索錨固區(qū)，最大減小了0.64MPa，位于S8號拉索錨固區(qū)，整體增幅減小，且仍處于受壓狀態(tài)，而且調(diào)索后橋面板受力更加均勻，更趨于合理。鋼梁的應(yīng)力最大增量8.9MPa，其最大壓應(yīng)力也未超過55MPa，受力安全。由此可見，由于調(diào)索調(diào)整幅度較小，且調(diào)索的工況是在主橋合龍后，此時結(jié)構(gòu)整體剛度大，所以調(diào)索對于結(jié)構(gòu)受力影響較小。

5 結(jié)論

組合梁斜拉橋施工方法涉及鋼梁和混凝土橋面板的結(jié)合時機，如果采用分節(jié)段整體吊裝，就會有橋面板混凝土濕接縫澆筑的工序，它也是加快主梁施工速度的關(guān)鍵。斜拉橋的施工、成橋線形、結(jié)構(gòu)受力與施工過程密切相關(guān)。改變濕接縫澆筑工藝的時機，會對斜拉橋的施工過程中結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生直接影響，使得結(jié)構(gòu)的施工、成橋狀態(tài)與目標產(chǎn)生偏差。本文以一座大跨組合梁斜拉橋為對象，對混凝土橋面板濕接縫的澆筑工序進行探討，對比研究了三種濕接縫澆筑工序的工效、對結(jié)構(gòu)在施工及成橋后的受力影響，以此對多節(jié)段循環(huán)的施工方法進行比較，得到如下結(jié)論：

(1)通過對比分析單節(jié)段循環(huán)施工和多節(jié)段循環(huán)施工工期可以得出，多節(jié)段循環(huán)施工一次性澆筑多道濕接縫，有效縮短了濕接縫澆筑及等強的時間，大大提升了施工工效。對于該橋，在不改變輔助墩主梁及邊跨合龍主梁施工工序的前提下，進行三節(jié)段循環(huán)工藝功效計算，同雙節(jié)段與單節(jié)段循環(huán)縮短的工期數(shù)相比，并未有更多的減少。

(2)根據(jù)有限元計算結(jié)果，雙節(jié)段循環(huán)施工的結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足規(guī)范要求，而三節(jié)段施工橋面板應(yīng)力超限，會引起橋面板開裂。因此從結(jié)構(gòu)受力方面而言，雙節(jié)段施工是最為合適的。臺州灣跨海大橋?qū)嶋H施工時正是采用了雙節(jié)段循環(huán)施工方法，在保證結(jié)構(gòu)受力合理的條件下，加快施工進度，避免了遇到臺風(fēng)等惡劣天氣對總工期的影響。

(3)工藝調(diào)整對結(jié)構(gòu)成橋受力狀態(tài)會產(chǎn)生偏差，通過計算確定了二次調(diào)索索力，對調(diào)索前后的結(jié)構(gòu)進行受力對比。結(jié)果表明，采用二次調(diào)索的方案可滿足合理成橋狀態(tài)，同時調(diào)索調(diào)整幅度較小，對于結(jié)構(gòu)受力影響較小。