王家悅

（長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展、航道等級(jí)的提升以及城市景觀的優(yōu)化，斜拉橋的設(shè)計(jì)需求逐漸增加。斜拉橋是由斜拉索、橋塔、加勁梁三種基本構(gòu)件組成的高次超靜定組合體系，其結(jié)構(gòu)整體剛度大，跨越能力強(qiáng)，造型美觀。斜拉橋的施工階段分析對(duì)最終成橋索力、主橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)影響較大［1-2］。目前，研究斜拉橋合理施工狀態(tài)的方法主要有倒拆法、正裝—倒拆法、無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法、正裝迭代法、應(yīng)力平衡法等［3-4］。但這些方法在實(shí)際運(yùn)用中或多或少存在缺陷，比如正裝—倒拆法存在不閉合、未知荷載系數(shù)法計(jì)算出來(lái)的荷載系數(shù)為負(fù)值等［5］。文章依托國(guó)內(nèi)首座高速鐵路混合梁斜拉橋——昌吉贛客專贛江特大橋，基于合理施工狀態(tài)確定了斜拉索的成橋索力值，與正裝—倒拆法得出的成橋狀態(tài)相吻合。

1 工程背景

新建鐵路南昌至贛州客運(yùn)專線贛江特大橋全橋長(zhǎng)2 155.44m，是昌吉贛客運(yùn)專線跨越贛江的控制性工程。文章研究的贛州贛江特大橋的主橋（見(jiàn)圖1）是一座雙塔三跨混合梁斜拉橋，屬于半漂浮體系，全橋共采用96 根斜拉索。主橋邊跨及延伸至中跨20m 范圍采用混凝土梁體，中跨采用鋼混結(jié)合梁，鋼混結(jié)合梁和混凝土梁之間采用5m 的鋼混過(guò)渡段進(jìn)行主梁剛度的過(guò)渡。索塔采用人字形混凝土塔，單箱單室截面，下塔柱為傾斜直線，中、上塔柱為曲線。

圖1 贛江特大橋主橋（單位：cm）

混凝土箱梁采用單箱三室等高，截面如圖2 所示，橋面寬16.5m，中心處梁高4.5m。中跨采用箱形鋼—混凝土結(jié)合梁（見(jiàn)圖3），橋面寬16.3m，中心梁高約4.5m，混凝土橋面板厚30cm，局部加厚至50cm，鋼梁高400cm。斜拉索縱向間距為12m。鋼梁采用工廠分節(jié)段制造、現(xiàn)場(chǎng)焊接連接的方式。鋼梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12m，合攏段4m，橫梁每6m 設(shè)置一道?；炷翗蛎姘逋ㄟ^(guò)設(shè)置在翼板上的剪力釘與鋼梁結(jié)合。

圖2 混凝土箱梁截面（單位：cm）

圖3 箱形鋼—混凝土結(jié)合梁截面（單位：mm）

2 主要施工階段

斜拉橋的成橋狀態(tài)和索力值與施工階段緊密相關(guān)，如何合理地確定每一施工階段的張拉索力對(duì)后期成橋狀態(tài)的影響很大［6-7］。由于贛江特大橋結(jié)構(gòu)的特殊性，文章對(duì)其混凝土主梁和鋼混混合梁部分采取的是支架現(xiàn)澆工藝，對(duì)其鋼混結(jié)合梁部分采取的是半懸臂拼裝的方法，主要施工步驟見(jiàn)圖4、圖5、圖6。

圖4 將鋼混混合梁吊裝到位，澆筑施工主塔、主墩和A—D 段混凝土主梁橋面板

圖5 依次移動(dòng)吊機(jī)、吊裝鋼箱梁、澆筑橋面板，張拉斜拉索至施工索力，使張拉橋面板內(nèi)預(yù)應(yīng)力至合攏前的最后一步

圖6 施工合攏段鋼箱梁，使兩端無(wú)曲率合攏；施工二恒及附屬，進(jìn)行合攏后的二次調(diào)索

3 基于合理施工狀態(tài)的調(diào)索分析

贛江特大橋的主梁結(jié)構(gòu)采用閉口式鋼箱和混凝土橋面板的組合形式，橋面板內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，這種組合結(jié)構(gòu)形式是首次在國(guó)內(nèi)工程中得到應(yīng)用。施工過(guò)程中的橋面板預(yù)應(yīng)力張拉和混凝土收縮徐變效應(yīng)會(huì)影響本段甚至前段的索力值，增加調(diào)整索力的難度。文章通過(guò)以保證橋面施工階段的合理線形為控制指標(biāo)，以理想成橋狀態(tài)為目的對(duì)贛江特大橋索力進(jìn)行調(diào)整，得到了合理的成橋狀態(tài)［8］。

3.1 斜拉橋主橋有限元模型

文章基于新建鐵路南昌至贛州客運(yùn)專線贛江特大橋主橋混合梁斜拉橋，采用midas Civil 軟件建立空間桿系模型（見(jiàn)圖7）。全橋共建立節(jié)點(diǎn)745 個(gè)，空間梁?jiǎn)卧?78 個(gè)，索單元96 個(gè)。主梁、主塔、橋墩采用空間梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用索單元?/p>

圖7 全橋有限元模型

主梁和拉索、主塔和拉索之間的連接均采用主從約束，輔助墩和交接墩的約束均采用一般約束；主塔底部采取固結(jié)處理，主梁和主塔之間采用剛性連接；現(xiàn)澆支架的模擬采用單向受壓的剛性連接處理［9-10］。

贛江特大橋既有鋼混混合段，又有鋼混結(jié)合梁截面，在有限元模型中需要對(duì)其分別處理［11］。由于鋼混混合段并不是文章研究重點(diǎn)，對(duì)鋼混混合段進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，僅根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)容對(duì)這部分鋼混混合段進(jìn)行容重修正［12-13］。施工階段對(duì)鋼混結(jié)合梁是先吊裝鋼梁再澆筑混凝土橋面板，為準(zhǔn)確模擬施工階段混凝土收縮徐變效應(yīng)，采用midas 施工階段聯(lián)合截面考慮橋面板的收縮徐變效應(yīng)。

文章對(duì)贛江特大橋進(jìn)行合理施工狀態(tài)計(jì)算分析，其主要考慮的荷載包括施工階段分階段施加的各種荷載：自重根據(jù)midas Civil 通過(guò)截面的形狀自動(dòng)進(jìn)行加載；預(yù)應(yīng)力主要通過(guò)程序自動(dòng)采用等效荷載的方法施加在主梁上，并考慮各種預(yù)應(yīng)力的損失；斜拉索采用預(yù)應(yīng)力荷載中的初拉力，以體外力的形式施加在每根斜拉索的兩端；橋面吊機(jī)采用節(jié)點(diǎn)荷載的形式進(jìn)行模擬，吊機(jī)荷載重量為700kN；二恒通過(guò)換算橋面系的各項(xiàng)重量，以線荷載的形式施加在主梁上，為150.5 kN·m-1；活載采用雙線的ZK 靜活載。

3.2 合理施工狀態(tài)的確定

合理施工狀態(tài)的達(dá)成要保證每段鋼箱梁在安裝完畢后（即橋面板澆筑完成后的施工階段）線形基本水平（豎向位移控制在2cm 以內(nèi)），并在最終合攏階段實(shí)現(xiàn)無(wú)曲率合攏，以此為目的進(jìn)行施工階段索力的試算，最后在鋪裝之后進(jìn)行二次調(diào)索達(dá)到合理成橋索力。圖8 為典型施工階段調(diào)索后的主橋位移及曲率（為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，僅以半幅橋梁位移數(shù)據(jù)示意，另一半幅與此對(duì)稱）。

圖8 調(diào)索后主橋位移及曲率

由上圖可知，各施工階段在施工索力的作用下線形基本水平，最大位移不超過(guò)2cm，在中跨前的梁端轉(zhuǎn)角幾乎為0，實(shí)現(xiàn)了施工狀態(tài)的無(wú)曲率合攏。

3.3 合理成橋狀態(tài)的確定

上面確定的合理施工階段索力能夠滿足工程施工階段應(yīng)力、位移要求，但是不能滿足成橋狀態(tài)下的各項(xiàng)指標(biāo)要求，故需要對(duì)全橋索力進(jìn)行二次調(diào)索，以保證成橋狀態(tài)下主橋的應(yīng)力、強(qiáng)度、位移、斜拉索應(yīng)力達(dá)到規(guī)范要求。文章研究對(duì)象是基于合理施工狀態(tài)的調(diào)索方法，為驗(yàn)證此方法能否達(dá)到傳統(tǒng)正裝—倒拆法的控制目標(biāo)，合理成橋狀態(tài)下的二次調(diào)索應(yīng)以正裝—倒拆法確定的最終成橋索力為目標(biāo)，由此來(lái)觀察成橋階段的內(nèi)力、變形是否一致。

根據(jù)有限元模型，在施工階段分析時(shí)保證每一節(jié)段的主梁水平，這樣合攏并鋪裝之后橋面線形和索力并不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的合理成橋狀態(tài)，如圖9所示，在二恒作用下主梁豎向位移達(dá)到了41cm，所以要根據(jù)成橋索力進(jìn)行二次調(diào)索。

圖9 二恒及成橋時(shí)主橋位移

研究以成橋索力為目標(biāo)，通過(guò)試算迭代使每根斜拉索索力達(dá)到設(shè)計(jì)的成橋索力，索力值如表1所示。

表1 調(diào)索索力

3.4 主要結(jié)果的對(duì)比與分析

為了驗(yàn)證文章方法的正確性，將基于合理施工狀態(tài)調(diào)索得到的結(jié)果與正裝—倒拆法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

如表2 所示，文章模型成橋索力與正裝—倒拆法得到的成橋索力相差較小，最大誤差僅約4%，這樣完全能夠保證成橋的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)。

表2 成橋索力的對(duì)比結(jié)果

續(xù)表

如表3 所示，靜活載作用下各項(xiàng)指標(biāo)與正裝—倒拆法各項(xiàng)指標(biāo)基本吻合，說(shuō)明主橋剛度與正裝—倒拆法結(jié)果一致。

表3 靜活載作用下反力最大值與最小值的對(duì)比結(jié)果

如表4 所示，在考慮施工階段和各項(xiàng)荷載效應(yīng)的累計(jì)值后，研究結(jié)果與正裝—倒拆法所得結(jié)果相比誤差較小。但是P32交接墩下反力值相差較大，可能是因?yàn)樵诮r(shí)，不同的建模人員對(duì)模型的處理有不同的考慮，如收縮徐變階段的天數(shù)、施工階段體系轉(zhuǎn)化的方式、施工階段的臨時(shí)荷載值等，這些誤差的累計(jì)最終都會(huì)反映到模型的成橋內(nèi)力上，但只要在工程允許的誤差范圍內(nèi)，最終結(jié)果就不會(huì)受到較大影響。

表4 恒載作用下反力的對(duì)比結(jié)果

由上述各項(xiàng)對(duì)比可知，以橋面線形為控制指標(biāo)基于合理施工狀態(tài)的調(diào)索方法是合理的，最終的成橋線形和狀態(tài)都能夠達(dá)到理想結(jié)果。

4 結(jié)論

文章以國(guó)內(nèi)首座高速鐵路混合梁斜拉橋——昌吉贛客專贛江特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)有限元數(shù)值分析方法研究了基于合理施工狀態(tài)的斜拉索的成橋索力值，與正裝—倒拆法得出的成橋狀態(tài)相吻合。主要結(jié)論如下：

（1）基于合理施工狀態(tài)的調(diào)索方法得到的成橋索力與正裝—倒拆法得到的成橋索力基本一致。

（2）基于合理施工狀態(tài)的調(diào)索方法得到的成橋狀態(tài)與正裝—倒拆法得到的理想成橋狀態(tài)基本一致，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足要求。

（3）實(shí)際運(yùn)用時(shí)可以將橋面線形作為施工階段的控制指標(biāo)進(jìn)行施工階段的索力試算，最后在成橋階段以合理成橋狀態(tài)為目標(biāo)進(jìn)行二次調(diào)索，達(dá)到理想的成橋狀態(tài)。