阮映輝，孫立鵬，王 興，3

(1.浙江臺(tái)州市沿海高速公路有限公司，浙江 臺(tái)州 318001；2.長安大學(xué)，西安 710064；3.中交第二公路工程局有限公司，西安 710065)

0 引言

組合梁斜拉橋施工步驟多、工藝要求高，施工時(shí)采用的工法對(duì)橋梁建成后的受力狀態(tài)和線形有著重要的影響。近年修建的灌河大橋采用單節(jié)段循環(huán)施工工法，逐段安裝、逐段澆筑接縫混凝土[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(shí)間，會(huì)直接決定組合梁斜拉橋施工時(shí)橋面板和鋼主梁的應(yīng)力狀態(tài)，最終導(dǎo)致不同方案間成橋的內(nèi)力與線形存在差異，而且澆筑與養(yǎng)護(hù)混凝土橋面板的濕接縫是決定施工時(shí)間長短的重要因素。因此，在保證結(jié)構(gòu)安全、施工速度和合理成橋狀態(tài)的基礎(chǔ)上，選擇合理的主梁施工方法，是組合梁斜拉橋施工的重點(diǎn)[4]。

胡俊[5]研究了組合梁斜拉橋混凝土橋面板疊合時(shí)機(jī)，發(fā)現(xiàn)滯后一個(gè)或兩個(gè)節(jié)段澆筑濕接縫，橋面板基本沒有拉應(yīng)力，鋼梁的壓應(yīng)力會(huì)隨著濕接縫的滯后澆筑明顯增大，接縫合理的澆筑時(shí)機(jī)是滯后一個(gè)節(jié)段澆筑。易云焜[6]等指出濕接縫澆筑時(shí)機(jī)對(duì)組合梁斜拉橋施工和成橋內(nèi)力都有顯著影響，且沒有選擇合理的疊合時(shí)機(jī)是橋面板開裂的主要原因之一。洪麗娟[7]針對(duì)組合梁斜拉橋多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫施工方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明組合梁斜拉橋采用多節(jié)段循環(huán)濕接縫的施工方法，縮短了濕接縫澆筑及等強(qiáng)的時(shí)間，顯著提高了斜拉橋鋼混疊合梁的施工工效。齊鐵東[4]依托樂清灣2號(hào)橋進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明兩節(jié)段循環(huán)施工時(shí)鋼梁和混凝土橋面板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(tái)州灣跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)按照混凝土橋面板濕接縫澆筑時(shí)間而區(qū)分的單節(jié)段循環(huán)施工、兩節(jié)段循環(huán)施工和三節(jié)段循環(huán)施工這三種施工方法的施工效率以及橋梁在施工時(shí)和建成后的內(nèi)力狀態(tài)，進(jìn)行了分析與比較。

1 工程概況

臺(tái)州灣跨海大橋通航孔橋?yàn)殡p塔雙索面半飄浮體系鋼—混組合梁斜拉橋[8-9]，跨徑布置為85m+145m+488m+145m+85m，邊跨設(shè)輔助墩。標(biāo)準(zhǔn)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。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示，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。施工方法為在工廠制作各節(jié)段，然后運(yùn)至現(xiàn)場整節(jié)段拼裝，共97個(gè)梁段。標(biāo)準(zhǔn)梁段長10.5m，輔助跨標(biāo)準(zhǔn)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，中跨除了鋼梁腹板和橫隔板的上翼緣處厚度為400mm外，其余部分橋面板厚度為280mm。

圖1 橋梁總體布置(單位：cm)

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

本橋原設(shè)計(jì)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(jī)前移、拉索二張的工序循環(huán)施工。實(shí)際施工時(shí)出于工期考慮，對(duì)主梁施工方法進(jìn)行調(diào)整，即將原設(shè)計(jì)的單節(jié)段循環(huán)工藝調(diào)整為兩節(jié)段循環(huán)工藝。本文再提出本橋三節(jié)段循環(huán)施工方法，對(duì)這三種工藝具體的工效、受力等進(jìn)行分析，并對(duì)工藝調(diào)整帶來的索力影響進(jìn)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)。

2 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工工效分析

國內(nèi)組合梁斜拉橋常用的施工方法是在工廠預(yù)制鋼主梁和橋面板，并形成組合截面大節(jié)段運(yùn)至橋位現(xiàn)場，進(jìn)行整節(jié)段懸臂拼裝施工[10]。選擇不同的施工方法會(huì)對(duì)施工工效有顯著的影響，各施工方法的主要差異有橋面板濕接縫的澆筑時(shí)間、拉索張拉次數(shù)、張拉預(yù)應(yīng)力的時(shí)間等。

臺(tái)州灣跨海大橋跨徑大、施工難度高，且橋址位于易受臺(tái)風(fēng)影響的浙江省，通常要靠提高施工速度縮短工期的方法來避免臺(tái)風(fēng)期對(duì)橋梁建設(shè)的影響。采用多節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫可顯著提高主梁的施工效率，即在多個(gè)梁段吊裝完成后，將多道濕接縫同時(shí)澆筑，大大減少了多道濕接縫的澆筑與等強(qiáng)的總時(shí)間。為此，本項(xiàng)目對(duì)不同的施工方法的施工方案作如下安排并對(duì)其工效進(jìn)行分析，多節(jié)段循環(huán)施工功效分析見表1。

表1 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工工效分析

(續(xù)表1)

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(shí)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(duì)此，可以考慮在兩個(gè)或三個(gè)節(jié)段吊裝完成后，一次性澆筑這幾個(gè)節(jié)段間的濕接縫。其中，單節(jié)段循環(huán)工藝用時(shí)11.5d；兩節(jié)段循環(huán)工藝用時(shí)16d，平均1個(gè)梁段施工用時(shí)8d；而三節(jié)段循環(huán)工藝用時(shí)20.5d，平均一個(gè)梁段施工用時(shí)6.83d。

經(jīng)計(jì)算，單節(jié)段循環(huán)施工總工期用時(shí)n+396d(n為下部結(jié)構(gòu)及橋塔施工工期)，兩節(jié)段循環(huán)施工總工期用時(shí)n+328.5d，提前67.5d結(jié)束，合計(jì)2.25個(gè)月。對(duì)于沿海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響的橋梁施工來說，可以充分利用工藝改變帶來的機(jī)動(dòng)時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)總工期延誤推遲的情況。該橋最后選擇兩節(jié)段循環(huán)吊裝然后一次性澆筑濕接縫的施工工藝，該施工工藝的濕接縫澆筑流程如圖3所示。對(duì)于三節(jié)段循環(huán)施工，總工期用時(shí)n+304.5d，相比較標(biāo)準(zhǔn)單節(jié)段循環(huán)施工，提前91.5d結(jié)束，合計(jì)3.05個(gè)月。雖然也可以達(dá)到縮短工期的效果，但不及兩節(jié)段效果顯著。同時(shí)，由于施工方法的改變，各施工節(jié)段受力狀態(tài)的影響還未展開研究，施工階段中主梁受力的變化有待進(jìn)行分析。

圖3 橋面板布置及濕接縫澆筑施工流程

3 多節(jié)段循環(huán)濕接縫施工受力分析

通過建立組合梁斜拉橋的有限元模型，模擬其橋面板單節(jié)段、兩節(jié)段、三節(jié)段澆筑濕接縫這三種施工方法，得到鋼梁及混凝土橋面板在不同施工方法下的內(nèi)力。施工荷載主要包括索力、自重、橋面吊機(jī)等。分析計(jì)算提取上述三種施工方法時(shí)4#～9#主梁節(jié)段的內(nèi)力狀態(tài)，得到各節(jié)段混凝土橋面板和鋼梁的應(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。索塔用空間梁單元模擬，主梁組合結(jié)構(gòu)用雙單元模擬，兩者之間以剛性連接為邊界條件，模擬聯(lián)合截面，拉索用桁架單元模擬，全橋共2 659節(jié)點(diǎn)、2 293單元。施工階段按濕接縫澆筑時(shí)機(jī)分單節(jié)段、兩節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)這三種施工方法模擬。

圖4 全橋有限元模型

3.2 施工過程應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

為分析不同施工方法對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響，分別對(duì)上述三種施工方法的有限元模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到施工階段鋼主梁及橋面板的應(yīng)力。各梁段的計(jì)算結(jié)果見表2。

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(單位：MPa)

顯然，施工方法由單節(jié)段循環(huán)施工改為兩節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)，鋼主梁與混凝土橋面板的拉應(yīng)力有著較明顯的增加。由于濕接縫是在多個(gè)節(jié)段吊裝后一次性澆筑，接縫處鋼主梁未澆筑混凝土形成聯(lián)合截面共同受力，故其上翼緣拉應(yīng)力值增加較多。而且濕接縫導(dǎo)致橋面板受力不連續(xù)，會(huì)增大邊緣區(qū)域的拉應(yīng)力。同理，非濕接縫處的區(qū)域形成了聯(lián)合截面，鋼與混凝土共同受力，所以改變施工方法引起的應(yīng)力變化并不大。

3.3 多節(jié)段循環(huán)施工的合理性

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(xiǎn)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)力的結(jié)果如圖5和圖6所示。

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(jì)算結(jié)果和圖5、圖6可以看出，多節(jié)段循環(huán)施工時(shí)，主梁的橋面板在主梁未澆筑濕接縫時(shí)，主梁截面突變處的混凝土橋面板存在較大的拉應(yīng)力，并且拉應(yīng)力隨著節(jié)段數(shù)量增大而增大。采用三節(jié)段循環(huán)施工時(shí)，在該節(jié)段循環(huán)靠近橋塔方向的橋面板累計(jì)拉應(yīng)力達(dá)到2.1MPa，超過了抗拉強(qiáng)度。待濕接縫澆筑并張拉預(yù)應(yīng)力束后，混凝土橋面板的負(fù)彎矩大幅度降低，同時(shí)也降低了主梁的拉應(yīng)力。

采用兩節(jié)段循環(huán)施工方法時(shí)，鋼梁的最大壓應(yīng)力會(huì)略微小于采用單節(jié)段循環(huán)施工，所以采用兩節(jié)段循環(huán)施工，對(duì)斜拉橋的受力是較為合理的。臺(tái)州灣跨海大橋采用的施工方法就是兩節(jié)段循環(huán)施工，在確保橋梁受力合理的前提下，提高了施工效率，減少臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣影響施工進(jìn)度的概率。

4 施工方法調(diào)整對(duì)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(jìn)行計(jì)算的，故采用兩節(jié)段、三節(jié)段進(jìn)行循環(huán)施工時(shí)，結(jié)構(gòu)成橋后必然無法達(dá)到預(yù)期的合理成橋狀態(tài)。同時(shí)，由于施工因素的不確定性，成橋后的索力、主梁內(nèi)力和線形與設(shè)計(jì)目標(biāo)存在差異，因此最初給定的拉索索力已不再適用于修改后的施工方案。通過對(duì)比各施工方案下合理成橋狀態(tài)和成橋索力間存在的差異可以得出，單節(jié)段、兩節(jié)段、三節(jié)段循環(huán)施工的成橋索力與目標(biāo)索力相比的誤差分別為-7%～9%、-10%～9%、-12%～9%。顯然，改變施工方法對(duì)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%，拉索編號(hào)為S1(Si為邊跨拉索，Mi為中跨拉索，越遠(yuǎn)離橋塔數(shù)字越大)。根據(jù)現(xiàn)行規(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%，與索力值相比較小，所以可以通過合龍后二次調(diào)索而不用調(diào)整施工索力，達(dá)到成橋最優(yōu)內(nèi)力分布。

某些索力的誤差較小，此時(shí)調(diào)整該索索力對(duì)周邊索力的影響很小。為減小二次調(diào)索的工程量，應(yīng)在保證調(diào)索后所有索力滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，盡量減少調(diào)索次數(shù)。

4.2 二次調(diào)索結(jié)果

本文用迭代法計(jì)算二次索力。邊索對(duì)塔和梁的變形影響較大，因此先調(diào)整邊索能夠減少總調(diào)索量，減少二次調(diào)索引起的內(nèi)力變化。

以合龍后斜拉索的索力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(biāo)索力Td的差值為ΔTi0，故第一次迭代時(shí)第i根拉索索力調(diào)整為Ti1=Ti0+ΔTi0[11]，按施工順序迭代計(jì)算，則第j次迭代值為Tij=Ti(j-1)+ΔTi(j-1)，一直迭代計(jì)算至所有ΔTij/Td<±5%。最終各拉索的二次調(diào)索值成橋索力最大偏差為-3.8%，滿足規(guī)范要求。

圖7所示為三種施工方法下的二次索力調(diào)整值。從圖7可以看出，大部分拉索的調(diào)整值的絕對(duì)值都小于300 kN,有少數(shù)幾根拉索的調(diào)整值大于400 kN,滿足合理成橋狀態(tài)的要求。

圖7 多節(jié)段循環(huán)施工各索力調(diào)整值

索力的偏差會(huì)隨著主梁節(jié)段長度的增加而增加，進(jìn)而增加了調(diào)索的工作量，其中索力調(diào)整值比較大的是最靠近橋塔的6根拉索。單節(jié)段循環(huán)施工最大的索力調(diào)整值為92kN，而三節(jié)段循環(huán)施工的最大索力調(diào)整值為545kN，兩者差異顯著。所以就二次調(diào)索的工作量而言，三階段循環(huán)施工的復(fù)雜度要遠(yuǎn)高于另外兩種施工方法。

4.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

利用Midas Civil計(jì)算調(diào)索前與調(diào)索后鋼主梁與混凝土橋面板的受力狀態(tài)。以兩節(jié)段循環(huán)澆筑濕接縫施工為例，計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 二次調(diào)索前后混凝土橋面板應(yīng)力

圖9 二次調(diào)索前后鋼主梁應(yīng)力

二次調(diào)索后鋼主梁最大應(yīng)力增量為8.9MPa，最大壓應(yīng)力小于55MPa，受力安全。二次調(diào)索造成混凝土橋面板應(yīng)力增加值最大為0.66MPa，減小值最大為0.64MPa，總體增加幅度變小，沒有出現(xiàn)處于拉應(yīng)力，并且二次調(diào)索后混凝土橋面板的應(yīng)力集中程度有所減小。由于索力的調(diào)整幅度較小，且在主橋合龍后結(jié)構(gòu)整體剛度大時(shí)調(diào)索，所以對(duì)于結(jié)構(gòu)受力的影響較小。

5 結(jié)語

組合梁斜拉橋施工過程涉及鋼梁和混凝土橋面板的結(jié)合時(shí)機(jī)，它是加快主梁施工進(jìn)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。斜拉橋的成橋線形、內(nèi)力狀態(tài)與施工過程密切相關(guān)。由單節(jié)段循環(huán)改為多節(jié)段循環(huán)滯后澆筑濕接縫的施工方法，將直接改變組合梁斜拉橋施工時(shí)的內(nèi)力，最終造成了成橋線形和內(nèi)力與目標(biāo)的差異。本文以一座大跨徑組合梁斜拉橋?yàn)閷?duì)象，探討了混凝土橋面板濕接縫的澆筑工序，分析了三種濕接縫澆筑工序的工效、對(duì)結(jié)構(gòu)在施工及成橋后的受力影響，以此對(duì)多節(jié)段循環(huán)的施工方法進(jìn)行比較，得到如下結(jié)論：

(1)通過對(duì)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，顯著縮短了濕接縫澆筑及等強(qiáng)的時(shí)間。對(duì)于臺(tái)州灣跨海大橋，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(jìn)行三節(jié)段循環(huán)工藝工效計(jì)算，同兩節(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(jì)算結(jié)果，兩節(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(huì)引起橋面板開裂。采用兩節(jié)段循環(huán)施工，對(duì)斜拉橋的受力是較為合理的。臺(tái)州灣跨海大橋采用兩節(jié)段循環(huán)施工，在確保橋梁受力合理的前提下，提高了施工效率。

(3)將單節(jié)段循環(huán)施工改為多節(jié)段循環(huán)施工，會(huì)使成橋后的內(nèi)力產(chǎn)生偏差，通過二次調(diào)索來修正這些偏差，計(jì)算給出了索力調(diào)整值，將調(diào)索后橋梁的內(nèi)力狀態(tài)與調(diào)索前做了比較。計(jì)算結(jié)果表明，二次調(diào)索后的斜拉橋滿足合理的成橋狀態(tài)。