不对称高低塔斜拉桥施工控制的理论分析

王兴球

摘 要：以黄舣长江特大斜拉桥为背景，根据斜拉桥的结构特点对钢箱梁施工工序进行一定的优化调整。文中提出倒拆与正 装试算结合的综合方法确定高低塔不对称结构斜拉桥施工索力，解决了合拢时悬臂长度不一致标高对齐的难点。最后讨论了如何确定钢箱梁主梁定位的标高。

关键词：斜拉桥；不对称；施工工艺；索力；主梁标高；施工控制

中图分类号：U448.27 文献标志码：A 文章编号：

Theoretical Analysis of Constructional Supervisory Control of Asymmetric High-low Tower Cable-stayed Bridge

（School of Civil Engineering， Central South University， Changsha， 410075）

Abstract： Using Huang Yi Yangtze River cable-stayed bridge as the background， according to the structural characteristics of cable-stayed bridge， optimize and adjust the construction process of steel box girder. In this article， it puts forward a synthesis method to determine the cable force of high-low tower cable-stayed bridge with asymmetric structure during construction， which combines backward trial with forward trial， and it solves the difficulty of elevation alignment when its cantilever length inconsistent at closure stage. Finally， it discusses how to position the elevation of steel box girder beam.

Keywords： cable-stayed bridge； asymmetric； construction technology； cable force； the elevation of the main beam； construction control

1 工程概况

黄舣长江特大桥位于四川省泸州市黄舣镇境内，是成自泸赤高速公路（泸州段）上跨越长江的一座特大型桥梁，为亚洲同类型桥梁中主跨最大的桥梁。该桥于2010年1月1日开工，经过建设者们28个月的施工于2012年4月11日顺利合拢。该桥为主跨520米高低塔空间双索面十跨半漂浮混合梁斜拉桥。其跨径布置为39m+48m+53m+520m+53m+5×48m，中跨为钢箱梁，边跨为混凝土梁，钢混结合段长5m（含渐变段），位于中跨距离索塔12m位置。主梁采用整幅桥面布置，横断面布置为双向4车道。中跨采用封闭式流线形扁平钢箱梁，标准梁段钢箱梁内设2道桁架式纵隔板，在合拢段和钢混结合段采用实腹式纵隔板。斜拉索采用平行钢丝斜拉索，矮塔每一扇面由10对拉索组成，高塔每一扇面由21对斜拉索组成，全桥共设62对斜拉索。中跨标准索距為16m，边跨16m、12m、8m。斜拉索在钢箱梁的锚固采用锚管承压式构造。

南北岸索塔采用不对称高低塔，南岸高塔塔高为210m，北岸矮塔塔高123.5m。索塔采用下塔柱分离，上塔柱内收的酒瓶型塔型。矮塔1#斜拉索和高塔的1#、2#斜拉索通过锚块锚固在塔柱内壁上，其余斜拉索通过钢锚梁锚固在上塔柱内。在上塔柱斜拉索锚固区内配置了JL32的精扎螺纹粗钢筋。

黄舣长江大桥主桥结构示意图见图1所示。

图1 黄舣长江大桥主桥结构示意图

Fig 1 The main bridge structure diagrammatic sketch of Huang Yi Yangtze River

2 施工方案

索塔采用液压爬模施工，边跨混凝土箱梁采用支撑排架法主跨现浇施工，中跨钢箱梁采用桥面吊机悬臂拼装施工。合理施工工艺是确定合理施工状态的第一步，也直接影响后续合理施工张拉索力大小的确定。大跨度斜拉桥悬臂施工[1]过程主梁自重较大，特别是大跨度钢箱梁斜拉桥主梁刚度较小，在桥面吊机等临时荷载作用下应力变化较大，故斜拉索施工通常采用两次张拉到位，成桥后不进行调索的施工方法。目前国内大部分钢箱梁斜拉桥或混合梁斜拉桥悬臂拼装施工常使用施工工艺如图2所示：

图2 国内常见钢箱梁标准施工流程

Fig 2 Domestic common standard construction process of steel box girder

从施工控制的角度看，上述钢箱梁标准施工方法中前一梁段拉索是在下一梁段起吊前进行二张，因此如果N#梁段起吊后引起的主梁变形较大，则无法再次通过修改索力来调整标高。这就可能造成梁段安装匹配时，由于前一梁段标高误差较大，出现梁段间顶底板焊缝[2]宽度过大而无法焊接或为了兼顾焊缝宽度而造成梁段前端标高无法达到要求的问题出现。该现象不仅增大了施工控制的难度，也在一定程度上影响主梁线形控制的效果。考虑到上述因素，将中跨钢箱梁“起吊下一梁段”阶段调整至“N-1#斜拉索二次张拉”阶段之前。其施工工艺流程如图3所示：

图3 黄舣长江大桥钢箱梁标准施工流程

Fig 3 The standard construction process of Huang Yi Yangtze River steel box girder

该桥为高低塔混合梁斜拉桥，边跨混凝土梁采用支架现浇施工与主塔施工同时进行。钢混结合段塔设支架，通过浮吊将钢混段吊装到位后进行钢格室混凝土的浇筑和预应力钢束张拉。使用温度配切的方法进行合拢。由于黄舣长江大桥主梁为不对称结构，因此合拢时采用高塔侧桥面吊机单侧起吊，矮塔侧设置等效荷载代替桥面吊机。在起吊合拢段前先使用等效荷载模拟起吊状态并进行，起吊合拢段时同步卸除等效荷载，将合拢段吊至合拢口并在夜间温度较低时喂入合拢口完成合拢焊接。

3 确定施工索力

在施工工序确定后，斜拉索施工张拉索力[3]是确定合理施工状态的核心内容，各梁段施工立模标高在施工张拉索力确定后也随之得到。本桥拟采用倒拆法[4]和正装[5～7]试算相结合的综合方法。其基本原理是在首轮倒拆中不计混凝土的收缩、徐变和结构的几何非线性。根据首轮的倒拆结果，再正装计算，正装计算中考虑混凝土的收缩、徐变和结构的几何非线性，将相应的影响结果储存，在下一轮的倒拆计算中，将上述储存的影响结构计入，如此反复，直至计算结果基本闭合。先以成桥理想状态为初始状态进行倒拆计算，确定一组索力以解决两端合拢标高不一致的难题，按照该组索力进行正装试算，但由于结构施工过程的非线性问题以及混凝土的收缩徐变等非线性因素造成了成桥状态与理想成桥状态的不闭合。因此，在倒拆得到的施工索力基础上进行正装试算，通过多次调整施工索力的大小使成桥索力不断接近设计成桥索力。

由于斜拉桥的成桥索力由该拉索最后一次主动张拉力大小所决定，先将设计成桥索力作为倒拆模型的初始状态索力进行倒拆，得到各拉索对应的二张索力。代入正装模型中且暂不考虑一次张拉索力大小，进行施工阶段正装计算后得到的成桥索力与倒拆模型成桥索力对比曲线图及成桥索力误差如图4和图5所示：

图4 倒拆模型与正装计算模型成桥索力对比曲线

Fig 4 The comparison of cable force curve of backward model and forward calculation model

图5 第一次正装计算成桥索力误差

Fig 5 The first forward calculation error of cable force of the finished bridge

从图2-3和图2-4可以看出：正装计算得到的成桥索力与倒拆模型成桥索力分布规律基本一致，该正装模型计算结果能保证合拢时南北岸主梁标高一致，但部分拉索索力相对误差超过10%，不能满足工程精度要求。因此，仅仅通过简单的倒拆模型计算仍不能得到理想施工张拉索力，这主要是因为倒拆模型无法考虑施工过程中混凝土的收缩徐变[8]，以及体系转换等造成了倒拆模型与正装模型的不闭合。

在该组倒拆得到的施工张拉索力基础上经过多次试算调整，以最大限度逼近设计成桥索力为控制目标，试算出各梁段阶段末对应的二次张拉索力。各拉索二次张拉索力大小及在该组索力作用下的成桥索力与设计成桥索力对比如图6所示：

图6 正装计算成桥索力与设计索力误差柱状图

Fig 6 The error in forward calculation of cable force of the finished bridge and designed cable force

从图3-3中正装试算得到的成桥索力与设计成桥索力对比可以看出：大部分拉索索力相对误差控制在1%以内，最大误差也仅为2.3%，满足工程精度要求。

4 定位主梁标高

该桥边跨混凝土梁采用支架整跨现浇施工，其定位标高[9]在设计标高的基础上考虑支架变形即可。大跨度钢箱梁斜拉桥采用悬臂拼装施工法，其施工过程中主梁标高不断发生变化。通常采用在主梁拼装定位标高中设置预拱度[10]的方法来保证成桥主梁线形。预拱度的作用是消除主梁施工过程中的变形，保证成桥线形的平顺并逼近设计成桥线形。

当施工张拉索力确定后，正装计算施工模型中最后一个施工阶段主梁累计位移量为f，设主梁各梁段的控制点成桥设计标高为H，则悬臂施工过程中各梁段的定位标高H1为：

各梁段定位标高计算结果如表1所示：

实际工程中，钢箱梁定位后顶底板的焊缝宽度总是存在差异的。考虑到钢箱梁焊接[2]过程中顶底板焊缝收缩规律不同造成的影响，一般来讲，底板焊缝的收缩量会比顶板焊缝收缩量大2-3mm，该桥标准梁段长16m、梁高3.2m。按照底板焊缝收缩量比顶板大2mm考虑，焊缝顶底板焊缝不均匀收缩引起主梁前端标高下降2mm×（16/3.2）=10mm。因此，在对该桥钢箱梁定位時，在表4-1计算得到的预拱度基础上再加上顶底板焊缝不均匀收缩造成的影响即可。

5 结束语

本文针对大跨度钢箱梁斜拉桥的施工特点，对黄舣长江大桥的施工工艺进行优化，并讨论了采用倒拆法和正装试算相结合的综合方法确定合理施工索力及采用设置预拱度的方法确定主梁的定位标高。以此为依据在施工过程中进行及时必要的调整，对大桥的施工安全和质量控制起到了十分重要的作用。

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