斜拉桥结构受力特点及施工控制方法研究

崔胜海

(广西桂通工程咨询有限公司，广西 南宁 530028)

0 引言

斜拉桥构思于17世纪，受当时技术条件的限制，很长时间未得到发展，一度甚至被遗弃，20世纪30年代，德国造桥专家研究设计了第一条桥梁，由于其受力特点和结构外形的优势，非常具有竞争力，尤其体现在跨径大桥的施工上，因此在很短的时间内在世界各国迅速发展。我国这项技术研究较晚，起步于20世纪90年代，随着我国经济的迅猛发展，斜拉桥设计建设相继建成，较为著名的有惠青黄河公路大桥、漳州战备大桥、无锡市清宁大桥等。截至目前，我国已建成跨度400 m以上的斜拉桥30余座，其中最为著名的是苏通大桥，跨度为1 088 m，为世界之最。

1 斜拉桥总体布置及结构受力特点

斜拉桥总体布置类型较多，一般来说可以区分为独塔双跨式、双塔三跨式，由于工程实际需要，也可以设置为独塔单跨式、双塔单跨式、多塔多跨式三种。斜拉桥一般由以下部分构成：主梁、索塔、拉索以及下部结构，下部结构又主要包括桥台、桥墩等基本构件，共同组合成体系桥梁。从受力情况看，主梁主要受轴向的拉力，索塔受压，拉索受拉。

拉索是主要承重件，对主梁有较好的支承作用，对斜拉桥整体经济合理性以及刚度起着至关重要的作用，根据索面的不同，可以区分为竖琴形、辐射形、扇形三种基本形式，受力特点是：辐射形由于易发生应力集中现象，使用已经日趋减少；竖琴形由于其受力特点，一般仅用于跨度较小的斜拉桥中；扇形布置兼顾了以上两种优点，有着较好的抗扭刚度和抗风稳定性，也是当前采用最多的索型。采用混凝土主梁，拉索最科学的间距为4～12 m，采用钢主梁时，拉索最科学的间距为8～24 m。主梁一般分为连续和非连续体系两种，前者为连续梁和连续钢构；后者主梁主跨斜拉桥中央，带一个剪力铰或简支挂孔。钢主梁斜拉桥受力分析：斜拉桥的受力主要存在材料和结构的非线性影响。材料的非线性影响主要指在长期负荷下发生徐变的影响，结构非线性影响主要指塔和梁的轴力效应和大挠度影响。

在外负荷作用下，斜拉桥的塔和桥均承受了较大压力，达到一定值时就会产生平面或弯扭屈曲，其精确计算可按空间杆系屈曲有限元法实施。拉索锚固区的应力可按照圣维南假定实施计算，从整体中取出一个梁高或半个梁宽作为锚固体，按弹性阶段实施受力分析。如果有预应力，可作为外力考虑。此外，还要充分考虑风力、静力、地震等自然灾害以及动力如风雨激振的影响，严寒地区还要充分考虑到拉索驰振的影响。

2 斜拉桥施工控制及监理要点研究

由于斜拉桥结构形式和施工方法多样，施工也最能体现一个企业的装备层次和技术水平，比如对于钢索塔的施工，就必须充分考虑其起吊能力、焊接工艺以及安装的精度等。由于施工安装程序和施工方法与结构恒载内力关系密切，要求其上部结构必须严格按照工艺和步骤实施施工，必须实施严密的施工控制。作为监理人员，笔者结合港珠澳大桥深水区桥梁工程(包括青州航道桥、江海直达船航道桥)，对施工控制和监理重点进行阐述，具体见表1所示。

2.1 钢管沉桩

为满足施工要求，需要在钢管桩内外壁实施防腐处理，设置内外剪力环，由于其设计顶标处于水面下，标高取6.0 m或5.0 m。沉桩工艺一般使用液压打桩锤配合大型打桩船完成，倾斜度控制在≤1/250，中心平面允许的偏差值≤100 mm。

此阶段监理重点为：对钢管桩的运输、堆存管理要科学，避免出现摩擦和碰撞情形，因为其极易导致防腐涂层的损坏以及管端的变形；对于桩锤的选型必须根据试验结果而定，确保垂直度和位置的精确控制。

2.2 灌注桩施工

主要采用的复合桩直径分别为2.15 m、2.5 m，确保桩底嵌入深度≥1.5倍的桩径，平均桩长为103 m，最大桩长为129.7 m，必须全过程进行钻孔施工记录，并留样。监理人员、业主和设计人员必须到场签认；现场加工制作钢筋笼，并根据运输要求实施分节制作；钢筋笼施工完毕后，必须安装混凝土保护块，强度达到标准后，可实施抽芯检测和超声检测，顺序一般按先超声检测后抽芯检测的顺序，数量按照每墩2芯实施。

此阶段监理重点：(1)必须常态落实对于泥浆的含砂率、比重、泥皮厚度等指标的检查，确保孔壁的稳定，确保不发生卡钻、掉钻等现象，保证钻孔效率；(2)泥浆净化处理必须符合环保标准；(3)钻孔的孔径、垂直度等必须符合设计要求；(4)要充分考虑混凝土连续灌注能力，确保不出现断桩现象；(5)注重把握混凝土的初凝时间、浇筑时间、灌注的时间必须不少于首批混凝土初凝时间，以防钢筋笼的上浮；(6)对桩顶的高程，必须严格控制，确保不发生松散等情况，确保施工质量。

表1 斜拉桥施工控制和监理要点表

2.3 承台的安装

承台套箱一般由内外围壁、底板、护舷等支撑系统组成，节段间需安装橡胶条，采取消能装置对承台的碰撞进行缓冲，减少冲击能。必须按照《钢质海船入级与建造规范》的标准要求对于焊接工艺、材料和规格严格规范，所有的主次要构件以及焊缝必须检验合格，套箱实施防腐处理应按照不少于20年的寿命进行设计，套箱所采用的焊接材料、预处理、焊接方法、焊后处理及检验要求等，均要满足中国船级社要求。所有喷砂除锈必须达到Sa2.5级，涂装必须在清洁合格后实施。桩头处理中，直径>20 mm钢筋采用墩粗直螺纹机械连接。

此阶段监理重点：(1)钢筋层次多，用量也较大较多，尤其要注意层间网格的对齐与间距控制的科学合理，确保钢筋保护层厚度符合标准要求，二级承台需保证模板的刚度、强度和稳定度；(2)焊接必须牢固，确保外形均匀和光滑，无裂缝、残渣、气孔等缺陷。

2.4 墩身的安装

浮吊吊装墩身时，必须搁置于承台支墩上，完成初步定位，以满足设计要求，固定临时装置进行安装时，必须拆除千斤顶，完成承台顶面与墩身的连接。

此阶段监理需注意：(1)墩身连接预应力粗钢筋的张拉；(2)墩身整体吊装的定位精度；(3)支承垫石顶面的高程精度。

2.5 索塔施工

索塔施工控制的基本原理，就是利用工程控制论的普遍原理，建立误差处理系统，正确评估线形偏差，做出线形调整，利用可靠稳定的参考点实现模板或钢锚箱节段的准确定位。以柳州三门江大桥施工为例，大桥主塔分5个施工节段，第一、二节段高各4.8 m，第三节段高4.4 m，第四节段高4.7 m，第五节段高2.8 m。塔身直顺，主塔高度较低，主塔采用塔外搭设支架翻模施工。主塔施工材料和设备通过便桥、码头及水上交通船运至墩位，垂直起吊运输由塔吊负责，混凝土由设在主梁上的地泵直接送入模。

此阶段监理重点：(1)对于索塔预埋件要给予关注，确保位置准确、设置齐全；(2)索塔施工必须确保垂直度、锚箱定位和结形撑定位精度；(3)上塔柱实施混凝土施工时，必须严格控制其连接部位安装质量。

2.6 钢箱梁的吊装

钢梁的拼装需科学制定合龙方案，一般按照先合龙两侧，再向中跨延伸，再实施合龙主跨的步骤，科学进行转角调整，使其准确合龙，达到平顺。在钢箱梁施工时，原材料是非常重要的，其包括钢材、焊接材料、连接用紧固件等，要严把质量关，才能从根源上控制钢箱梁的质量。主要检测材料的质量证明书，并对其力学性能、化学成分等进行分析和验证，在选择焊接材料时，要和母材的强度和硬度是相同的，连接用紧固件有高强度的螺栓等。构件在连接时有焊接和高强度螺栓连接两种。焊接时，运用材质相同的材料进行焊接，并在焊缝两端设置引出板，在焊接完成后，运用机械切割或者气割的方式将引出板切除，不能用锤子击打。焊接完后，还要对焊缝进行超声波检测和射线探伤。其次，高强螺栓在使用前要检查摩擦面的抗滑移系数，螺栓的旋入方向要一致，初拧和终拧都要受力均匀。要在1～48 h之内进行扭矩检查，检查采用松扣回扣法。

此阶段监理需注意：(1)钢梁架设是施工安全中必须重点关注的环节，按照要求必须设置稳定设施，确保大跨度悬臂施工安全；(2)对钢箱梁悬臂精度必须严格控制。

2.7 斜拉索的安装

对于斜拉索的保护是安装重点，其索力也将直接影响桥梁的内力以及主梁的线形。以公轨两用双层桥面钢桁梁斜拉桥为例，在上游塔柱各设置1台塔吊用于塔端斜拉索安装及空中展索；在塔顶布置卷扬机，将斜拉索牵引入索导管并提升塔柱内的千斤顶、撑脚、张拉杆等塔内设备；在塔顶布置工字钢扁担梁支撑塔顶卷扬机；在桥面塔柱安装卷扬机将索头提升至索导管位置；采用卷扬机及导向滑轮组、手拉葫芦将梁端索头牵引到位；采用千斤顶张拉斜拉索。

此阶段监理重点：(1)做好斜拉索的保护，包括运输、堆放过程的保护；(2)防止锚头进水；(3)使用高密度聚乙烯实施连接防腐处理；(4)索长达到预定长度后，要对温度、轴线、倾斜度实施测量，控制误差。

3 结语

综上所述，斜拉桥安装程序和施工方法与主桥线形以及结构内力有着紧密的关系，施工过程中必须严格实施监控，其施工过程和施工设计之间必须形成反馈机制，信息的反馈要及时，并逐步完善这种机制，所以在施工中必须全面掌控设计意图和标准要求，科学编制设计方案，促进斜拉桥施工工程的科学稳定。

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