施工方案中途改变的独塔斜拉桥变更设计与结构分析

邓小伟

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

一般情况下，斜拉桥主梁多采用悬臂浇筑法或悬臂拼装法施工，但当桥下地势较平且高度不大时，采用支架施工更为方便、经济和节省工期。不论采用哪种施工方法，一般应以预先确定的施工方案进行结构分析计算和设计[1]。但由于施工中受多种因素的影响，可能出现施工中途需要改变施工方案的情形，这就需要对原设计方案的受力及变形作相应的验算，必要时采取一定的设计变更措施，如调整索力或预应力钢束布置等，以保证施工阶段及运营阶段各项指标均满足规范要求。

1 工程概述

某城市景观桥梁主桥为跨径100 m+87 m的独塔双索面钢混组合梁斜拉桥（见图1），塔、梁、墩固结体系，边主跨比为0.87；主梁采用钢-混凝土组合梁双钢箱主肋断面，中心点梁高2.5 m，梁高/主跨=1/40；索塔总高67.2 m，桥面以上索塔高51.25 m，塔高/主跨=0.51；斜拉索采用平面扇形密索体系，梁上标准索距9.0 m，在边跨桥墩附近索距加密；塔上标准索距2.0 m，塔顶部分索距加密为1.8 m。

主梁截面采用混凝土桥面板+双钢箱主肋断面，主梁标准宽度40.1 m，顶面设2.0%双向横坡。钢主梁中心高度1.985 m和2.0 m，预制混凝土桥面板厚0.25 m；标准段箱梁宽为3.3 m，顶板厚25 mm，底板厚35 mm，腹板厚16 mm。两主肋中心距26.5 m，两主肋间设置3道工字型小纵梁。

主梁标准横断面见图2。

主梁标准节段长9 m，两主肋之间用横梁及桥面板相连，桥面板为厚0.25m预制板，在桥上通过现浇湿接头连接成整体。横梁断面型式为工字梁，横梁标准间距4.5 m。与横梁位置相对应，主梁外侧挑臂下设置一道托梁。预制C50桥面板的存放期要求不小于6个月，预制桥面板之间现浇C50微膨胀混凝土。桥面板内配置纵向和横向预应力钢束。纵向预应力采用S15.20–7高强度低松弛钢绞线，横向预应力采用S15.20–3高强度低松弛钢绞线。

主梁在塔两侧设置钢混结合段，结合段总长16.5 m。钢箱梁腹板埋入混凝土塔内，伸入索塔内的腹板开孔以利于混凝土的浇筑，并在索塔两侧2.5 m范围的钢箱梁内灌注混凝土，通过加劲肋及剪力钉的作用，将力传递至塔梁固结区。两主梁之间采用实心混凝土横梁连接，通过张拉预应力使得塔梁固结区处于三向受压状态。

斜拉索采用平面扇形布置，双索面。全桥共20对索，梁上基本索距主跨为9 m，在边跨桥墩附近索距加密为7.65～6.6 m；塔上标准索距2.0 m，塔顶部分索距加密为1.8 m。

索塔纵向为单柱式，横向为H形，索塔总高67.2 m。上塔柱采用五边箱形截面，外形尺寸为3.5 m×5 m，壁厚0.75～1.2 m，上塔柱拉索锚固区配置环向预应力，预应力采用S15.20–18、16、14三种钢绞线。上塔柱横梁采用钢箱断面，横梁通过端部预埋钢板锚筋、剪力钉和腹板伸入塔内等方式与混凝土塔相连。下塔柱为实心截面，外形尺寸由3.4 m×5 m渐变到4.4 m×6 m。2个下塔柱之间用2道厚度0.8 m的墙连接，并在墙中心处设置厚0.5 m横隔板。塔下承台平面尺寸为39.6 m×13.6 m，承台厚5 m。承台下布置24根2.0 m的钻孔灌注桩，桩长80 m。

图1 主桥总体布置图（单位：cm）

图2 主梁标准横断面图（单位：cm）

2 施工方案变更设计

原方案主桥采用悬臂拼装的方式，分节段安装钢主梁，主桥具体施工顺序如下：

（1）搭设栈桥；主墩、边墩基础及承台施工，钢主梁及桥面板预制；浇注塔柱至梁底分段处，搭设主墩处支架；吊装钢主梁0#节段，支架上施工塔梁固结区以及钢混结合段，张拉钢混结合段内纵、横向预应力；利用提升模板分段浇注塔柱；支架施工边墩立柱、盖梁。

（2）在钢梁接头处搭设1#节段临时支架；吊装主梁1#节段，在支架上进行主梁焊接；安装预制桥面板，现浇桥面板湿接缝并养护，挂设1#斜拉索并张拉至初始索力。

（3）拆除1#节段临时支架，搭设2#节段临时支架；吊装主梁2#节段，在支架上进行主梁焊接；安装预制桥面板，现浇桥面板湿接缝并养护；张拉前一节段主梁横向预应力，并及时压浆养护；挂设2#斜拉索并张拉至初始索力。

（4）重复上述阶段，直至6#节段完成；搭设边跨7#～11#节段支架；吊装边跨主梁7#～11#节段，在支架上进行主梁焊接；施工边跨压重块；安装预制桥面板，浇筑湿接缝并养护；完成边跨合龙。

（5）拆除主跨6#节段临时支架，搭设主跨7#节段临时支架；吊装主跨7#节段，在支架上进行主梁焊接；安装预制桥面板，现浇桥面板湿接缝并养护；张拉前一节段主梁横向预应力，并及时压浆养护；挂设7#斜拉索并张拉至初始索力。

（6）重复上述阶段，直至10#节段完成；吊装主跨11#节段，在支架上进行主梁焊接；安装预制桥面板，现浇桥面板湿接缝并养护，主跨合龙；张拉桥面板纵向预应力及剩余横向预应力。

（7）拆除临时支架；施工桥面混凝土铺装、人行道、防撞护栏、栏杆等附属；自索塔向两侧对称调整斜拉索至最终索力；施工桥面沥青混凝土铺装；全桥贯通。

悬臂施工流程图见图3。

图3 悬臂施工流程图

钢箱叠合梁最成熟的安装方式即悬臂施工[2]，悬臂施工必须逐节段拼装钢梁节段，待前一节段所有工序完成后方能进行下一个节段。每个节段包括临时支架搭设、钢梁节段起吊、钢梁环焊连接及焊缝探伤、桥面板安装、湿接缝混凝土浇注养护、横向预应力张拉以及斜拉索挂索张拉等工序，至少需要18 d，全桥共10个梁段（除0#段），共需180 d。

综合考虑工程总体施工进度计划与实际进展，悬臂拼装的工期无法满足总工期的要求。为缩短施工周期，提出了1#～10#节段主梁由悬臂施工调整为2个大节段支架施工的新思路，具体施工顺序如下：

（1）采用吊机与支架施工主梁1#～6#节段：安装钢主梁，安装预制桥面板，浇筑湿接缝并养护，张拉1#～6#节段桥面板纵向、横向预应力，并及时压浆养护；挂设1#～6#斜拉索，按照1#～6#的顺序依次对称张拉拉索至初次张拉力。理论上，此时0#～6#节段已主动脱离支架。

（2）拆除 0#～6# 节段支架，按照 6#～1#的顺序依次对称补张拉索。补张完成后须复测拉索索力，使最大悬臂状态的最终拉索内力达到该阶段设计目标索力。

（3）施工1#～6#节段的同时可搭设7#～11#节段支架。采用吊机与支架施工7#～11#节段：安装钢主梁，施工边跨压重块，安装预制桥面板，浇筑湿接缝并养护，张拉7#～11#节段桥面板纵向、横向预应力，并及时压浆养护；挂设7#～10#斜拉索，按照7#～10#的顺序依次对称张拉拉索至初次张拉力。

（4）拆除支架与吊机；拆架后须复测拉索索力，使成桥状态的最终拉索内力达到该阶段设计目标索力；施工桥面混凝土铺装、人行道、防撞护栏、栏杆等附属；按照1#～6#的顺序依次对称补张拉索；施工桥面沥青混凝土铺装；复测拉索索力，复核实际索力与该阶段设计目标索力是否吻合，若差别较大，需调索；全桥贯通。

大节段支架施工流程图如图4所示。

图4 大节段支架施工流程图

斜拉索各张拉力详见表1。

表1 斜拉索张拉力kN

大节段支架施工与逐节段悬臂施工相比，一方面大大节省了各小节段湿接缝养护及压浆养护的时间，另一方面2个大节段可实现部分平行作业，主梁施工完成仅需130 d，大大缩短了工期。

3 桥梁结构分析

3.1 计算模型

结构总体计算采用空间结构计算图式，主要用于斜拉桥结构的空间静力分析、动力分析、稳定分析与地震分析[3]。采用Midas Civil有限元程序，建立空间计算模型，如图5所示。

图5空间有限元模型

图5 中，主梁、桥塔、桥墩采用空间梁单元模拟，斜拉索采用空间桁架单元进行模拟。双索面与主梁采用刚臂连接形成“鱼骨梁”；塔墩梁固结采用主从约束的形式模拟；边墩顶的盆式支座考虑滑动方向，采用一般连接模拟；主墩、边墩均考虑地基基础的弹性，采用弹性支承模拟。

根据本文所建的有限元模型，进行承载能力极限状态、正常使用极限状态、持久状态和短暂状态的应力、稳定和抗震验算。

3.2 承载能力极限状态验算

（1）在承载能力极限组合下，钢主梁边缘正应力为-190～151 MPa，钢主梁采用Q345钢材，抗拉、抗压和抗弯强度设计值为270 MPa，钢主梁强度满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）要求。

（2）在承载能力极限组合下，混凝土上塔柱最大顺桥向弯矩为56 693 kN·m，对应的轴力为89 533 kN；最大横桥向弯矩为16 404 kN·m，对应的轴力为84 405 kN；混凝土塔墩最大顺桥向弯矩为125 314 kN·m，对应的轴力为229 539 kN；最大横桥向弯矩为94 827 kN·m，对应的轴力为228 614 kN。经验算，上塔柱与塔墩作为偏心受压构件，承载能力均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）（下面简称“2004 规范”）要求。

3.3 正常使用极限状态验算

3.3.1 抗裂与裂缝宽度验算

荷载长期效应组合下，预制板的最小压应力为4.11 MPa，考虑有效宽度后，最小压应力为3.90 MPa；现浇板的最小压应力为4.33 MPa，均不出现拉应力，满足2004规范要求。荷载短期效应组合下，预制板的最小压应力为0.39 MPa，考虑有效宽度后，最大拉应力为0.43 MPa；现浇板的最小压应力为0.35 MPa，满足2004规范要求。因此，主梁正截面抗裂性能满足2004规范对A类部分预应力构件的规定。

荷载长期及短期效应组合下，上塔柱及塔墩均处于全受压状态，无裂缝，满足2004规范要求。

3.3.2 变形验算

车道荷载作用下，主梁竖向最大挠度为64.3 mm，小于L/400=250 mm，满足斜拉桥设计规划[3]的要求。

车道荷载作用下，塔顶水平位移最大为2.72 cm，最小为-3.51 cm；人群活载作用下，塔顶水平位移最大为1.37 cm，最小为-1.86 cm；正常使用短期效应组合下，塔顶水平位移最大为3.3 cm，最小为-5.31 cm。

3.4 持久状况和短暂状况的应力验算

3.4.1 持久状况应力验算

荷载标准值组合下，预制板的最大压应力为13.32 MPa，考虑有效宽度后，最大压应力为14.41 MPa；现浇板的最大压应力为12.02 MPa，均小于0.5 fck=0.5×32.4=16.2 MPa，满足规范要求（其中 fck为混凝土轴心抗压强度标准值）。

荷载标准值组合下，桥面板钢束的最大拉应力为1 203 MPa，小于2004规范允许的1 209 MPa，满足2004规范要求。

荷载标准值组合下，斜拉索的最大应力为644 MPa，最小应力为365 MPa，最大应力小于0.4 fpk=668 MPa，满足规范[3]的要求。斜拉索最大应力幅为168.6 MPa＜200 MPa，满足拉索使用安全要求（其中fpk为预应力钢筋抗压强度标准值）。

标准组合斜拉索最大应力图见图6。

图6 标准组合斜拉索最大应力图（单位：MPa）

3.4.2 短暂状况应力验算

施工过程中，钢主梁截面边缘应力为-124～50 MPa；混凝土预制板边缘正应力-10.94～0.58 MPa，混凝土现浇板边缘正应力为-10.56～0.66 MPa，假定施工过程中，混凝土初次加载强度为80%，则允许压应力 0.70 fck'=0.7×0.8×32.4=18.14 MPa，允许拉应力 1.15ftk'=1.15×0.8×2.65=2.438 MPa，可知，施工阶段主梁应力均满足规范要求（fck'、ftk'分别为短暂状况施工阶段的混凝土轴心抗压、抗拉强度标准值）。

在施工过程中，索塔最大压应力为6.25 MPa，无拉应力。考虑混凝土初次加载强度取设计强度的80%，则最大压应力限值为0.70 fck'=0.7×0.8×32.4=18.14 MPa＞6.25 MPa，可知，施工阶段主塔应力均满足规范要求。

在施工过程中，斜拉索的最大应力为540 MPa，小于0.5fpk=835 MPa，满足规范要求。

3.5 稳定验算

对施工阶段和成桥运营阶段的几个重要工况进行弹性屈曲稳定分析，得到了各工况下结构的弹性屈曲稳定安全系数，如表2所示。在施工阶段的裸塔状态及最大双悬臂状态，失稳模态均表现为索塔纵桥向失稳；成桥运营阶段，失稳模态表现为索塔纵桥向失稳与主梁竖向失稳。施工及运营阶段，稳定安全系数最小为24。从表2可知，主桥结构在各阶段均有足够的稳定安全系数。

表2 主桥各工况弹性屈曲稳定系数

3.6 抗震验算

本工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，根据地震安全性评价报告提供的反应谱，对主桥进行动力分析和地震验算。经验算，在E1地震作用下，各构件均处于弹性状态；在E2地震作用下，边墩柱、上塔柱与塔横梁作为延性构件进入塑性状态，但塑性变形和抗剪强度均满足规范要求，边墩盖梁、主梁、斜拉索、塔墩以及基础作为能力保护构件，在强度允许范围内；支座、挡块和伸缩缝的设置均能满足地震变形的需求。

4 结语

组合梁斜拉桥为高次超静定结构，结构体系较为复杂。主梁施工方案对组合梁斜拉桥施工阶段、成桥阶段以及运营阶段的内力状态影响很大。本工程根据项目建设的需要，对主梁的施工方案、施工工序和斜拉索张拉力进行了变更设计，并对桥梁的施工阶段与运营阶段各个工况进行了验算，各项指标均满足规范要求。本工程在保证结构安全合理的前提下，最大限度地减少了施工现场已采购项目的浪费，而且大大节省了施工周期。希望研究结果能为类似工程提供参考。