不对称双悬臂混合梁斜拉桥主梁施工方法研究

姚 森

(中铁大桥局集团有限公司 武汉 430050)

1 工程概述

迫龙沟特大桥为156 m+430 m+156 m的双塔双索面、边跨无辅助墩的混合梁斜拉桥，全桥总长743 m，见图1。桥梁位于西藏林芝境内，距迫龙沟沟口上游约100 m[1]。桥位处为迫龙沟冰川泥石流活动频繁地段，成都侧边跨处于横向斜坡地带，山体十分陡峭且边坡稳定系数小，拉萨岸地势较为平坦，为历史上多次泥石流堆积形成，两岸均不适合设置辅助墩[2]。

图1 桥式布置图(单位：m)

中跨组合梁由钢主梁、横梁、小纵梁及预制混凝土桥面板组成，Z0为钢-混结合段，Z0～Z17为组合梁节段，Z18为中跨合龙段。钢梁标准段长12 m，纵梁、横梁、小纵梁均为工字形断面，其中纵梁高2.2 m，横梁高2.2～2.331 m，小纵梁高0.3 m，组合梁桥面板为C50预制混凝土板，桥面板厚度为28 cm，中跨半跨组合梁总重35 500 kN[3]。

边跨预应力混凝土主梁采用双边肋断面结构，B0为墩顶节段，B1～B17为边跨节段。主梁中心高度2.62 m，全宽14.3 m，顶板厚28 cm，标准梁段长8.5 m，每梁段设有2道横隔板，一侧边跨混凝土主梁总重88 040 kN，边跨混凝土梁段重量约为中跨组合梁段重量的2.5倍。

2 主梁施工方案比选

混凝土梁斜拉桥的主梁一般采用牵索挂篮对称双悬臂浇筑，组合梁斜拉桥主梁一般采用架梁吊机双悬臂拼装，而混合梁斜拉桥的主梁施工，鉴于边跨与中跨结构重量的差别，边跨混凝土主梁施工一般采用现浇支架法，待主梁强度达到设计要求后，悬臂安装主跨侧主梁，再对称挂设斜拉索。

根据桥梁结构的特点、桥位处自然环境、机械设备资源等因素，经分析研究，提出了以下3种施工方案：①边跨牵索挂篮悬浇，中跨架梁吊机悬拼；②边跨支架现浇，中跨架梁吊机悬拼；③边跨支架现浇，中跨缆索吊机整节段吊装[4]，从施工安全、经济、技术创新等因素出发，通过层次分析法[5]进行比选以确定最优方案。

2.1 方案说明

1) 方案1。边跨采用牵索挂篮悬浇，中跨采用架梁吊机悬拼。本方案边跨混凝土梁采用牵索挂篮悬臂浇筑，中跨组合梁采用架梁吊机悬臂拼装并配置平衡重的双悬臂施工方案，见图2。在边跨B1梁段顶面安装提升站，在主跨结合段处安装架梁吊机。钢梁及预制桥面板等构件由提升站提升到桥面后，使用运梁小车运输至中跨待架位置。

边跨B1，B0梁段及Z0钢-混结合段，在主墩设置墩旁托架进行现浇；B2～B14节段采用牵索挂篮悬臂浇筑；由于成都侧B15～B17节段位于圆曲线之上，设有4%的超高，结合两岸的地势，采用部分支架现浇较为合适。中跨Z0节段利用塔吊在墩旁托架上安装，Z1～Z18节段利用架梁吊机悬臂拼装。

图2 方案1上部结构施工总体布置图(单位：m)

2) 方案2。边跨全部采用支架现浇，中跨采用架梁吊机悬拼。混合梁斜拉桥的主梁施工，边跨混凝土主梁一般采用支架分段现浇，中跨主梁采用单悬臂拼装，再对称挂设斜拉索。本方案的墩顶节段(B1，B0及Z0)托架现浇、梁面提升站及吊机、构件运输、中跨主梁拼装等施工方法和总体布置与方案1相同，仅边跨节段全部采用支架进行现浇，见图3。

图3 方案2上部结构施工总体布置图(单位：m)

由图3可见，方案2在两侧边跨搭设钢管支架，支架基础采用人工挖孔桩。成都岸边跨支架处于陡坡之上，无法开挖便道，支架搭设采用钓鱼法从0号桥台向1号主塔方向推进，拉萨岸地形开阔有施工便道，可直接用吊机在便道上完成支架安装。

3) 方案3。边跨采用支架现浇，中跨采用缆索吊机整节段吊装。在方案1和方案2中，中跨钢梁均采用架梁吊机进行单件悬拼，每节段钢梁构件较多(2根主梁、3根横梁、3根小纵梁、2段风嘴)，高空作业不易定位，安装周期较长。

本方案将钢主梁、横梁、小纵梁、风嘴在成都侧钢梁拼装台上组拼成一个节段，采用1 000 kN缆索吊机进行整节段吊装，可减少高空拼装时间和安全风险。利用塔柱处提升站起吊桥面板，在桥面设置移动式门吊进行安装。边跨支架布置及施工方法同方案2，见图4。

图4方案3上部结构施工总体布置图(单位：m)

2.2 方案优缺点

通过以上分析和比较，本桥主梁施工方案方案的优缺点见表1。

表1 主梁施工方案对比表

2.3 层次分析法评价

采用层次分析法，考虑影响主梁施工方案比选的各个因素，对3种施工方案进行客观、全面的评价。

1) 评价指标的选择。在桥梁施工过程中，安全、经济及技术创新等因素对方案的优劣性具有较大的影响程度。针对边跨主梁重量是中跨主梁的2.5倍，且边跨无辅助墩，施工过程中对主塔施工应力和线形控制难，以及两岸山体的特殊地质和地形条件等因素，选择了7项比选评价指标，见图5。

图5 主梁施工方案比选指标体系

2) 构建判断矩阵，计算特征向量与一致性检验。根据以上递阶层次结构，引入1～9重要性标度值，构建判断矩阵，赋值计算特征向量W，并进行一致性检验。

利用求和法，近似计算AHP法的判断矩阵特征向量，即A～B层次特征向量W=(0.677，0.226,0.097)；通过矩阵运算求解器，得到最大特征值λmax=3.065，CR=0.056<0.1。同样方法可以得到B1～Ci，B2～Ci,B3～Ci的特征向量W、最大特征值λmax及CR检验值。

3) 层次总排序。在同层次各要素的相对重要性关系的基础上，进行各层级要素对总体的综合评价。取最终评价结果D中最大值对应的方案为最佳方案。

首先计算第二层对第一层(目标层)的权向量，W(2)=(0.442,0.088,0.147,0.188,0.038,0.073,0.024)，依次获得层次C对层次B，层次D对层次C的综合重要度。最终获得3种方案的总排序权重，见表2。

表2 层次D总排序权重

由表2可见，层次D总排序权重W(3)=(0.588,0.261,0.155)。即3种方案的优劣顺序为：D1，D2，D3，且方案1明显优于其他2种方案，因此，选择方案1为实施方案。

3 不平衡力矩控制措施

3.1 桥梁结构特点

1) 桥梁位于迫龙沟冰川泥石流活动频繁地段，成都侧山体陡峭，边坡稳定系数小，拉萨侧山体为多次泥石流堆积形成，两岸均不适合设置辅助墩。

2) 桥梁边跨混凝土梁重量是中跨钢混组合梁重量的2.5倍，悬臂浇筑时，具有桥塔两侧受力高度非对称特性。

3) 桥梁无辅助墩，在双悬臂施工过程中，桥梁横向抗风性能差[6-7]。

4) 桥面全宽13.8 m，中跨全长压重后，桥面运输通道狭小，影响施工。

3.2 施工阶段线形控制

本桥如采用常规的双悬臂对称施工，通过有限元模拟计算，主塔在不考虑温度荷载的情况下，1号主塔(高147 m)的最大偏位达43 cm，在整体升温10°时，塔顶最大偏位约56.8 cm。由于主塔偏位较大，主梁线形控制非常困难，需要采取措施减小主塔两侧的不平衡力矩。一般采取在中跨主梁压重方式，经计算，中跨压重约50 kN/m。如此巨大的压重，其材料组织、搬运、拆除都相当困难，另外，压重物还占用桥面，影响运输通道，因此，中跨全长配重方案不具备可操作性。

通过分析计算，在边跨合适位置设置临时墩[8]，主跨尽量不压重的条件下，可控制主塔两侧的不平衡力矩。受地形地质条件限制，成都侧边坡极不稳定，本侧仅在距塔中线27 m左右位置有一块较为完整的基石，适合做临时墩基础，但此位置距主塔太近，对主梁两侧的不平衡力矩影响有限，并不能明显降低塔顶偏位。

综合考虑以上问题，结合桥位地形地质条件，在满足结构安全的前提下，通过优化施工工序，中跨钢梁安装超前边跨现浇梁1个节段、在边跨距主塔中线27.75 m处设置1处临时墩，以及塔梁临时固结等技术措施，来控制两侧主梁对主塔的不平衡力矩，以达到减小塔顶偏位，降低主梁线形控制难度的目的[8]，见图7。

图7 主梁不对称施工总体布置(单位：m)

经有限元模拟分析计算，采用上述控制措施后，当边跨悬浇至B6节段、中跨悬拼至Z7节段，完成斜拉索的张拉时,1号主塔塔顶向中跨最大偏位150 mm,2号主塔塔顶向中跨最大偏位141 mm；中跨合龙后，浇筑完成Z16节段湿接缝，并张拉16号斜拉索，1号主塔塔顶向边跨最大偏位222 mm，2号主塔塔顶向边跨最大偏位204 mm；二期恒载施工完成后，1号主塔塔顶向边跨偏位85 mm，2号主塔塔顶向边跨偏位80 mm；10年收缩徐变完成后，在恒载作用下主塔基本处于竖直状态。

4 结语

针对本桥边跨与中跨主梁不同的结构形式及边跨无辅助墩的特点，结合桥位处特殊地形及地质条件，通过方案比选，选择了边跨采用牵索挂篮悬臂浇筑(边跨部分支架)，中跨采用架梁吊机悬臂拼装的总体方案。通过计算分析，优化了主梁施工步骤，采取边跨设置临时支墩、中跨钢梁超前边跨拼装一个节段，取消了在中跨全长配重。

本桥的不对称双悬臂施工混合梁斜拉桥的施工方法，有效地降低了两侧主梁对主塔的不平衡力矩，减小了桥塔在施工阶段的应力及偏位控制难度，增加了施工阶段的抗风稳定性，解决了两岸山体地质环境的保护问题。该施工方案安全、经济、环保，可为同类桥梁的施工提供参考和借鉴。