瓯江特大桥悬浇施工过程斜拉索索力张拉控制技术

林南昌，丁兆峰，陈舜东，邹春蓉

(1.浙江乐清湾铁路有限公司，浙江 温州 325002；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

现代斜拉桥多属于密索体系，PC斜拉桥的索距一般在5～8 m，大部分PC斜拉桥都采用牵索挂篮进行分节段悬臂浇筑施工。牵索挂篮充分利用了现代斜拉桥结构的特点，采用斜拉索作为挂篮的牵索，为挂篮提供支撑。设置牵索不仅减轻了挂篮的重量，也增加了主梁施工节段的长度。采用牵索挂篮悬浇施工的PC斜拉桥，施工现场最主要的工作是混凝土节段的悬浇和斜拉索的挂设与调整[1-2]。

主梁进行悬灌浇筑时，一般都是在混凝土浇筑过程中通过几次张拉牵索，及时将混凝土重量通过牵索挂篮传递给索塔，以减轻悬臂主梁及挂篮的负担，确保主梁及挂篮施工过程安全。对于大跨度PC斜拉桥，当主梁节段混凝土方量较大时，在多数情况下还需要在节段混凝土浇筑过程中进行斜拉索索力调整作业。为保证节段混凝土浇筑质量，要求节段混凝土连续不间断浇筑，节段混凝土的浇筑引起桥上荷载变化，而且量值极难准确把握。如果以索力作为混凝土浇筑过程中调索的依据，很难取得较好的效果[3]。本文以瓯江特大桥为背景，对预应力混凝土斜拉桥悬浇施工过程索力张拉控制方法进行研究。

预应力混凝土斜拉桥由于具有经济节约、结构刚度大、维修养护工作量小且费用低等优势，在200～500 m 的经济适用跨度范围，广泛应用于公路、市政桥梁。铁路混凝土斜拉桥仅应用于少数几座中小跨度桥梁(主跨小于150 m)，但在大跨度铁路桥梁上未见应用。

1 工程背景

瓯江特大桥跨瓯江，主桥为温州乐清湾港区铁路的控制性工程。根据项目交通功能、线路标高、梁高限制、桥位地形条件、通航防洪、入海口的海洋环境等建桥条件，并以经济节约为原则，主桥采用跨径组合为(52+90+300+90+52)m的双塔双索面半漂浮体系预应力混凝土斜拉桥，目前为世界最大跨度铁路预应力混凝土斜拉桥，见图1。

图1 瓯江特大桥主桥立面(单位：cm)

主桥主梁共分为75个节段。其中G0，MG1，SG1,SG19梁段采用支架现浇,边跨合龙段2个(SG18),中跨合龙段1个(MG19)。牵索挂篮悬浇66个梁段，其中边跨侧主梁悬浇段节段编号为SG2—SG17，中跨侧悬浇段节段编号为MG2—MG18，悬浇梁段长8 m。在每个悬浇梁段施工过程中进行3次斜拉索张拉作业，即挂篮就位进行初张,混凝土浇筑1/2后进行第2次张拉,预应力张拉完毕后进行第3次张拉。悬臂现浇至成桥合龙过程中，索力多次调整，结构体系不断转换，控制难度大，结构受力复杂。

2 悬浇施工过程索力张拉控制方法研究

本桥在牵索挂篮调整到位后需要挂设斜拉索，并在梁端对称进行斜拉索第1次张拉，由于塔、梁单元的实际位置会影响斜拉索两端锚固点的几何距离，故斜拉索挂设时以索的张拉力作为控制参数[3]。

在节段混凝土浇筑施工时，需要在混凝土浇筑50%时调整索力，在这种荷载条件下可以计算需要调整的索力值与斜拉索无应力长度之间的关系，再换算成拉索在梁端或塔端的拔出量(回缩量)进行控制。施工现场操作时，节段混凝土浇筑至50%左右的时段内(混凝土方量的估计不需要很准确)，用千斤顶把需要调整的斜拉索锚头拔出或放回至预先设定的数值即完成调索工作。斜拉索调整完成时，斜拉索索力可能不是结构施加50%梁段重量的索力值，但当全部节段混凝土浇筑完毕后，索力会自动达到节段混凝土浇筑完成的索力值。

预应力张拉完毕后，将牵索索力由挂篮转至主梁上，并在塔端进行第3次索力张拉，此时仍采用拔出量(回缩量)的方法进行索力控制，并采用索力动测仪及千斤顶油表对斜拉索索力进行验证。

1)结构仿真计算分析

采用桥梁计算软件MIDAS对桥梁结构进行计算[4-5]。在前2次张拉斜拉索、浇筑混凝土时，主梁仅产生重量而无刚度，因此在仿真分析时需在挂篮上进行斜拉索的张拉，此挂篮单元的刚度通过挂篮预压试验确定。主梁标准梁段的计算工况为：安装挂篮(以挂篮荷载方式施加)；安装虚拟梁单元(无重量，通过此单元节点变形并考虑挂篮变形的修正后，可以看出施工过程主梁前端变形)；第1次张拉斜拉索；浇筑1/2 混凝土(以梁段荷载方式施加)；第2次张拉斜拉索；浇筑剩余1/2混凝土(以梁段荷载方式施加)；张拉该梁段预应力；第3次张拉斜拉索；挂篮前移。

2)结构中间施工理想状态确定

施工阶段仿真计算分析时，先假定一个张拉索力，按正装计算得到一个成桥状态，将该成桥状态与事先定好的合理成桥状态比较，按最小二乘法原理使2个成桥状态相差最小，以此来修正张拉索力，再进行新的一轮正装计算，直到收敛为止[6-7]。通过计算分析，计算出各个施工阶段斜拉索的目标索力及梁段节点的理论坐标位置。

3)斜拉索无应力索长及拔出量(回缩量)计算

3次张拉后斜拉索塔至梁锚点间的水平长度l1,l2,l3分别为

(1)

(2)

(3)

第3次张拉后斜拉索塔至梁锚点间的竖直高度为

h1=|Z1，i-Z1，j|

(4)

h2=|Z2，i-Z2，j|

(5)

h3=|Z3，i-Z3，j|

(6)

按照悬链线索长计算公式，锚点之间斜拉索的曲线长度L为[8-9]

(7)

式中：双曲线正弦函数sinh(γ)=1/2(eγ-e-γ)。

设此状态下斜拉索无应力长度为L0，则张拉后斜拉索锚固点之间的曲线长度计算如下

(8)

式中：T为斜拉索的索力平均值；E0为斜拉索材料弹性模量；As为斜拉索的截面面积。

根据式(8)求得

(9)

通过式(9)计算出每次张拉后斜拉索无应力长度，分别为L1,0,L2,0,L3,0。

第1次张拉以索的张拉力作为控制量；第2次、第3次张拉以斜拉索拔出量(回缩量)的方法进行索力控制，按式(10)—(11)计算。

第2次张拉时斜拉索拔出量(回缩量)为

L2,b=L2,0-L1,0

(10)

第3次张拉时斜拉索拔出量(回缩量)为

L3，b=L3，0-L2，0

(11)

3 索力控制效果评价

根据上述索力张拉控制方法，对瓯江特大桥17#索塔、边跨S2#～S8#及中跨M2#～M8#斜拉索3次张拉后，斜拉索无应力长度进行了计算，并根据斜拉索3次张拉的无应力长度，计算出第2次张拉、第3次张拉斜拉索拔出量，结果列于表1。

表1 斜拉索无应力索长L0及拔出量Lb m

在斜拉索张拉实施过程中，按照表1斜拉索拔出量对2次张拉、3次张拉索力进行控制，并以第3次张拉作为评价工况，采用索力动测仪及千斤顶油表对斜拉索索力控制情况进行了评价。本文对边跨S2#～S8#及中跨M2#～M8#下游侧斜拉索评价结果详见表2、图2。

表2 斜拉索目标索力值与测试索力值对比

由表2可知，各索力偏差均满足小于4%的误差要求，其中M2#索偏差最大，为2.7%，其他均在2%内。测试索力与目标索力吻合较好，索力状况符合设计要求，为后续索力控制奠定了基础。

4 结语

在斜拉桥的施工中，索力的调整和实现是非常重要和关键的。牵索张拉力是悬浇施工中最活跃的因素之一。本文基于PC混凝土斜拉桥采用牵索挂篮悬浇施工过程的分析，提出了悬浇施工过程斜拉索索力的控制方法。首先通过有限元计算分析确定结构中间施工理想状态。由于塔、梁单元的实际位置会影响斜拉索两端锚固点的几何距离，在桥梁施工现场操作时，斜拉索挂设时的初张拉采用张拉千斤顶控制张拉索力。其后斜拉索的索力调整则全部以斜拉索的无应力长度变化为调整基础，以锚头拔出量或回缩量进行索力控制，实现PC混凝土斜拉桥悬浇施工过程索力的精确控制和施工过程多工序同步作业。在局部或全桥调索时亦可采用本方法。