无背索斜拉桥结构设计优化对施工过程的影响

（中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050001）

一、引言

无背索斜拉桥结构的合理状态取决于倾斜主塔和主梁重量之间的充分平衡，如果主梁采用自重较大的混凝土结构，则相应地需要主塔提供较大的倾覆力矩，通过拉索使体系平衡。必要时，可以通过设置主塔横梁获得更大的倾覆力矩，也使结构各部尺寸比例恰当，满足结构平衡和外形美观的双重要求。本文以某全混凝土无背索斜拉桥为例，分析轻主塔重横梁和重主塔轻横梁这两种设计方案对施工过程的影响，从施工角度确定设计方案，实现结构安全下的施工效益最大化。

二、工程概况

依托桥梁为跨径80m+40m的无背索斜拉桥，墩梁塔固结形式。主梁双室截面的预应力混凝土箱梁，主塔采用实心混凝土矩形截面，倾角59°，顺桥向宽度5.0m～8.5m，桥面以上塔高约66m，主塔顶设置3道横梁，横梁高度为3m。全桥布置13对拉索，由长到短为C1～C13。桥型布置图如图1所示，桥梁主塔共分为10个节段，第3节段至第9节段张拉拉索，主塔施工完毕后依次施工3道横梁。主梁采用满堂支架法施工，主塔采用落地支架辅助的翻模法施工。

图1 依托工程桥跨立面布置图 （单位：cm）

三、设计方案与模型建立

（一） 两种设计方案

按主塔和横梁提供倾覆力矩的贡献不同，拟定了两个满足设计要求的构造方案。方案一为轻主塔重横梁方案：主塔顺桥向长度5m～8.5m，横桥向宽度为2.5m，横梁截面3m×3m；方案二为重主塔轻横梁方案：主塔横桥向宽度增加至3m，横梁宽度减小至1.7m。

为了实现最终的成桥状态，必须控制每个施工阶段的张拉索力和立模标高，使控制结果既能满足成桥后的结构受力、线形要求又能满足施工阶段结构的受力要求。这两种结构设计方案采用不同的主塔和横梁重量分配方式，进而影响桥梁构件的截面刚度和桥梁内力分布，也必然会改变施工过程控制参数，在施工阶段反映出不同的响应特点。

（二）模型建立

本文采用Midas Civil进行正装模拟分析，主塔采用变截面梁单元模拟，以准确模拟实际刚度，尤其是对位移影响较大的抗弯刚度。

四、分析方法及初拉索力

斜拉桥的结构特点决定了每根索的内力变化均会引起结构的内力变化，斜拉索初张力和其后期调整索力确定后才能根据主梁的累积位移给出主梁立模或放样高程等施工过程的各技术参数。核心问题是确定斜拉索初张拉力，主要方法有倒拆计算方法、倒拆-正装迭代法，正装迭代法和无应力状态法等。本文采用正装迭代法计算得到C1～C13初拉索力值。两种设计方案的初拉索力对照图如图2所示。

图2 初拉索力对比图

方案二与方案一相比：主塔重量增加1211t，横梁重量减少776t，塔以上总重增加435t，其拉索力也随之增加，增加幅度在1.4%～11.9%，长索索力增加明显。初张拉时安全系数满足规范不小于2.5的要求。

五、对施工过程的影响分析

以下通过施工过程中方案一和方案二桥梁线形和内力的计算对照，分析结构设计方案差异对桥梁施工的影响。

（一）对主梁挠度的影响分析

图3 主梁挠度对比图

图4 主塔最大偏位对比图（边跨方向为正）

如图3所示，主塔及横梁重量的不同分配方式对主梁影响整体上较小，该影响主要反映在主塔端部施工时。

（二）对主塔偏位的影响分析

方案二主塔抗弯刚度相对方案一增加1.2倍，如图4所示，方案二主塔各阶段的偏位均处于方案一主塔偏位的范围内，表明主塔抗弯刚度增加后施工时主塔偏位变小，这对于控制主塔位移较为有利。方案一在主塔浇筑第一道横开始，位移变化明显大于方案二，且成桥后位主塔位移近20cm，说明对方案一主塔和横梁重量重新分配增加主塔刚度是必要的。

图5 塔根截面应力对比图

图6 索力应力对比图

（三）对主塔关键截面应力的影响分析

塔根部为关键应力控制截面，如图5所示，方案一因主塔横梁配置集中、重量大，而主塔抗弯刚度相对小，导致塔根下缘应力超限，最大拉应力4.7MPa，存在混凝土开裂风险，应采取分次张拉或调整施工顺序等措施以保证施工安全和质量。方案二主塔上缘和下缘拉应力均有所减小，下缘拉应力降低明显。

（四）对各阶段索力的影响分析

如图6所示，方案二在各施工阶段的索力值随塔重增加而有所增加，相对方案一最大增幅10.3%。两方案索力安全系数均满足规范要求。

六、结语

方案一横梁较重且配置集中，而主塔刚度相对较小，对主塔和横梁重量重新分配并增加主塔刚度是必要的。

方案一塔根部混凝土最大拉应力4.7MPa，有开裂风险，必须采取调整施工顺序、分次张拉等有效措施。

方案二主塔刚度增加后，主塔偏位和主梁挠度减小，对线形控制有利；施工过程主塔应力变化幅度小且处于安全范围，对施工过程安全有益。这反映了不同结构设计方案的塔身刚度和横梁重量的变化对施工阶段塔根应力的直接影响。

方案二比方案一总体上增加混凝土用量164m3，但减少了三道横梁高空混凝土浇筑作业量293m3，整体上施工费用相当。

综合考虑施工过程安全、施工质量可控，施工费用节约等因素，推荐选用方案二，即重主塔轻横梁方案。