组合梁斜拉桥主梁悬臂施工过程的体系转换分析

戴 颖

（长沙理工大学土木工程学院 长沙410114）

0 引言

斜拉桥是大跨度桥梁中应用较多的一种桥型，对于斜拉桥辅助墩设置的研究已有一些成果。研究表明，对于大跨度PC 斜拉桥，在合理的位置设置辅助墩能很好地改善结构的受力和变形［1］；对于大跨度半漂浮体系的叠合梁斜拉桥，辅助墩的形式、设置位置、设置数量对斜拉桥的内力变形影响很大，针对此做出了一些优化方案［1-3］。此外，钢箱梁斜拉桥临时墩设置的机理与原则也已有详细的研究［4，5］。但是对于辅助墩施工阶段的详细工序，如主梁标高调整、临时墩的设置与拆除，以及临时墩处调节装置的利用等还没有详细的静力分析［6-8］，而在施工过程中，由于桥梁结构复杂的体系转换，这些细节的分析非常关键。

尤其由于组合梁斜拉桥的截面特性，钢主梁与混凝土桥面板的共同受力情况是需要考虑的难点。本文就某大跨度组合梁斜拉桥过辅助墩的要点、难点进行计算分析，结果表明，利用临时墩处设置的主动调节装置调节临时墩支座支反力，既可以抵抗由混凝土桥面板增厚引起的不平衡荷载，又能调节连接辅助墩前主梁的标高，且主梁内力得到有效分配，充分展示了组合梁截面的优良性能，为组合梁斜拉桥辅助墩施工提供相关理论依据。

1 工程概况

某斜拉桥主桥为双塔双索面斜拉桥，半漂浮体系，其桥型布置为（90+240+720+240+90）m 钢混组合梁斜拉桥，主塔墩为3#、4#墩，主塔为H 型塔，平面索面，两岸各设置1 个辅助墩和1 个边墩，以720 m 主跨跨越河槽，南辅助跨240 m作为备用通航孔，进一步覆盖可通航水域，北侧辅助跨240 m跨越北岸长江大堤，具体桥型布置如图1所示。

图1 斜拉桥桥型Fig.1 Bridge Type of Cable-stayed Bridge

BDCMS 系统是在微机上实现的桥梁结构设计与施工控制计算软件，虽无直观图示界面，但计算文件方便编辑，是通过湖南省长沙湘江北大桥、安徽铜陵长江公路大桥、江西南昌新八一大桥、武汉江汉四桥、广西南宁邕江三桥、广州鹤洞大桥、湖南岳阳洞庭湖大桥、江西九江鄱阳湖口大桥、湘潭湘江三大桥、湖北荆州长江大桥等10 多座大型桥梁的设计与施工控制计算工作，经不断完善，最后总结出来的一套系统，具有相当的可靠性，该软件采用正装迭代法计算合理施工状态。

本斜拉桥南北大致对称，为了方便说明，以下计算及分析取1/2桥梁（北侧）进行，计算模型如图2所示。

图2 1/2主梁立面Fig.2 Elevation View of 1/2 Composite Beam

2 过辅助墩体系转换要点

2.1 临时墩的设置

主梁在双悬臂过程中，架设至ZL14 节段后，边跨主梁进入桥面板加厚段，开始出现不平衡荷载。至主梁上辅助墩前，最大不平衡荷载约为580 t。在此不平衡荷载作用下，主梁线形无法通过斜拉索调节，主塔因不平衡荷载作用悬臂端向边跨偏移476 mm。同时，临时水平杆内力也达到464.5 t，利用主梁现有阻尼器牛腿无法实现。需采取在边跨侧ZL14 节段位置设置临时墩，通过设置竖向支撑的方式以抵消边跨桥面板加厚段造成的不平衡荷载，同时增加抗风。

临时墩分为下部结构、上部结构、竖向反力调节装置3部分。

3#墩处辅助跨临时墩基础采用混凝土扩大基础，下部结构包括：扩大基础、钢管桩、联结系、桩帽。

4#墩处辅助跨临时墩基础采用插打钢管桩基础，下部结构包括：钢管桩、联结系、桩帽。

上部结构包括：横向分配梁、纵向分配梁，防护栏杆。竖向反力调整装置包括：400 t千斤顶、油泵设备等。

2.2 过辅助墩主要工序

2.2.1 塔区支承体系转换

临时墩设置在ZL14节段下方，ZL14节段为钢主梁与桥面板渐变节段，节段长16 m，桥面板部分为预制桥面板，部分为现浇桥面板，厚度从26 mm 到59 mm 变厚。由于垫石只能受压不能受拉，而施工过程中的不平衡荷载变化复杂，为了避免出现支座脱空的情况，结构过临时墩之前，需要安装塔区永久支座，拆除塔区竖向抄垫，完成塔区支座体系转换。

2.2.2 临时墩与主梁的连接

首先是临时墩支座与钢主梁的连接，随后按照施工工序，张拉斜拉索，施工桥面板，浇筑湿接缝。

2.2.3 临时墩顶升

对于悬臂的增大，混凝土桥面板厚度递增，利用辅助墩处支座顶升来抵抗桥面板的不平衡重量［9］。

2.2.4 临时墩的降落除了抵抗不平衡荷载和抗风［10］，临时墩另一个主要的作用是在过辅助墩主梁悬臂施工的体系转换过程中，利用支座处千斤顶调节主梁标高，使主梁与辅助墩顺利连接。

2.2.5 临时墩连接的拆除。

3 受力分析

在此方案中，为了优化全桥受力和线形，南北两侧各设置1个辅助墩2#、5#墩。

3.1 临时墩与主梁的连接

主塔墩顶约束装置如图3所示。由于不平衡荷载的增加，施工阶段3#主塔抄垫支反力如表1所示，塔区抄垫边中跨相差越来越大，江侧垫石反力最小为19 t。而施工现场与设计计算难免有所偏差，为了规避抄垫脱空的情况，提前进行了塔区体系转换，工序为：安装永久支座，此时永久支座暂不受力；永久支座安装到位后，拆除两侧竖向抄垫，主梁传递给主塔墩的力由永久支座承担。

图3 主塔墩顶临时约束示意图Fig.3 Schematic Diagram of Temporary Restraint on the Top of The Tower Pier

表1 施工阶段3#主塔抄垫支反力Tab.1 The Reaction Force of the 3#Main Tower in the Construction Phase（kN）

3.2 临时墩顶升

ZL14节段落位临时墩，通过临时墩设置的主动调节装置，控制竖向支反力抵抗边中跨主梁的不平衡荷载。根据计算模型施工模拟（北塔临时墩调节装置顶升495 mm、南塔临时墩调节装置顶升431 mm），对于这一工况，可能带来主梁截面局部应力变化，需要进行量化分析。

支座顶升会对边跨钢主梁应力产生较大影响，而对中跨钢梁与混凝土桥面板几乎没有影响。由图4可以看出，在临时墩支座处用千斤顶顶升，在临时墩墩顶未架设桥面板的节段，钢梁主应力出现较大的局部变化，最大应力增量可达46.08 MPa，这是由于钢主梁单独受力而出现的局部应力变化；对于已施工混凝土桥面板的节段，钢梁与混凝土桥面板之间的主应力相对变化量在10 MPa以内。

图4 支座顶升主梁应力变化Fig.4 Stress Changes of the Composite Beamwhen the Support is Lifted （MPa）

支座顶升会对边跨主梁内力产生较大影响，由图5可以看出，在临时墩支座处用千斤顶顶升，会使得钢梁弯矩出现很大的变化，尤其在邻近千斤顶的主梁截面，截面上钢主梁弯矩出现大幅度增加。支座顶升后，主梁轴向压力有所减小，混凝土桥面板轴向压力增加，符合组合梁受力性能特点，使钢主梁抗弯性能与混凝土桥面板抗压性能得到充分利用。

图5 支座顶升钢主梁内力变化Fig.5 The Internal Force Change of the Support Jacking Steel Composite Beam （kN）

3.3 临时墩的降落

过辅助墩时主梁标高的调整是一控制难点。钢主梁与辅助墩连接时，首先将支座下半部分提前安装于支座垫石顶面，临时抄垫、钢梁和支座上半部分通过螺栓临时固定一起吊装，精确调整本节段主梁线形，使支座上下部分吻合，最后将支座下半部分灌浆，上半部分与钢梁螺栓锚固。

如有上下部分标高的相对高差而强制连接，可能产生结构内力和变形的偏差。为了达到过辅助墩的设计标高，在施工控制计算确定合理施工状态时，通过调整合理的斜拉索张拉力，且利用临时墩位置设置的调节设置调节主梁悬臂端标高（北塔临时墩调节装置下降564 mm、南塔临时墩调节装置下降518 mm），使钢主梁拼接时悬臂梁端部的累计位移为0（见图6），以避免主梁与辅助墩强制连接。

根据组合梁斜拉桥的施工特点，主梁与辅助墩连接时首先是辅助墩永久支座与钢主梁的连接，辅助墩支座进入使用阶段。

图7中结果表明，在标高控制精确的情况下，连接辅助墩与钢梁对混凝土桥面板应力几乎没有影响，对钢梁应力的影响，最大应力变化在30 MPa 以内。辅助墩墩顶与钢主梁连接前后，钢主梁竖向位移变化如图6 所示。结合辅助墩与墩顶钢梁后，中跨主梁竖向位移有所减小，钢主梁与混凝土桥面板的共同受力进行了重新分配（见图8），钢主梁所承担轴向压力增加，混凝土桥面板承担轴向压力减小。

图6 结合辅助墩主梁竖向位移Fig.6 Vertical Displacement of Composite Beam of Combined Auxiliary Pier（mm）

图7 连接辅助墩主梁应力变化Fig.7 Stress Changes in the Composite Beam of the Connecting Auxiliary Pier（MPa）

图8 结合辅助墩主梁轴力增量Fig.8 Combined Auxiliary Pier Composite Beam Axial Force Increment（kN）

在此过程中，索塔偏位变化十分明显（见图9），索塔根部弯矩变化也很大。在此阶段监控过程中须做好塔偏的监测。

3.4 临时墩连接的拆除

辅助墩与主梁连接前，临时墩通过支座与主梁的连接起到支承作用。

如图10 所示，在辅助墩连接前，临时墩支座反力北侧最大正反力为4 610.689 kN，南侧最大为4 236.330 kN，此时临时墩墩顶受压；临时墩支座最大负反力出现在连接辅助墩与钢主梁时，北侧为-155.237 kN，南侧为-156.260 kN（见表2），此时临时墩墩顶受拉，边跨支承由临时墩转换为辅助墩。为了防止支座出现负反力超过支座限值而出现脱空，同时避免辅助墩出现挑扁担式的受力，应在辅助墩与钢主梁连接后，解除临时墩约束。

图9 过辅助墩各施工节段塔偏Fig.9 Tower Deviation of Each Construction Section of Auxiliary Pier（mm）

图10 辅助墩、临时墩、主塔支反力历程Fig.10 Auxiliary Pier，Temporary Pier，Main Tower Support Reaction Force History（kN）

表2 临时墩支座反力计算结果Tab.2 Calculation Results of Reaction Force of Temporary Pier Support

4 结论

⑴对于组合梁斜拉桥，用调整临时墩支座支反力的方式调整过辅助墩标高是可行的，钢主梁与混凝土桥面板之间的受力性能可以得到很好利用，但要注意悬臂端新架设钢主梁的局部应力变化。

⑵通过计算，当桥梁施工到ZL14 节段时，塔部抄垫由于不平衡荷载中跨塔部抄垫反力过小，为规避现场施工与设计计算的偏差带来的影响，可以提前进行塔部支承体系转换。

⑶辅助墩支座与钢主梁连接后，为避免出现负支反力导致支座脱空而改变结构受力，应及时拆除临时墩与钢主梁的连接。