七都大桥北汊桥辅助墩合龙方案优化分析

沈 东 王 杰 胡逸凡 杨玉满

(1.温州市七都大桥北汊桥建设有限公司 温州 325000；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034； 3.中铁大桥科学研究院有限公司 武汉 430034)

叠合梁斜拉桥充分发挥了混凝土抗压性能好、钢材抗拉压性能好的材料特性，使其具有自重轻、跨越能力强等优势，在桥梁建设中应用越来越广泛[1-3]。随着跨度的增加，往往在边跨合适位置设置辅助墩，来改善结构的静力和动力特性，降低施工风险[4-5]。

辅助墩的设置改变了悬臂施工阶段的吊装工序，为了顺利通过辅助墩，通常做法是在辅助墩旁搭设临时支架或托架，将墩顶梁段提前放置于墩顶，合龙前采用三向千斤顶调整墩顶梁段位置，调整到位后安装与悬臂梁连接合龙。但当遇到工期紧、辅助墩墩顶操作空间受限、支架或托架局部承载力较弱时，此方法往往会影响合龙精度或施工进度，甚至影响支架安全。本文以温州市七都大桥北汊桥工程为背景，为克服此方案的弊端，提高拼装精度和保证施工进度，对原设计方案进行了优化，大桥于2020年1月10日顺利实现辅助墩合龙。该优化方案可为供类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

七都大桥北汊桥主桥设计为58 m+102 m+360 m+102 m+58 m双塔中央索面叠合梁斜拉桥。采用五跨连续半漂浮体系，空间密索型布置。主桥主梁分为近塔段(T节段)、标准段(22对)、合龙段(MH)，主梁采用钢梁与混凝土桥面板组合梁，二者通过剪力钉相结合。桥面板宽度为37.62 m，梁高(钢箱梁)3.5 m。斜拉索采用平行钢丝斜拉索。斜拉索在主梁上的基本索距为8 m，边跨尾索区为6 m；塔上索距为2.5 m，全桥共168根斜拉索，最大斜拉索长度193.8 m。主桥立面布置见图1。

图1 七都大桥北汊桥主桥立面布置图(单位：m)

2 方案优化

2.1 原方案

原方案为塔区S0-T-M0梁段在支架上拼装，S1～S11、M1～M11采用桥面吊机悬臂拼装方案，辅助墩墩顶节段包括S11、S12、S13。辅助墩墩顶梁段施工工序为搭设辅助墩临时支架→依次吊装S12、S13节段→调整节段并临时搁置(节段向边跨侧预先偏移20～30 cm左右，确保S11节段吊装空间)→吊装S11节段→调整节段，顺序完成S11、S12、S13节段焊接→浇筑湿接缝，并张拉纵向预应力→安装BS11、MS11斜拉索并完成张拉→桥面吊机前移→吊装M12节段→浇筑湿接缝→安装BS12、MS12斜拉索并完成张拉→桥面吊机前移→吊装M13节段→浇筑湿接缝→安装BS13、MS13斜拉索并完成张拉→桥面吊机前移，准备S14、M14节段的吊装。

原方案辅助墩合龙示意图见图2，运梁船定位位置向主跨侧预偏约1 m，桥面吊机起吊S11节段，同时在栈桥上利用钢丝绳留缆，此时桥面吊机钢绞线控制2°左右的斜度，节段起吊5 m左右，运梁船离开，将节段缓慢恢复至垂直状态起吊就位，S11后端与S10焊接，采用三向千斤顶调整S12梁段位置，使S11前端与S12梁段焊接。

图2 原方案辅助墩合龙流程示意图

2.2 优化方案

受潮位影响，运梁船无法靠近主墩墩旁托架，S11梁段起吊角度过大，起吊安全风险大，故需将S11梁段长度减小，重量减轻，减小起吊夹角，才能安全起吊。将S11梁段较小部分增加至S12梁段，S12梁段自重增加至4 200 kN，现场需更换大的三向千斤顶才能对S12梁段进行姿态调整，由于原辅助墩墩旁支架设计未考虑梁重增加因素，造成墩顶操作空间受限及支架局部受力不能满足顶梁要求。针对以上问题，结合施工线形控制及结构受力的分析结果，需对原辅助墩合龙方案进行优化。

方案优化的思路是以成桥状态为目标，调整吊装工序，并采用有限元模型计算的方式对2种方案的塔偏、索力、线形进行计算分析，根据计算结果论证优化方案的可行性。

优化方案为将S11梁段缩短1 m，S12梁段增长1 m，运梁船定位位置向主跨侧预偏约2 m，桥面吊机起吊S11节段，同时在栈桥上利用钢丝绳留缆，此时桥面吊机钢绞线控制2°左右的斜度，节段起吊5 m左右，运梁船离开，将节段缓慢恢复至垂直状态起吊就位，S11后端与S10焊接，桥面吊机前移，张拉BS11、MS11斜拉索，辅助墩墩顶梁段施工工序为：吊装S12节段→调整节段，顺序完成S11、S12节段焊接→浇筑接缝，并张拉纵向预应力→施加S12梁段一期配重→安装BS12、MS12斜拉索，并完成张拉→桥面吊机前移，准备S13、M13节段的吊装。S12梁段起吊匹配示意图见图3。

图3 S12梁段起吊匹配示意图

3 结构分析与控制

3.1 计算模型及思路

辅助墩合龙方案的变化，必然造成辅助墩合龙前边跨索力与线形的变化，甚至会影响施工过程中的受力安全[6-8]。为保证合龙后线形的平顺性，主梁、桥面板受力及斜拉索索力安全系数满足设计文件要求[9]，采用有限元软件midas Civil建立三维模型，对原方案与优化方案进行施工过程模拟，对比分析合龙前后边跨的受力及线形影响。

主桥主塔采用C55海工耐久性混凝土，辅助墩、过渡墩采用C40海工耐久性混凝土，桥面板采用C60混凝土，钢梁采用Q345qD，斜拉索为镀锌平行钢丝斜拉索，共9种规格。计算模型见图4。边界条件、临时荷载与实桥保持一致，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟，主塔、主梁、桥墩采用梁单元模拟，材料特性根据现场实测结果进行修正。

图4 三维有限元计算模型

方案优化计算分析的原则为辅助墩合龙后(即BS12、MS12斜拉索张拉完成)，塔偏、索力、线形、应力与原方案结果基本保持一致，细微差别可通过成桥调索工况进行调整。计算的思路为辅助墩合龙前，根据梁重和吊重变化，提前调整索力、塔偏、线形，实现S12梁段与S11梁段的无应力线形匹配，然后施加S12梁段一期压重，确保辅助墩支座处于受压状态，待BS12、MS12斜拉索张拉完成后，调整墩顶附近的斜拉索索力，使结构状态与原方案保持一致。

3.2 计算分析结果

原方案与优化方案的工序变化与区别见表1，其余施工阶段工序相同，表中未列出。根据表1的工序，为保证S12梁段与S11梁段的预应力匹配角度，且匹配后S12梁段支座位置处标高达到设计标高，优化方案对S11、M11的一次张索力进行了调整，由原方案的3 792，3 547 kN(边、中)调整为2 916，3 235 kN(边、中)。

表1 原方案与优化方案工序对比表

原方案与优化方案的塔偏计算结果(工序1～9)见图5，桥面吊机前移，工序5状态下2种方案塔偏差别较大，但是辅助墩合龙后，工序9状态下优化方案与原方案塔偏值趋于一致，优化方案与原方案塔偏分别为-168，-182 mm(“-”代表向边跨偏，下同)，差值14 mm。

图5 各工序下塔偏计算结果

工序9状态下，边跨BS1～BS12斜拉索索力见表2，该工序下，优化方案的斜拉索索力与原方案的斜拉索索力最大偏差为-4.5%，小于5%，最小安全系数为3.0，大于2.0，满足JTG/T 065-01-2007 《公路斜拉桥设计细则》施工工期斜拉索安全系数不小于2.0的要求。

工序9状态下，边跨S1～S12梁段线形见图6，该工序下，优化方案的边跨主梁线形与原方案的主梁线形基本一致，最大偏差为6 mm，满足设计文献中线形偏差不大于20 mm的要求。

表2 工序9状态下优化方案与原方案索力表

图6 工序9状态下边跨线形对比图

根据计算结果，工序9状态下，原方案S1梁段根部桥面板最大压应力为-8.25 MPa，钢梁最大压应力为-62.45 MPa；优化方案S1梁段根部桥面板最大压应力为-8.42 MPa，小于理论限值-26.5 MPa，钢梁最大压应力为-63.65 MPa，小于理论限值-210 MPa。满足设计要求，由于后续工况按照原设计方案进行，因此优化方案仅对过程中的塔偏、索力、线形有影响，对成桥后的结构状态基本无影响。

综上，虽然施工过程中2种方案的塔偏、索力、线形、应力不同，但是辅助墩合龙后，优化方案与原方案对比，控制指标基本一致，即工序的变化改变了过程中的结构变形与受力，但是对最终的成桥结构状态影响较小，且优化后的方案现场起吊施工风险小、墩旁支架无千斤顶局部作用、工期较原方案节约2～3 d时间，说明优化方案可行。

3.3 控制成果

大桥现场采用优化方案进行施工控制，于2020年1月10日顺利实现辅助墩合龙，合龙后工序9状态下对主桥的塔偏、应力、索力及线形控制指标进行了实测对比。实测塔偏-172 mm，与计算值-168 mm基本一致；S1梁段根部桥面板实测平均应力-7.92 MPa，钢梁实测应力-60.02 MPa，与理论计算值-8.42 MPa、-63.52 MPa基本一致，且实测值均小于理论计算值；边跨BS1～BS12斜拉索实测索力与理论索力对比见图7。

图7 实测索力与理论索力对比柱状图

由图7可见，实测索力与理论索力最大偏差4.1%，小于5%。

边跨S1～S12梁段实测高程与理论高程对比见图8。

图8 实测线形与理论线形对比图

由图8可见，最大偏差13 mm，位于S6梁段，S12梁段前端较理论值小6 mm，小于理论限值±20 mm的要求。

综合以上各控制指标，说明当现场条件及工期受限，采用调整斜拉索索力、桥面吊机起吊匹配过辅助墩取代辅助墩三向千斤顶合龙的方式是可行的，且降低了现场施工风险，节约了工期，最终的控制状态与原方案对比是吻合的。

4 结语

对于大跨度叠合梁斜拉桥主梁辅助墩合龙施工，当现场条件受限，墩旁支架较弱，运梁船难靠近支架时，采用调整索力与线形，改变合龙段梁长，桥面吊机起吊墩顶梁段匹配的方式过辅助墩，取代原来的通过墩顶三向千斤顶调整梁段合龙的方案是可行的。对比理论计算与现场实测结果可得，施工控制过程中结构的塔偏、应力、线形、索力在允许范围内变化，辅助墩合龙后的状态与原方案对比，各指标基本一致，现场实测数据与理论计算结果相吻合，大桥于2020年1月10日顺利完成辅助墩合龙施工，比原预计工期节约了3 d，此优化方案可为类似桥梁施工控制提供借鉴。