组合梁斜拉桥主梁多节段循环施工技术研究

阮映辉 孙立鹏 高田瑞

(1.浙江台州市沿海高速公路有限公司 台州 318001；2.长安大学 西安 710064)

0 引言

组合梁斜拉桥施工方法复杂、工序繁多，最终的成桥结构内力及线形与施工过程密切相关。近些年修建的灌河大桥采用逐段安装、逐段浇筑接缝混凝土的单节段循环施工方法[1]，海黄大桥及洛溪大桥采用了两节段循环的施工方法[2-3]。不同节段主梁循环施工方法的区别在于桥面板接缝的浇筑时间与桥面板和钢主梁受力的差异，对组合梁斜拉桥的施工过程结构受力产生直接影响，使得结构的施工、最终成桥状态与合理成桥状态产生偏差。同时湿接缝的浇筑养护也会影响主梁的施工工期。因此在考虑合理工期、确保结构安全、保证施工和合理成桥状态的前提下，如何确定合理的主梁施工方法，是组合梁斜拉桥施工设计的重点[4]。

胡俊等[5]针对组合梁斜拉桥混凝土桥面板叠合时机开展了研究，其研究表明滞后一个节段及滞后两个节段浇筑湿接缝，桥面板几乎不出现拉应力，且桥面板湿接缝越是滞后浇筑，钢梁的压应力显著增大，合理的滞后浇筑时机为滞后一个节段。易云焜等[6]也指出湿接缝浇筑时机对组合梁斜拉桥施工阶段、成桥阶段内力都有显著的影响，且不合理的叠合时机是造成桥面板开裂的主要原因之一。以上都是针对桥面板湿接缝浇筑时机的研究，而洪丽娟等[7]针对组合梁斜拉桥多节段循环浇筑湿接缝施工方法进行研究，结果表明组合梁斜拉桥采用多节段循环湿接缝施工方法，缩短了湿接缝浇筑及等强的时间，大大提高了斜拉桥钢混叠合梁施工工效。齐铁东等[4]依托乐清湾2号桥进行计算，结果表明2节段循环施工时钢梁应力和混凝土桥面板应力在施工过程中处于安全状态。

在以上研究的基础上，本文以台州湾大桥为工程背景，对比研究了三种湿接缝浇筑工序的工效、对结构在施工及成桥后的影响，以此对多节段循环的施工方法进行比较，可为同类桥梁施工提供参考。

1 工程概况

台州湾跨海大桥通航孔桥为双塔双索面半飘浮体系钢—混组合梁斜拉桥[8-9]，跨径布置为85+145+488+145+85m，边跨设辅助墩。标准索间距为10.5m，边跨靠近尾索区，索间距为8.4m。桥梁总体布置如图1所示。主梁采用双边箱形钢混组合梁结构形式，含风嘴全宽38.5m，中心线处梁高为3.5m，主梁标准横断面如图2所示，采用全断面节段预制、现场吊装的施工方法。全桥共97个梁段，除近索塔处、边跨处梁段采用浮吊吊装外，其余均采用桥面吊机安装。标准梁段长度10.5m，辅助跨标准梁段长8.4m。钢梁与混凝土板栓钉连接、节段间焊接连接，湿接缝混凝土采用微膨胀混凝土。桥面板全宽34m，中跨标准段桥面板标准厚度280mm，在钢梁边腹板、中腹板和横隔板的上翼缘处加厚至400mm。

本桥原设计方案为单节段循环湿接缝施工方法，即按照主梁吊装拼接、拉索一张、湿接缝浇筑、拉索二张、预应力张拉、吊机前移、拉索二张的工序循环施工。实际施工时出于工期考虑，对主梁施工方法进行调整，即将原设计的单节段循环工艺调整为两节段循环工艺。下面再提出本桥三节段循环施工方法，对这三种工艺具体的工效、受力等进行分析，并对工艺调整带来的索力影响进行研究，为组合梁斜拉桥多节段循环的施工方法提供依据。

图1 台州湾跨海大桥通航孔桥立面布置图(cm)

图2 台州湾跨海大桥通航孔桥主梁标准横断面(mm)

2 多节段循环湿接缝施工工效分析

目前国内组合梁施工大部分采用预制钢主梁和桥面板，现场吊装的施工方案[10]。各个施工方案的主要区别在于斜拉索的张拉次数、梁段桥面板间湿接缝的浇筑和预应力张拉时机，不同的施工顺序及步骤对施工工效有着很大的影响。

台州湾跨海大桥在施工过程中具有悬臂长度大、桥塔高、施工方法复杂等特点，加之桥址位于东南沿海地区，施工工期受环境影响较大。为了避开台风期对桥梁施工的影响，往往需要加快施工进度。多节段循环浇筑湿接缝是组合梁斜拉桥提高主梁安装施工速度的重要措施，即主梁悬臂拼装时，吊装多节段后一次性浇筑湿接缝，从而合并多个湿接缝等强的时间，加快工程进度，缩短施工周期。为此，本项目对不同的施工方法的施工方案做如下安排并对其工效进行分析，多节段循环施工功效分析见表1。

图3 桥面板布置及湿接缝浇筑施工流程

表1 多节段循环湿接缝施工工效分析

续表

从表1中每种节段循环的施工方案来看，张拉预应力钢束并浇筑湿接缝混凝土占据了较长的时间，如何安排该工序，提高施工功效，是缩短建设工期的关键。对此，考虑合并相邻节段间湿接缝混凝土浇筑工艺，在两个节段、三个节段安装完成后，一次浇筑这几个节段间桥面板湿接缝混凝土。其中，单节段循环工艺用时11.5天；双节段循环工艺用时16天，平均1个梁段施工用时8天；而三节段循环工艺用时20.5天，平均一个梁段施工用时6.83天。

经计算，单节段循环施工总工期用时n+396天(n为下部结构及桥塔施工工期)，双节段循环施工总工期用时n+328.5天，提前67.5天结束，合计2.25个月。对于沿海地区受台风影响的桥梁施工来讲，可以充分利用工艺改变带来的机动时间，不会存在总工期延误推迟的后果。台州湾跨海大桥最终采用了双节段循环的湿接缝浇筑工艺，对应的桥面板布置及湿接缝施工流程如图3所示。对于三节段循环施工，总工期用时n+304.5天，相比较标准单节段循环施工，提前91.5天结束，合计3.05个月。虽然也可以达到缩短工期的效果，但不及双节段效果显著。同时，由于施工方法的改变，各施工节段受力状态的影响还未展开讨论，施工阶段中主梁受力变化有待进行受力分析。

3 多节段循环湿接缝施工受力分析

通过建立大跨度组合梁斜拉桥的有限元模型，及对其桥面板湿接缝浇筑的不同施工方法模拟，得到各节段钢主梁及混凝土桥面板在三种不同的施工方法下的受力状态。施工荷载主要包括索力、自重、桥面吊机等。

选取主梁标准节段4#～9#施工过程进行受力分析，分别按照单节段、双节段、三节段循环的湿接缝浇筑流程进行运算，得到各梁段桥面板及钢主梁最大应力。

3.1 有限元模拟

采用空间有限元分析方法，建立了组合梁斜拉桥的空间有限元模型，如图4所示。采用空间梁单元模拟索塔，主梁组合结构采用双单元模拟，二者之间以刚性连接为边界条件，模拟剪力钉作用下的联合截面，桁架单元模拟斜拉索，全桥共建2659节点，2293单元，边界条件根据工程实际情况施加。施工阶段的定义分别按照上述的桥面板湿接缝浇筑时机分为单节段循环、双节段循环、三节段循环这种不同的施工方法进行模拟。施工节段的桥面吊机、梁段吊重荷载采用集中力施加。

3.2 施工过程应力计算结果

为分析不同施工方法对结构的受力影响，分别对台州湾大桥进行了上述三种施工方法对比计算，得到了施工阶段钢主梁及桥面板的应力，各梁段的计算结果如表2所示。

图4 全桥有限元模型

表2 多节段循环浇筑湿接缝混凝土施工方案各梁段构件应力(MPa)

显然施工方法由钢梁安装、拉索一张、湿接缝浇筑、预应力张拉、拉索二张、吊机前移的单节段标准工序循环施工改为双节段、三节段循环，构件的应力幅值均有一定程度的增加，尤其是钢主梁与桥面板的拉应力。由于湿接缝的滞后施工，湿接缝位置处钢梁将单独承受原来组合截面承担的应力，钢主梁的上翼缘拉应力大幅增加。同时由于湿接缝处桥面板受力间断，在边缘会引起拉应力的增加。而其他部位由于还是组合截面参与受力，故压应力变化较小。

3.3 多节段循环施工合理性

由于采用多节段循环施工，湿接缝处钢主梁稳定性降低，桥面板的开裂风险增加。故选取混凝土桥面板最大拉应力及钢主梁最大压应力结果如下。

图5 多节段循环施工下桥面板拉应力 图6 多节段循环施工下钢梁压应力

根据有限元计算结果和上图可以看出，多节段循环施工时，主梁的桥面板上缘受力因未及时浇筑相邻节段湿接缝混凝土并张拉预应力，伴随着悬臂段长度随着节段数量增加而加长，同时考虑到各工况在悬臂端部作用的荷载，导致每节段梁段尾端距离湿接缝最近的桥面板上缘累计产生了较大的拉应力。三节段循环施工时，在该节段循环靠近桥塔方向的桥面板累计拉应力达到2.1MPa，超过了抗拉强度。待湿接缝浇筑并张拉预应力束后，主梁桥面板节段负弯矩效应大大削减，各节段主梁拉应力又减小。

相比于单节段循环的标准施工方法，双节段钢梁最大压应力反而有小幅减小，考虑是由于湿接缝处混凝土未浇筑，钢梁承受的荷载较小，而三节段循环施工时钢梁压应力增加则是由于悬臂节段过大引起的钢梁下翼缘压应力增加大于三处湿接缝混凝土自重作用。因此从结构受力而言，双节段循环施工是最为合适的，而台州湾跨海大桥实际施工时正是采用了双节段循环施工方法，在保证结构受力合理的条件下，加快施工进度，避免了因台风对整个工期的延误。

4 施工方法调整对斜拉桥索力的影响

4.1 成桥索力偏差

由于原施工阶段的拉索索力是由单节段循环进行计算的，故采用双节段、三节段进行循环施工时，结构成桥后必然无法达到预期的合理成桥状态。同时由于施工因素的不确定性，导致成桥后的索力、主梁内力和线形偏离设计目标。因此，原始的设计索力已经不适应调整后的方案。下图所示为三种施工方法下的成桥索力与合理成桥状态的索力偏差。(边跨由桥塔向梁端记作S1～S22，中跨由桥塔向跨中记作M1～M22)。

根据结果显示，单节段循环施工的索力偏差范围为-6.98%～8.94%，平均索力偏差0.81%；双节段循环施工的索力偏差范围为-9.77%～8.85%，平均索力偏差0.53%；三节段循环施工的索力偏差范围为-12.40%～9.38%，平均索力偏差0.57%。显然，改变施工方法对成桥索力有一定程度的影响，三节段循环施工的最大索力偏差为-12.4%，按照当前规范，成桥后索力偏差不应超过±5%，即最大调整值为7.4%，远小于拉索的索力值，因此可以不改变施工索力，通过合龙后二次调索进行调整，实现成桥状态的最佳内力分布。

表3 成桥索力偏差(kN)

从表3可以看出，部分索力误差较小，此时调整该索索力对周边索力影响很小，为减小二次调索的工程量，应该在保证调索后所有索力满足规范要求的基础上，尽量减少调索数量。

4.2 二次调索结果

二次调索的索力计算方法目前主要有迭代法和影响矩阵法。影响矩阵法是将索力变量和其广义影响矩阵为目标函数，利用方程组得出各个索力的张拉值。此方法较为快捷，但是无法考虑结构的非线性作用。迭代法则可以考虑结构的非线性作用，故这里采用迭代法进行二次索力计算。由于离塔端较远的索对塔和梁的变形影响较大，因此先调整靠近塔顶端附近的拉索，即先调整长索能够减少总的调索量，从而可减少因二次调索引起的应力变化量。

以合龙后拉索索力Ti0作为初始索力，经过二期恒载、收缩徐变后的成桥索力与目标索力Td的差值为ΔTi0，故第一次迭代时的第i根拉索索力调整为Ti1=Ti0+ΔTi0，按照施工顺序进行迭代计算，以此类推，第j次迭代值为Tij=Ti(j-1)+ΔTi(j-1)，直至所有ΔTij/Td<±5%，即可以得到最终各拉索的二次调索值如下表4，成桥索力最大偏差-3.8%，满足规范要求。

表4 二次调索索力(kN)

图7所示为三种施工方法下的二次索力调整值(二次调索索力-原索力)，可以看出，大多数拉索的索力调整值都在-300～300kN，仅边跨近塔区及中跨跨中几根拉索的成桥索力调整值达到400kN以上，该调整对于成桥状态可接受，因而可采用二次调索的方案满足合理成桥状态。

图7 多节段循环施工下各拉索索力调整

随着湿接缝循环浇筑节段长度增加，索力的偏差越来越大，索力的调整工作量增加。尤其是在近塔区的斜拉索S1～S3及M1～M3，其索力调整值较其他拉索增加明显。三节段循环施工的索力调整值最大达到了545kN，较原始的单节段循环施工调索值最大增加了453kN。因此从二次调索的工作量来说，三节段循环湿接缝施工方法的成桥二次调索较单、双节段循环施工更为复杂。

4.3 结构应力分析

利用Midas Civil模型定义施工阶段，计算调索前后拉索锚固区桥面板应力。以双节段循环浇筑湿接缝施工为例，计算结果如图8和图9。

图8 二次调索前后桥面板应力 图9 二次调索前后钢梁应力

调索引起的桥面板应力最大增加0.66MPa，位于M9号拉索锚固区，最大减小了0.64MPa，位于S8号拉索锚固区，整体增幅减小，且仍处于受压状态，而且调索后桥面板受力更加均匀，更趋于合理。钢梁的应力最大增量8.9MPa，其最大压应力也未超过55MPa，受力安全。由此可见，由于调索调整幅度较小，且调索的工况是在主桥合龙后，此时结构整体刚度大，所以调索对于结构受力影响较小。

5 结论

组合梁斜拉桥施工方法涉及钢梁和混凝土桥面板的结合时机，如果采用分节段整体吊装，就会有桥面板混凝土湿接缝浇筑的工序，它也是加快主梁施工速度的关键。斜拉桥的施工、成桥线形、结构受力与施工过程密切相关。改变湿接缝浇筑工艺的时机，会对斜拉桥的施工过程中结构受力产生直接影响，使得结构的施工、成桥状态与目标产生偏差。本文以一座大跨组合梁斜拉桥为对象，对混凝土桥面板湿接缝的浇筑工序进行探讨，对比研究了三种湿接缝浇筑工序的工效、对结构在施工及成桥后的受力影响，以此对多节段循环的施工方法进行比较，得到如下结论：

(1)通过对比分析单节段循环施工和多节段循环施工工期可以得出，多节段循环施工一次性浇筑多道湿接缝，有效缩短了湿接缝浇筑及等强的时间，大大提升了施工工效。对于该桥，在不改变辅助墩主梁及边跨合龙主梁施工工序的前提下，进行三节段循环工艺功效计算，同双节段与单节段循环缩短的工期数相比，并未有更多的减少。

(2)根据有限元计算结果，双节段循环施工的结构应力满足规范要求，而三节段施工桥面板应力超限，会引起桥面板开裂。因此从结构受力方面而言，双节段施工是最为合适的。台州湾跨海大桥实际施工时正是采用了双节段循环施工方法，在保证结构受力合理的条件下，加快施工进度，避免了遇到台风等恶劣天气对总工期的影响。

(3)工艺调整对结构成桥受力状态会产生偏差，通过计算确定了二次调索索力，对调索前后的结构进行受力对比。结果表明，采用二次调索的方案可满足合理成桥状态，同时调索调整幅度较小，对于结构受力影响较小。