空间异形索塔组合梁斜拉桥张拉顺序优化研究

林东龙

(福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350108)

0 引言

在斜拉桥整体施工过程中，斜拉索张拉是其中最为重要的一道工序，不同的张拉顺序对桥梁施工时和最终成桥状态的受力和变形都会产生较大的影响。如何通过斜拉索的张拉使桥梁达到设计的成桥状态，是斜拉桥施工最为关键的问题之一。大部分斜拉桥为对称结构，主塔及斜拉索对称布置，恒载下受力对称，斜拉桥的位移及应力控制难度较小[1-4]，而空间异形索塔钢混组合梁斜拉桥相较一般对称斜拉桥，由于上下游侧、中边跨侧斜拉索与主梁和主塔斜交角度均不同，且钢混组合梁相比于混凝土梁刚度较小，采用不同的张拉方案拉索索力将对桥梁的内力状态和线形产生明显的影响。因此，有必要对空间异形索塔钢混组合梁斜拉桥张拉方案进行比较优选，选取一种最优的张拉方案，从而减小主梁和主塔在张拉过程及成桥状态下的变形及应力，保证桥梁实际的成桥状态与设计的成桥状态一致[5-7]。

本文以某空间异形索塔钢混组合梁斜拉桥为背景，分析了三种张拉方案下桥梁结构的受力和变形情况，从而选取一种最优的张拉方案，并通过施工监控数据测试分析，验证其合理性。

1 工程背景

本文以某空间异形索塔钢混组合梁斜拉桥为工程背景。该桥采用跨径组合为70 m+160 m+70 m=300 m的双塔双索面斜拉桥，桥长300 m，桥宽36 m。主梁采用钢-混凝土组合梁，其中纵梁采用槽形截面，梁高2.6 m，顶板宽0.5 m，底板宽0.8 m。混凝土桥面板厚0.26 m。主塔采用水滴形桥塔，主塔塔身高69.75 m，塔座上方5.63 m范围内塔柱按钢筋混凝土构件设计，其余塔柱按钢塔内填充混凝土进行设计；全桥共32对拉索，呈空间双索面扇形布置；斜拉索为34-φs15.2 mm和43-φs15.2 mm PE包裹防护环氧喷涂钢绞线两种，标准强度1 860 MPa，钢绞线拉索群锚体系，全桥共计4×8根。斜拉索在塔上采用分丝管式索鞍构造，梁上采用钢锚箱锚固构造。主桥结构布置图如图1所示。

2 张拉顺序优化设计的原则

各斜拉索张拉过程会对其他斜拉索的索力产生影响，不同的张拉方案对塔梁结构的变形和内力的影响也不一样，因此需要优化斜拉索张拉施工顺序，在保证施工过程的安全和成桥状态满足设计要求情况下，减少二次调索的工作量，进一步缩短总工期。

斜拉索张拉顺序优化设计的原则主要如下：

1)保证张拉过程主梁、主塔应力不超过其容许值，确保桥面板不因应力过大而开裂。

2)钢混组合梁钢纵梁采用槽型截面，刚度较小，主梁易发生较大竖向变形和扭转变形，因此应保证张拉过程主梁位移合理、线形平顺。

3)空间异形索塔两侧索力不对称，主塔容易发生偏位，应控制主塔偏位在合理范围内。

4)方便施工、尽量减少工期。

5)二期恒载施工完后索力能最大限度的接近设计值，尽量减少二次调索的工作量。

3 斜拉索张拉方案设计

斜拉索张拉方案设计分析计算采用MIDAS Civil专业结构分析软件。本桥采用单主梁有限元模型(见图2)，模型共631个节点，580个单元，斜拉桥主梁和主塔采用梁单元模拟，斜拉索采用只受拉单元(索单元)模拟。主塔底部采用一般支承，全方位固结；永久支座采用一般弹性连接；临时墩采用仅受压的弹性连接；斜拉索与塔柱的连接均以共节点的形式连接。

该桥总体施工方案为主梁顶推到位后安装人行道板，安装预制桥面板，然后浇筑湿接缝及预应力施工，最后进行斜拉索张拉施工及临时支架拆除。根据结构特点和现场情况，选取了3种张拉方案进行优化比选，不同张拉方案对比见表1。

表1 不同张拉方案对比

4 各张拉方案索力计算

为了达到设计成桥状态的要求，对不同张拉方案下全部斜拉索的张拉力进行了计算，计算结果如图3，图4所示。由于南北塔的索力对称，表中仅列出南侧索塔的索力值。由图5，图6可知，三种张拉方案下的成桥索力与设计成桥索力基本一致，表明三种张拉方案的拉索张拉力均满足设计成桥索力的要求，需进一步对施工过程中主梁主塔的内力及位移进行详细分析比较。

5 不同张拉方案结构受力分析

采用Midas Civil模型对三种不同张拉方案下主梁主塔的内力及位移进行计算，结果如下。

5.1 主梁位移

从图7可看出：不同张拉方案作用下，张拉后主梁线形变化趋势基本一致，主梁最大位移均出现在中跨跨中，但由于张拉顺序及张拉索力的不同，不同方案下主梁最大最小位移均不同，在方案1、方案2、方案3作用下，斜拉索张拉后的最大主梁位移分别为172.1 mm，142.6 mm，142.3 mm；最小位移分别为：-6.1 mm，-4.2 mm，-4.1 mm。

由上可知，方案2、方案3在斜拉索张拉后主梁的竖向位移明显大于方案1，故从主梁位移上方案2、方案3优于方案1。

5.2 组合梁钢梁部分应力

不同张拉方案作用下施工过程的组合梁钢梁部分应力包络图对比见图8。

方案1、方案2、方案3在张拉过程钢混组合梁钢梁部分最大拉应力分别为60.7 MPa，72.3 MPa，61.9 MPa；最大压应力分别为-102.8 MPa，-101.0 MPa，-97.0 MPa。

从整体上看，三个张拉方案钢梁应力分布规律基本一致，方案1在张拉过程中钢梁的压应力最大，方案2在张拉过程中钢梁的拉应力最大，最大应力均接近施工过程设计应力控制值100 MPa，但未超过规范应力允许值。

5.3 组合梁混凝土桥面板应力

不同张拉方案作用下施工过程的组合梁桥面板应力包络图对比见图9。

方案1、方案2、方案3在张拉过程中钢混组合梁桥面板部分最大拉应力分别为+1.3 MPa，+1.6 MPa，+0.1 MPa；最大压应力分别为-6.0 MPa，-5.8 MPa，-5.9 MPa。

从整体上看，三个张拉方案张拉后桥面板混凝土应力分布规律基本一致，但在张拉过程中方案1、方案2桥面板的拉应力明显比方案3大，接近桥面板施工阶段拉应力容许值，方案3在张拉过程中桥面板仅在局部出现较小的拉应力。

5.4 主塔偏位

不同张拉方案下成桥状态主塔纵向位移对比如图10(a)所示。

从图10(a)可看出：不同张拉方案作用下，主塔最大纵向位移均在顶部。在方案1、方案2、方案3作用下，主塔的最大纵向位移分别为24.8 mm，14.9 mm，15.1 mm，其中，方案1的主塔纵向位移超过规范的限值17.4 mm，方案2、方案3主塔纵向位移明显较方案1小，最大纵向位移未超过规范要求，且线形基本平顺。

5.5 主塔应力

不同张拉方案作用下施工过程的钢主塔应力包络图对比见图10(b)，图10(c)。

方案1、方案2、方案3在张拉过程中钢主塔最大拉应力分别为36.8 MPa，36.5 MPa，36.6 MPa；最大压应力分别为-64.9 MPa，-64.5 MPa，-64.6 MPa。

从整体上看，三个张拉方案钢主塔应力分布规律基本一致，最大应力均出现在25号单元处即主塔弧形中部，最大应力均小于施工过程设计应力控制值100 MPa，且未超过规范应力允许值。

5.6 小结

通过以上三种方案的计算结果对比可知，方案2、方案3的主梁位移和主塔纵向位移较方案1小，方案3的桥面板拉应力明显较方案1、方案2小，不同张拉方案对结构影响的差异主要在于施工过程中桥面板的应力，以主跨1/4跨位置的应力影响最明显，主要原因为该区域桥面板未布置预应力钢束，斜拉索角度不同导致对主梁的竖向分力和横向分力不同，先张拉短索相对先张拉长索短期对主梁施加的竖向拉力较大，横向轴压力较小，从而导致较大桥面板拉应力。

综合上述分析，结合现场施工的情况、施工工期等，选取方案3作为最终的张拉方案。

6 斜拉索张拉施工效果

选择方案3长索到短索一次张拉方案，在张拉过程中，通过对主梁和索塔的监测，应力和线形均满足控制及设计要求。斜拉索张拉完成后，对主梁线形进行测试，测试结果见图11。主梁线形整体规律与计算值基本一致，总体上主桥桥面纵向线形较平顺，无明显突变点。主梁、主塔位移和应力实测值与计算值均较吻合，综合表明了选取方案3作为实际的张拉方案是最优最合理的(见表2)。

表2 斜拉索张拉后实测值与计算值对比

7 结论

本项目为双塔双索面斜拉桥，主梁采用钢-混凝土组合梁，其中纵梁采用槽形截面，主塔采用水滴形桥塔，斜拉索呈空间双索面扇形布置，为了寻求最优的张拉顺序，使结构在满足设计成桥状态要求的同时最大程度的减小结构在施工过程中的变形和应力，本文设计了三种不同的张拉方案，计算了各方案的张拉力，并从主梁主塔位移、组合梁钢梁和桥面板应力、主塔应力等方面进行了对比分析，得出主要结论如下:

1)在整个施工过程中，方案3主梁位移和主塔偏位均较小，特别是桥面板拉应力明显较小，变形和应力最优；且综合考虑现场施工的情况、施工工期等其他方面的问题，选择方案3作为实际最终的张拉方案。

2)实际斜拉索张拉过程中，通过对主梁和索塔进行监测，可知主梁、主塔线形和应力均与计算结果较吻合，表明所采用方案3长索到短索的一次张拉方案是合理、可行的。

3)通过对斜拉索张拉方案的优化设计研究，在确保施工过程的安全和成桥状态满足设计要求情况下，减少二次调索的工作量和缩短了工期，对今后类似工程的施工控制而言具有一定的参考价值。