基于合理施工状态的斜拉桥调索方法研究

王家悦

（长沙市规划设计院有限责任公司，湖南 长沙 410005）

近年来，随着我国交通运输的发展、航道等级的提升以及城市景观的优化，斜拉桥的设计需求逐渐增加。斜拉桥是由斜拉索、桥塔、加劲梁三种基本构件组成的高次超静定组合体系，其结构整体刚度大，跨越能力强，造型美观。斜拉桥的施工阶段分析对最终成桥索力、主桥结构受力状态影响较大［1-2］。目前，研究斜拉桥合理施工状态的方法主要有倒拆法、正装—倒拆法、无应力状态法、正装迭代法、应力平衡法等［3-4］。但这些方法在实际运用中或多或少存在缺陷，比如正装—倒拆法存在不闭合、未知荷载系数法计算出来的荷载系数为负值等［5］。文章依托国内首座高速铁路混合梁斜拉桥——昌吉赣客专赣江特大桥，基于合理施工状态确定了斜拉索的成桥索力值，与正装—倒拆法得出的成桥状态相吻合。

1 工程背景

新建铁路南昌至赣州客运专线赣江特大桥全桥长2 155.44m，是昌吉赣客运专线跨越赣江的控制性工程。文章研究的赣州赣江特大桥的主桥（见图1）是一座双塔三跨混合梁斜拉桥，属于半漂浮体系，全桥共采用96 根斜拉索。主桥边跨及延伸至中跨20m 范围采用混凝土梁体，中跨采用钢混结合梁，钢混结合梁和混凝土梁之间采用5m 的钢混过渡段进行主梁刚度的过渡。索塔采用人字形混凝土塔，单箱单室截面，下塔柱为倾斜直线，中、上塔柱为曲线。

图1 赣江特大桥主桥（单位：cm）

混凝土箱梁采用单箱三室等高，截面如图2 所示，桥面宽16.5m，中心处梁高4.5m。中跨采用箱形钢—混凝土结合梁（见图3），桥面宽16.3m，中心梁高约4.5m，混凝土桥面板厚30cm，局部加厚至50cm，钢梁高400cm。斜拉索纵向间距为12m。钢梁采用工厂分节段制造、现场焊接连接的方式。钢梁标准节段长12m，合拢段4m，横梁每6m 设置一道。混凝土桥面板通过设置在翼板上的剪力钉与钢梁结合。

图2 混凝土箱梁截面（单位：cm）

图3 箱形钢—混凝土结合梁截面（单位：mm）

2 主要施工阶段

斜拉桥的成桥状态和索力值与施工阶段紧密相关，如何合理地确定每一施工阶段的张拉索力对后期成桥状态的影响很大［6-7］。由于赣江特大桥结构的特殊性，文章对其混凝土主梁和钢混混合梁部分采取的是支架现浇工艺，对其钢混结合梁部分采取的是半悬臂拼装的方法，主要施工步骤见图4、图5、图6。

图4 将钢混混合梁吊装到位，浇筑施工主塔、主墩和A—D 段混凝土主梁桥面板

图5 依次移动吊机、吊装钢箱梁、浇筑桥面板，张拉斜拉索至施工索力，使张拉桥面板内预应力至合拢前的最后一步

图6 施工合拢段钢箱梁，使两端无曲率合拢；施工二恒及附属，进行合拢后的二次调索

3 基于合理施工状态的调索分析

赣江特大桥的主梁结构采用闭口式钢箱和混凝土桥面板的组合形式，桥面板内设置预应力钢束，这种组合结构形式是首次在国内工程中得到应用。施工过程中的桥面板预应力张拉和混凝土收缩徐变效应会影响本段甚至前段的索力值，增加调整索力的难度。文章通过以保证桥面施工阶段的合理线形为控制指标，以理想成桥状态为目的对赣江特大桥索力进行调整，得到了合理的成桥状态［8］。

3.1 斜拉桥主桥有限元模型

文章基于新建铁路南昌至赣州客运专线赣江特大桥主桥混合梁斜拉桥，采用midas Civil 软件建立空间杆系模型（见图7）。全桥共建立节点745 个，空间梁单元378 个，索单元96 个。主梁、主塔、桥墩采用空间梁单元，斜拉索采用索单元。

图7 全桥有限元模型

主梁和拉索、主塔和拉索之间的连接均采用主从约束，辅助墩和交接墩的约束均采用一般约束；主塔底部采取固结处理，主梁和主塔之间采用刚性连接；现浇支架的模拟采用单向受压的刚性连接处理［9-10］。

赣江特大桥既有钢混混合段，又有钢混结合梁截面，在有限元模型中需要对其分别处理［11］。由于钢混混合段并不是文章研究重点，对钢混混合段进行简化处理，仅根据设计图纸内容对这部分钢混混合段进行容重修正［12-13］。施工阶段对钢混结合梁是先吊装钢梁再浇筑混凝土桥面板，为准确模拟施工阶段混凝土收缩徐变效应，采用midas 施工阶段联合截面考虑桥面板的收缩徐变效应。

文章对赣江特大桥进行合理施工状态计算分析，其主要考虑的荷载包括施工阶段分阶段施加的各种荷载：自重根据midas Civil 通过截面的形状自动进行加载；预应力主要通过程序自动采用等效荷载的方法施加在主梁上，并考虑各种预应力的损失；斜拉索采用预应力荷载中的初拉力，以体外力的形式施加在每根斜拉索的两端；桥面吊机采用节点荷载的形式进行模拟，吊机荷载重量为700kN；二恒通过换算桥面系的各项重量，以线荷载的形式施加在主梁上，为150.5 kN·m-1；活载采用双线的ZK 静活载。

3.2 合理施工状态的确定

合理施工状态的达成要保证每段钢箱梁在安装完毕后（即桥面板浇筑完成后的施工阶段）线形基本水平（竖向位移控制在2cm 以内），并在最终合拢阶段实现无曲率合拢，以此为目的进行施工阶段索力的试算，最后在铺装之后进行二次调索达到合理成桥索力。图8 为典型施工阶段调索后的主桥位移及曲率（为简化数据，仅以半幅桥梁位移数据示意，另一半幅与此对称）。

图8 调索后主桥位移及曲率

由上图可知，各施工阶段在施工索力的作用下线形基本水平，最大位移不超过2cm，在中跨前的梁端转角几乎为0，实现了施工状态的无曲率合拢。

3.3 合理成桥状态的确定

上面确定的合理施工阶段索力能够满足工程施工阶段应力、位移要求，但是不能满足成桥状态下的各项指标要求，故需要对全桥索力进行二次调索，以保证成桥状态下主桥的应力、强度、位移、斜拉索应力达到规范要求。文章研究对象是基于合理施工状态的调索方法，为验证此方法能否达到传统正装—倒拆法的控制目标，合理成桥状态下的二次调索应以正装—倒拆法确定的最终成桥索力为目标，由此来观察成桥阶段的内力、变形是否一致。

根据有限元模型，在施工阶段分析时保证每一节段的主梁水平，这样合拢并铺装之后桥面线形和索力并不能达到设计要求的合理成桥状态，如图9所示，在二恒作用下主梁竖向位移达到了41cm，所以要根据成桥索力进行二次调索。

图9 二恒及成桥时主桥位移

研究以成桥索力为目标，通过试算迭代使每根斜拉索索力达到设计的成桥索力，索力值如表1所示。

表1 调索索力

3.4 主要结果的对比与分析

为了验证文章方法的正确性，将基于合理施工状态调索得到的结果与正装—倒拆法得到的结果进行对比。

如表2 所示，文章模型成桥索力与正装—倒拆法得到的成桥索力相差较小，最大误差仅约4%，这样完全能够保证成桥的各项指标达到设计的理想状态。

表2 成桥索力的对比结果

续表

如表3 所示，静活载作用下各项指标与正装—倒拆法各项指标基本吻合，说明主桥刚度与正装—倒拆法结果一致。

表3 静活载作用下反力最大值与最小值的对比结果

如表4 所示，在考虑施工阶段和各项荷载效应的累计值后，研究结果与正装—倒拆法所得结果相比误差较小。但是P32交接墩下反力值相差较大，可能是因为在建模时，不同的建模人员对模型的处理有不同的考虑，如收缩徐变阶段的天数、施工阶段体系转化的方式、施工阶段的临时荷载值等，这些误差的累计最终都会反映到模型的成桥内力上，但只要在工程允许的误差范围内，最终结果就不会受到较大影响。

表4 恒载作用下反力的对比结果

由上述各项对比可知，以桥面线形为控制指标基于合理施工状态的调索方法是合理的，最终的成桥线形和状态都能够达到理想结果。

4 结论

文章以国内首座高速铁路混合梁斜拉桥——昌吉赣客专赣江特大桥为工程背景，通过有限元数值分析方法研究了基于合理施工状态的斜拉索的成桥索力值，与正装—倒拆法得出的成桥状态相吻合。主要结论如下：

（1）基于合理施工状态的调索方法得到的成桥索力与正装—倒拆法得到的成桥索力基本一致。

（2）基于合理施工状态的调索方法得到的成桥状态与正装—倒拆法得到的理想成桥状态基本一致，各项设计指标满足要求。

（3）实际运用时可以将桥面线形作为施工阶段的控制指标进行施工阶段的索力试算，最后在成桥阶段以合理成桥状态为目标进行二次调索，达到理想的成桥状态。