大跨度斜拉桥桥塔下横梁安全施工方案研究.pdf

文章编号１ ６ ７ １－２ ５ ７ ９（２ ０ １ ４）０ ５－０ １ ０ ５－０ ５ 大跨度斜拉桥桥塔下横梁安全施工方案研究 刘昀１， ２，颜东煌２，涂光亚２ （１．湖南交通职业技术学院，湖南 长沙 ４ １ ０ １ １ ４；２．长沙理工大学 土木与建筑学院） 摘要桥塔是斜拉桥的主要承重结构， 当斜拉桥跨度越来越大， 桥塔施工的难度随之增 加， 并且不同的施工方法和施工顺序都会导致结构不同的受力状态。该文介绍了一种适合大 跨度斜拉桥桥塔下横梁施工的三次浇筑三次张拉法， 并结合工程实例建立了空间有限元模 型， 综合考虑混凝土徐变效应进行分析， 发现选择合理的施工方案和调整预应力束的张拉力 可以减小由于分层浇筑次数的增加而产生的接触面应力， 从而避免了结构在接触面出现裂缝 的问题。文中还对支架系统进行了静力分析和稳定性分析， 并将静力分析结果与实测数据进 行比较， 保证了结构的安全施工。 关键词三次浇筑三次张拉法；空间有限元法；下横梁；分次浇筑；支架系统 收稿日期２ ０ １ ４－０ ６－１ ４ 基金项目 国家自然科学基金资助项目（ 编号５ １ １ ７ ８ ０ ５ ９） ； 湖南省教育厅科研项目（ 编号 １ ４ Ｃ ０ ４ １ １） 作者简介 刘昀， 女， 博士研究生． Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌｌ ｉ ｕ －ｙ ｕ ｎ －ｓ ｙ ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ 现代斜拉桥正朝着大跨径的方向发展， 随着跨径 的增大， 索塔越来越高， 体积也越来越大， 施工难度随 之增加。索塔是斜拉桥的主要承重结构， 不同的施工 方法和施工顺序都会导致结构不同的受力状态， 因此 需对每一施工过程进行详细的计算以确保施工的安 全。斜拉桥桥塔下横梁构造复杂， 容易出现裂缝， 又是 受力的关键部位， 施工质量的好坏直接决定了桥塔的 使用功能， 该文拟对桥塔下横梁设计和施工中的一些 问题进行讨论。 １ 横梁施工常用方法 在施工高塔横系梁时常将塔身和横系梁同步进 行， 即在塔身与横系梁相连的位置将塔身和横系梁连 在一起浇筑。在浇筑横系梁混凝土时， 常用的是一次 浇筑和分层浇筑的方法。一次浇筑法比较简单， 施工 周期短， 梁段受力简单， 不会在横系梁内产生接触面应 力。 但当横系梁混凝土方量和高度都较大时， 櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙 该方法 其对轴线调节能力不同。通过计算可知 对新安装梁 段来说， 至少要保证有２条临时横梁存在， 建议临时横 梁拆除滞后对应主梁２个节段较为合适。 （ ３） 嘉绍大桥专用施工技术规范 中规定 成桥 后边跨７ ０ｍ 跨梁段标高误差小于２ ５ｍｍ， 边跨２ ０ ０ｍ 跨梁段标高误差小于５ ０ｍｍ， 其余各跨梁段标高误差 小于１ ０ ０ｍｍ； 成桥后所有梁段轴线误差小于２ ０ｍｍ。 嘉绍大桥施工实践证明采用建议的永久横梁安装、 临 时横梁拆除时机及相应的主梁轴线误差调整措施， 主 梁安装顺利， 成桥后实测数据表明主梁标高、 轴线误差 都在容许误差范围内。 参考文献 ［１］ 中交公路规划设计院有限公司． 嘉兴至绍兴跨江公路通 道嘉绍大桥施工图设计［Ｚ］ ， ２ ０ １ ０． ［２］ 李乔， 卜一之， 张清华． 大跨度斜拉桥施工全过程几何控 制概论与应用［Ｍ］．成都 西南交通大学出版社，２ ０ １ ０． ［３］ 秦顺全．桥梁施工控制 无应力状态法理论与实践 ［Ｍ］． 北京 人民交通出版社， ２ ０ ０ ７． ［４］ 葛耀君． 分段施工桥梁分析与控制［Ｍ］． 北京 人民交通 出版社，２ ０ ０ ３． ［５］ 郑平伟， 陈金州， 等． 独塔四索面空间异型斜拉桥的施工 监控计算［Ｊ］．桥梁建设， ２ ０ １ １（２）． ［６］ 赵雷， 卜一之， 杨兴旺， 等． 嘉绍大桥施工控制实施细则 ［Ｒ］ ， ２ ０ １ １． ［７］ 赵雷， 卜一之， 杨兴旺， 等．嘉绍大桥主梁及斜拉索安装控 制手册［Ｒ］ ， ２ ０ １ ０． ５０１ 第３ ４卷 第５期 ２ ０ １ ４年１ ０月 中 外 公 路 将面临诸如布料困难、 不利于振捣等问题而不再适合 大横系梁的施工， 此时往往倾向于采用分层浇筑方法。 分层浇筑法利用先浇的横系梁与塔身一起形成门 式刚架， 能分摊第二次浇筑的大部分荷载， 因而克服了 前述方法的一系列问题。另一方面， 分层浇筑施工周 期增长， 会在梁体截面产生接触面应力， 且不同的分层 浇筑方法对接触面应力的影响程度不同， 严重的会引 起混凝土开裂。 常用的分层浇筑法有两次浇筑、 一次张拉和两次 浇筑、 两次张拉工艺。两次浇筑、 一次张拉法施工即先 浇筑１ ／２高度横系梁， 等先浇部分达到一定强度后再 浇上半部分， 等上半部分混凝土强度达到８ ０％以上时 张拉横系梁内布置的全部预应力束。此方法在横系梁 与塔身相邻处在最大负弯矩部位易出现开裂， 因而需 要布置大量普通钢筋。 两次浇筑、 两次张拉是先浇筑１／２横系梁， 待混凝 土强度达到８ ０％以上时先张拉横系梁下半部分预应 力束， 张拉完毕再开始浇筑上半部分， 等后浇部分混凝 土强度到达８ ０％以上时张拉余下的预应力束。两次 浇筑、 两次张拉法在第一次浇筑后适当安排一部分预 应力束先张拉， 就可保证下半部分受上半部分荷载时 不出现裂缝， 并有较大潜力来应付温度下降所产生的 弯矩。 ２ 三次浇筑三次张拉施工方法简介 当桥塔规模较大而现有支架承载力有限时， 可以 采用三次浇筑三次张拉的施工工艺， 按如下几个阶段 进行 （ １）立模板、 安装钢筋及预应力管道， 浇筑第一部 分（ 底板） 混凝土。 （ ２）由于支架变形、 混凝土收缩及第二、 三次浇筑 混凝土的重量将对横梁底缘产生拉应力， 故待第一次 浇筑的混凝土强度达到设计强度的８ ０％时， 张拉第一 批预应力束。 （ ３）安装侧模板， 浇筑第二部分（ 腹板） 混凝土。 （ ４）待第二次浇筑的混凝土强度达到设计强度的 ８ ０％时， 张拉第二批预应力束。 （ ５）浇筑第三部分（ 顶板） 混凝土。 （ ６）待第三次浇筑的混凝土强度达到设计强度的 ８ ０％时， 张拉第三批预应力束。 （ ７）拆支架。 随着浇筑和张拉次数的增加， 混凝土内的接触面 应力随之增加， 同时对预应力效果会有一定的影响。 为避免三次浇筑的混凝土之间出现裂缝， 建立空间模 型， 跟踪施工过程， 进行计算分析。 ３ 桥梁实例 某长江大桥斜拉桥（ 主跨为８ １ ６ｍ 的钢－混凝土 混合主梁斜拉桥） 桥塔横向为 Ｈ 形结构， 顺桥向为Ｉ 形， 高２ ６ ５ ． ５ ｍ。下横梁以上高 ２ ２ ０ ． ６ ｍ， 高跨比为 ０ ． ２ ６ ４。塔柱采用自动爬模系统分段施工， 下横梁与对 应的塔柱一起施工， 下横梁施工支架采用钢管作立柱， 贝雷梁作横梁。由于施工方案的改变， 下横梁在施工 过程中， 由原来的分两层浇筑（ 每次浇筑高度为４ ． ５ ｍ） 调整为分三层浇筑（ 第一次浇筑高度２ ． ５ｍ， 第二 次４ｍ， 第三次２ ． ５ｍ） 。为保证施工安全与质量， 特 对下横梁支架进行复核验算以及施工过程安全度进行 计算。 支架方案布置如图１所示， 主要由以下部分组成 （ １）主要承重构件为１ ２根立柱钢管， 柱脚均支撑 于承台顶面， 并与预埋钢板焊接牢固， 内侧６根钢管为 ８ ０ ０ｍｍ１ ０ ｍｍ， 外侧 ６ 根钢管为７ １ ０ ｍｍ１ ０ ｍｍ。 （ ２）主横梁为４ Ｉ ５ ６的 Ｑ ２ ３ ５钢材， 作为各排钢管 柱的横向联系， 又是纵向贝雷梁的支撑点。 （ ３）纵向平联钢管为４ ２ ６ｍｍ６ｍｍ 的 Ｑ ２ ３ ５ 钢管， 横向平联钢管为３ ２ ５ｍｍ６ｍｍ 的 Ｑ ２ ３ ５钢 管。脚手架横杆与预埋件连接， 以保证脚手架的稳定 性。 （ ４）纵梁采用“３ ２ １” 军用贝雷架。 （ ５）其他施工构件包括１ ５ｍｍ 竹胶板、１ ０ｃ ｍ １ ０ｃ ｍ３ ５ ０ｃ ｍ 木方、 ２ Ｉ １ ２． ６分配梁、 卸载砂筒等。 第三次 第二次 第一次 400 250 250 450340340 8301 2001 200 525 525 图１ 桥塔和支架布置图（ 单位ｃ ｍ） ３． １ 有限元模型 采用空间有限元程序， 钢管和贝雷等支架系统采 用梁单元， 预应力钢束采用杆单元。为提高计算速度， ６０１ 中 外 公 路 第３ ４卷 将受力明确的承台和下塔柱用梁单元模拟， 横梁及塔 柱与横梁相接处混凝土单元用８节点六面体单元模 拟。模型节点共６ ３ ５ ３个， 单元总数５ ８ ２ ８个。 桥塔的两肢均位于刚性基础上， 基础刚度很大， 故 计算时忽略地基变形影响， 在桥塔底部约束全部自由 度。下塔柱和横梁之间的连接方式选择下塔柱顶端 （ 梁单元） 节点为主节点， 对应同高度与之相接的横梁 （ 体单元） 节点为从属节点进行刚性相连。分层浇筑的 混凝土由支架和已浇部分横梁截面共同受力， 横梁底 板和支架之间没有抗剪连接， 仅竖向变形与转角变化 是一致的， 因此模型中通过位移协调来保证模板和混 凝土之间的连接。 为跟踪分层施工时接触面的应力变化， 选择以下 ４个施工工况进行分析 工况１ 在模板上浇筑第一层混凝土２． ５ｍ 高， 计 算重度取２ ６ｋ Ｎ／ｍ ３， 此时荷载全部由支架和模板系统 承受。 工况２ 第一层混凝土形成刚度时， 张拉第一批预 应力钢筋（ ２ ０束） ， 在第一层混凝土上施加第二层混凝 土的重量（ ４ｍ） ， 计算荷载为新浇混凝土自重。 工况３ 在第二层混凝土形成刚度时， 施加第三层 混凝土自重（ ２． ５ｍ） ， 张拉底板第二批预应力钢筋（２ ０ 束） 。 工况４ 在第三层混凝土形成刚度时， 张拉顶板预 应力钢筋（ ３ ６束） 。 ３． ２ 结果分析 ３． ２． １ 横梁的安全性分析 通过模拟计算了横梁在各施工工况下的受力情 况， 计入混凝土的收缩徐变影响， 着重分析横梁混凝土 先后浇筑时接触面的应力水平， 应力云图见图２～５ （ 为节约篇幅， 仅示半跨结果， “＋” 号表示受拉， “－ ” 号 表示受压） 。 （b） 第三主应力（a） 第一主应力 9.107 03e-002 6.898 21e-002 4.689 39e-002 2.480 57e-002 0.000 00e000 -1.937 08e-002 -4.145 90e-002 -6.354 73e-002 -8.563 55e-002 -1.077 24e-001 -1.298 12e-001 -1.519 00e-001 MAX4 789 MIN4 797 表示-方向 X-0.483 Y-0.837 Z0.259 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P1 X Z Y -6.352 77e-001 -8.614 80e-001 -1.087 68e000 -1.313 89e000 -1.540 09e000 -1.766 29e000 -1.992 50e000 -2.218 70e000 -2.444 90e000 -2.671 11e000 -2.897 31e000 -3.123 51e000 MAX6 482 MIN4 878 表示-方向 X-0.483 Y-0.837 Z0.259 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P3 X Z Y 图２ 工况２ 第一层接触面下层混凝土表面主应力云图（ 单位ＭＰ ａ） 从图２、３可以看出， 第二次浇筑的混凝土成形前 （ 工况２） 第一层接触面最大主压应力为－３． １ ２ＭＰ ａ ， 位于横梁跨中处， 而在横梁和横隔板相接处附近出现 ０． ０ ９ ＭＰ ａ的主拉应力； 第三次浇筑的混凝土成形前 （ 工况３ ） 第二层接触面最大主压应力为－２． ２ ５ＭＰ ａ， 位置不变， 而横梁和横隔板相接处和有斜撑支撑的局 部位置处有０． ０ ２ＭＰ ａ的主拉应力。 随着时间的推移， 接触面应力由于受到混凝土收 缩徐变的影响会发生变化， 故文中计算成桥１ ０年后接 触面的应力状态。大桥地处亚热带潮湿地区， 年平均 相对湿度取７ ０％， 水泥种类系数取５． ０， 加载时混凝土 龄期取３ｄ， 计算结果见图４、５。 考虑混凝土１ ０年收缩徐变后， 第一层接触面附近 主拉应力为０． １ ９ＭＰ ａ， 主压应力为－６． ２ ３ＭＰ ａ， 第二 层接触面主拉应力为０． ３ ４ ＭＰ ａ， 主压应力为－６． ３ ２ ＭＰ ａ。可见， 分层浇筑的接触面应力都不大， 且没有出 现会导致结构开裂或破碎的拉压应力。 ３． ２． ２ 支架安全性分析 采用有限元计算结果与实测结果比较见表１。 ７０１ ２ ０ １ ４年 第５期 刘昀， 等 大跨度斜拉桥桥塔下横梁安全施工方案研究 （b） 第三主应力（a） 第一主应力 2.443 31e-002 2.078 50e-002 1.713 69e-002 1.348 88e-002 9.840 66e-003 6.192 54e-003 2.544 42e-003 0.000 00e000 -4.751 82e-003 -8.399 93e-003 -1.204 81e-002 -1.569 62e-002 MAX6 481 MIN4 967 表示-方向 X-0.343 Y-0.850 Z0.399 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P1 X Z Y -7.682 84e-001 -9.028 56e-001 -1.037 43e000 -1.172 00e000 -1.306 57e000 -1.441 14e000 -1.575 71e000 -1.710 28e000 -1.844 86e000 -1.979 43e000 -2.114 00e000 -2.248 57e000 MAX6 496 MIN4 976 表示-方向 X-0.483 Y-0.837 Z0.259 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P3 X Z Y 图３ 工况３ 第二层接触面上层混凝土表面主应力云图（ 单位ＭＰ ａ） （b） 第三主应力（a） 第一主应力 1.910 46e-001 1.637 74e-001 1.365 01e-001 1.092 28e-001 8.195 53e-002 5.468 26e-002 2.740 98e-002 0.000 00e000 -2.713 57e-002 -5.440 85e-002 -8.168 13e-002 -1.089 54e-001 MAX9 062 MIN4 880 表示-方向 X-0.483 Y-0.837 Z0.259 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P1 X Z Y -4.578 12e000 -4.728 07e000 -4.878 02e000 -5.027 98e000 -5.177 93e000 -5.327 88e000 -5.477 83e000 -5.627 79e000 -5.777 74e000 -5.927 69e000 -6.077 65e000 -6.227 60e000 MAX4 877 MIN4 798 表示-方向 X-0.483 Y-0.837 Z0.259 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P3 X Z Y 图４ １ ０年收缩徐变后第一层接触面混凝土主应力云图（ 单位ＭＰ ａ） 支架的计算最大竖向位移为１ ４． ７ ２ｍｍ， 计算钢 管最大压应力为８ ５． ８ＭＰ ａ， 支架受力均处于规范允许 范围内。通过计算值与实测值的比较可以发现， 两者 应力变化趋势一致， 钢管应力增量相差最大为 １． １ ＭＰ ａ， 其余各处差异均在１ ＭＰ ａ之内， 可见计算模型 比较接近实际情况。 三次浇筑三次张拉法施工横梁减轻了支架系统的 负荷， 保证了在不更换已有材料设备的条件下进行施 工的可行性， 为进一步分析支架系统的安全性， 对支架 进行了稳定性分析。采用前述模型的支架系统， 选取 钢管应力最大时对应的施工工况（ 工况４） ， 施加该工 况下支架顶端单元对应的内力， 边界条件取支架底部 固结； 顶部约束水平面内２个方向的线位移（Ｘ， Ｚ方 向） ； 两塔身支撑处约束３个方向的线位移（Ｘ，Ｙ，Ｚ方 向） 。进 行特征 值 稳 定性分析， 计 算 得 稳 定 系 数 为 ６ ． ２ ５， 失稳模态为侧向失稳， 满足规范要求。 ４ 结论 对采用三次浇筑三次张拉法施工的桥塔下横梁进 行了施工设计计算， 得出以下结论 （ １）采用三次浇筑三次张拉法进行大跨度斜拉桥 桥塔横梁施工可以减小支架系统的受力， 使支架可以 做得更为轻柔。此方法既能保证大跨度桥梁桥塔横系 ８０１ 中 外 公 路 第３ ４卷 （b） 第三主应力（a） 第一主应力 3.426 37e-001 3.009 68e-001 2.592 98e-001 2.176 28e-001 1.759 58e-001 1.342 88e-001 9.261 84e-002 5.094 85e-002 0.000 00e000 -3.239 12e-002 -7.406 10e-002 -1.157 31e-001 MAX9 143 MIN6 974 表示-方向 X-0.483 Y-0.837 Z0.259 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P1 X Z Y -4.371 22e000 -4.548 64e000 -4.726 07e000 -4.903 50e000 -5.080 93e000 -5.258 36e000 -5.435 78e000 -5.613 21e000 -5.790 64e000 -5.968 07e000 -6.145 50e000 -6.322 93e000 MAX6 357 MIN9 092 表示-方向 X-0.483 Y-0.837 Z0.259 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR SOKID STRESS SIG-P3 X Z Y 图５ １ ０年收缩徐变后第二层接触面混凝土主应力云图（ 单位ＭＰ ａ） 表１ 支架计算与实测结果 工况 计算支架最大 竖向位移／ｍｍ 计算平均应力／ＭＰ ａ 内侧增量外侧增量 实测平均应力增量／ＭＰ ａ 内侧外侧 １－８． １ ９－５ ２． ４－－４ １． ４－－－ ２－１ １． ３ ６－６ ８． ４－１ ６－５ １． ５－１ ０． １－１ ４． ９－９． ５ ３－１ ２． ４ ６－７ ３． ３－４． ９－５ ５． ４－３． ９－４． ３－４． １ ４－１ ４． ７ ２－８ ５． ８－１ ２． ５－６ ５． ６－１ ０． ２－１ ２． ３－１ ０． ６ 梁施工的受力和安全， 又可以使施工更经济， 且具有可 操作性。 （ ２）分析分层浇筑混凝土的接触面需要借助实体 单元， 考虑预应力和混凝土收缩徐变效应， 才能较好地 模拟其真实的应力水平和发展。 （ ３）横梁预应力对改善混凝土施工过程中的应力 和位移有重要的作用， 通过多次张拉预应力可以调整 由于分层浇筑引起的接触面应力， 减小了混凝土开裂 的可能， 同时也使横梁的应力分布更为均匀。 （ ４）通过对支架系统受力分析和实测结果的比 较， 发现两者的应力增量趋势相同且误差不大， 计算模 型比较符合实际情况； 通过对系统的稳定性分析发现 结构稳定系数为６． ２ ５， 施工安全可以得到保证。 参考文献 ［１］ 林元培． 斜拉桥［Ｍ］． 北京 人民交通出版社，２ ０ ０ ４． ［２］ 邵旭东． 桥梁工程［Ｍ］． 北京， 人民交通出版社， ２ ０ ０ ４． ［３］ 夏建国． 桥塔施工方法和计算简介［Ｊ］． 上海铁道大学学 报，１ ９ ９ ８（ ８）． ［４］ 夏建国， 沈桂平． 大跨度桥梁桥塔横系梁施工方案探讨 ［Ｊ］． 工程力学， １ ９ ９ ７（ 增刊）． ［５］ 姚莉， 孙莉， 刘祚波． 大型斜拉桥下横梁设计与施工［Ｊ］． 水运工程，２ ０ ０ ８（ ４）． ［６］ 谢功元， 何占忠， 卜东平．山区斜拉桥下横梁施工技术研 究［Ｊ］． 公路交通科技， ２ ０ ０ ７（８）． ［７］ Ｊ Ｔ Ｊ ０ ４ １－２ ０ ０ ０ 公路桥涵施工技术规范［Ｓ］． ［８］ 武志军． 塔梁固结体系斜拉桥下横梁预加力效应研究 ［Ｊ］．世界桥梁， ２ ０ ０ ８（３）． ［９］ 王爱国， 杨少宏． 预应力混凝土箱型连续梁支架法现浇施 工技术［Ｊ］． 铁道工程学报， ２ ０ ０ ２（３）． ［１ ０］ Ｊ Ｔ Ｇ Ｄ ６ ２－２ ０ ０ ４ 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥 涵设计规范［Ｓ］． ９０１ ２ ０ １ ４年 第５期 刘昀， 等 大跨度斜拉桥桥塔下横梁安全施工方案研究