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独塔双索面非对称斜拉桥边跨现浇梁各施工阶段受力研究

2024-10-14 92 上传者：管理员

摘要：文章依托江汉四桥拓宽工程项目，针对独塔双索面非对称斜拉桥边跨的结构特点，结合该桥的特殊环境，采用有限元软件Midas Civil建立实桥模型，对边跨现浇梁进行各施工阶段受力分析，验证了施工顺序安排的合理性和可行性。

关键词：
异形结构
有限元模型
桥梁工程
独塔斜拉
现浇梁
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斜拉桥在造型、跨距、刚度、通航等方面具有比较优异的表现，故广泛应用于我国桥梁工程的建设之中[1-2]。由于受地形、地物限制，斜拉桥主跨需要更大跨径去跨越山川、河流，而为了节约造价一般将主塔设置在河流岸边或浅滩上[3-4]。这使主塔两侧主梁跨径不对等，故也导致主跨主梁需采用比较轻盈材料和截面，边跨主梁需采用厚重的材料和截面。即主跨采用钢结构，边跨采用混凝土结构以平衡主塔两侧的重量。边跨采用混凝土结构不仅可以平衡主塔两侧自重，同时还降低了工程造价、让斜拉桥主墩设置于更加合理的位置。

本文依托江汉四桥拓宽工程月湖桥为研究背景，采用有限元软件Midas Civil建立实桥模型，以桥梁边跨结构本身因素(预应力、混凝土自重，弹性模量、斜拉索)和施工顺序为主要研究对象，分析验证桥梁施工顺序的合理性，确保月湖桥保质保量顺利施工，以期为类似斜拉桥的边跨现浇施工提供参考与借鉴。

1、工程背景

江汉四桥拓宽工程在距既有月湖桥6.75 m位置新建一幅跨江大桥作为复线桥，外观型式与既有桥梁保持一致，为独塔双索面非对称斜拉桥。主塔2#墩位于汉口江滩，呈钻石型，塔高为114.5 m,主桥全长为362 m,主跨与边跨比值为1.785∶1,其中主跨232 m为钢混叠合梁。桥面宽23.5 m,分为28个节段，标准节段长8 m;边跨130 m为异形截面混凝土梁，跨径由桥墩划分为70 m+40 m+20 m,边跨混凝土桥面宽23.5～32 m,左右侧为非对称结构；主跨和边跨分别设有26对平行钢丝斜拉索。主桥立面如图1所示。

主桥边跨位于汉口商业中心，道路连接线起点距离城市主干道转盘较近，因此边跨较主跨长度短了102 m。主跨采用工字钢梁与桥面预制板结合而成，梁高1.6 m,重量轻。边跨上跨沿河大道及防洪墙段，受通行净高限制采用π梁，远离主塔端为异形截面箱梁，箱室内浇筑1 870 t配重混凝土。2#主墩塔梁为固结结构，3#、4#、5#墩采用拉压支座，3#墩和4#墩的左右幅支座承载力分别为8 000 kN、9 000 kN,5#墩的左右幅支座承载力分别为5 000 kN、6 000 kN。

图1月湖桥立面图(cm)

2、边跨异形结构混凝土梁简介

主桥边跨现浇混凝土由2#主塔往5#墩方向分为四个节段，其中Ⅰ节段为塔梁固接段，Ⅱ节段为π梁，Ⅲ、Ⅳ节段为箱梁。原设计施工顺序为Ⅰ节段→Ⅳ节段→Ⅲ节段→Ⅱ节段(见图2)。

图2原边跨分段及施工顺序平面图(cm)

Ⅱ节段为等高等宽边主梁，梁高2.1 m,梁顶宽23.5 m,梁底宽24 m。桥面顶板厚30 cm,边梁宽220 cm。Ⅲ、Ⅳ节段为变高变宽单箱单室箱型截面主梁，标准梁高2.1 m,在3#、4#、5#墩处局部加高至2.7 m,梁顶宽23.5～27.011 m,梁底宽24～27.511 m。除两端施工节段线处顶底板厚30 cm外，其余部分顶底板厚为25 cm,标准边梁宽为220 cm。

纵向预应力采用12-ϕs15.2、5-ϕs15.2和扁5-ϕs15.2,预应力钢绞线采用群锚锚固。纵向预应力按张拉顺序大致分为两类：一类是随主梁分块现浇逐段张拉锚固、逐段接长的预应力束，一类是主梁Ⅰ、Ⅱ号块浇注完成后再统一穿索张拉的预应力束。张拉方式有单端张拉和两端张拉。横梁内布置有横向预应力，采用12-ϕs15.2、15-ϕs15.2、17-ϕs15.2和19-ϕs15.2钢绞线，部分横梁预应力在主梁分块现浇完成时张拉，其余部分待边跨主梁横向落架后再张拉，所有横梁预应均采用两端张拉。如图3～4所示。

图3Ⅰ、Ⅱ节段横截面图(cm)

图4Ⅲ、Ⅳ节段横截面图(cm)

整个边跨均在现浇支架上实施，主塔封顶前完成邻近塔梁固结的Ⅱ节段π梁现浇及预应力张拉，然后逐节段安装跨江段的钢混结合梁，同步对称安装主跨和边跨的斜拉索，利用斜拉索和边跨作为配重保证钢混叠合梁悬臂拼装时期的体系平衡。

3、按原设计施工顺序对边跨异形结构混凝土梁进行受力分析

边跨所处位置地质情况：地表往下依次为素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、黏土、粉细砂、中粗砂、粉质黏土，荷载持续作用下易产生沉降，现浇支架地基需实施钻孔灌注桩基础或扩大基础进行处理，确保支架零沉降。其中Ⅱ节段所处位置地下管线复杂且有防洪墙，所跨越的道路为交通主干道，无法封闭施工，故Ⅱ节段所处位置无法实施大面积的地基处理。若支架地基不进行加强处理钢管支架持续承载时间超过2个月后地基沉降量可>20 mm。

经验算，若支架地基不进行加强处理，地基沉降20 mm时Ⅱ节段主梁下缘拉应力达到3.3 MPa,出现开裂，临近的3#桥墩支座承载力将达到22 000.8 kN,超出3#桥墩的设计支座承载力17 000 kN,严重影响桥梁结构质量和安全。如图5～6所示。

图5主梁边跨应力图(MPa)

图6主梁边跨支座反力图(kN)

4、调整施工顺序后对边跨异形结构混凝土梁进行受力分析

4.1边跨异形结构混凝土梁调整后施工顺序简介

为确保主梁施工质量及桥墩安全，研究减少混凝土梁在支架上的压载时间，将45 m长Ⅱ节段分5个小节段浇筑，减轻压重，并迅速完成现浇、养护、张拉、挂索，使得支架尽快脱空。即将原施工顺序调整为Ⅰ节段→Ⅳ节段→Ⅲ节段→Ⅱ-1梁段→Ⅱ-2梁段→Ⅱ-3梁段→Ⅱ-4梁段→Ⅱ-5梁段。见表1及图7。

表1Ⅱ节段分节浇筑参数表

图7主梁边跨立面布置图(cm)

将边跨支架一次性安装完成，按照现浇梁工序施工Ⅱ-1梁段钢筋、模板、混凝土、张拉、压浆，完成后立即进行挂索，同步安装主跨第一节段，张拉S1、M1斜拉索，依次安装主跨第二节段，张拉S2、M2斜拉索，依次安装主跨第三节段，张拉S3、M3斜拉索。每节段悬臂最前面一根索如依次安装主跨第二节段张拉S2、M2斜拉索时，只做一次张拉，之后浇筑Ⅱ节段的下梁段混凝土，再进行第二次拉张。例如Ⅱ-1梁段最前端索S3、M3先只进行一次拉张，待Ⅱ-2梁段浇筑、预应力张拉完成后再对索S3、M3进行第二次拉张。这样可使当前节段全部斜拉索以最快速度挂索，主梁受地基沉降影响最小。边跨Ⅱ节段施工基本流程如表2所示。

表2边跨Ⅱ节段施工基本流程表

4.2边跨异形结构混凝土梁边跨Ⅱ节段各施工阶段模拟分析

4.2.1支座反力

利用有限元软件Midas Civil建立实桥模型模拟施工过程，计算各个施工阶段的支架反力和混凝土梁应力。

经计算，S2～S9索位置的支架反力最大值为588.9 kN,由5根钢管支架分摊，单根承载为117.78 kN;在现有地面浇筑2 m×3 m×0.6 m的支架基础，要求地基承载力为44 kPa,位于道路车行道上，地基承载力能够满足要求；S1索支架反力1 367.7 kN为最大值，地基承载力要求最高，需要进行地基处理。见图8。

图8索S9、M9第一次拉张时支架反力示意图(kN)

4.2.2边跨Ⅱ节段施工阶段混凝土主梁应力

边跨Ⅱ节段各施工阶段混凝土主梁应力如表3所示。

5、结语

本文以江汉四桥拓宽工程中跨江斜拉桥(月湖桥)为现实依据，利用有限元软件Midas Civil建立实桥模型模拟施工过程对独塔斜拉桥边跨主梁进行分析。重点分析了斜拉桥边跨Ⅱ节段在不同施工顺序条件下的受力情况，得出以下结论：

表3边跨Ⅱ节段施工阶段混凝土梁应力表(MPa)

(1)斜拉桥边跨异形结构混凝土梁按原施工顺序施工时，由于支架受力持续时间长，采用扩大基础不可避免会产生地基沉降。当沉降量达到20 mm时，将导致支点反力超过支座设计承载力。故按原施工顺序施工必须对支架基础进行地基处理以消除地基沉降。结合各种基础特点，支架选取钻孔灌注桩作为基础，然而整个支架位于沿河大道上，现场无条件进行钻孔灌注桩施工，即按原有施工顺序施工无法保证边跨异形结构混凝土梁的质量和安全。

(2)斜拉桥边跨异形结构混凝土梁按调整后的施工顺序施工时，支架支反力较小，仅S1索支架反力达到1 367.7 kN,需对基础进行处理。考虑到该位置位于江滩，紧邻围堰且有钻孔灌注桩作业空间，故采用钻孔灌注桩基进行处理以满足承载要求，与原有施工顺序对比调整后的施工顺序基础处理工程量减少了90%。

(3)斜拉桥边跨异形结构混凝土梁按调整后的施工顺序施工时，主梁应力最小值为-0.8 MPa,整个施工过程中均为压应力，有利于边跨异形结构混凝土梁质量控制，可以有效防止主梁裂缝的产生。

(4)通过对边跨异形结构混凝土梁施工顺序调整前后的对比可知，调整后的施工顺序支架基础处理工程量大大减少，施工顺序更加合理，且可以满足设计要求。

参考文献:

[1]王亚洲.预应力混凝土π型梁斜拉桥施工控制[D].哈尔滨:东北林业大学,2017.

[2]黄俊强.温度效应对预应力π型梁斜拉桥受力性能的影响分析[J].西部交通科技,2022(4).

[3]王谦.沈传东.王敏.独塔非对称斜拉桥施工方案研究[J].市政技术,2017,35(1):62-64.

[4]赵晓晋.独塔地锚PC斜拉桥结构参数及体系研究[D].西安:长安大学,2017.

文章来源:何振华,李湘华,罗国,等.独塔双索面非对称斜拉桥边跨现浇梁各施工阶段受力研究[J].西部交通科技,2024,(10):143-145.