异形分叉式扁平钢箱主梁异型组合悬索桥施工控制

　　摘要：文章以厦门市山海健康步道人行景观节点五桥梁为背景，分析了节点五景观人行桥的结构设计特色与受力特点，介绍了该桥施工监控的主要工作内容以及线形控制的关键技术。

　　1　项目背景

　　厦门市山海健康步道节点五桥采用异形钢箱连续刚构与悬索桥组合体系，跨径布置为：4×20+70.5m，全长163.3m。边跨（20m跨）为连续刚构体系，柔性的P1~P4钢管混凝土桥墩与主梁刚接（焊接），主跨（70.5m跨）为悬索组合体系。悬索桥主缆一端锚固在主梁上，另一端通过铰接与地面的独塔斜塔顶部的背索连接锚固在山坡的锚碇上。桥梁总宽从4.4m渐变至10.13m后分叉。主梁采用扁平单箱三室钢箱结构，梁高0.8m，标准段宽4.4m，底板宽0.8m。箱梁内顶底板采用纵向板肋作为加劲肋。主梁横隔板标准间距1m布设。桥塔采用梭形造型，独塔斜高20.35m。桥塔断面为正方形变截面构造以突出线条造型，塔顶底断面对角线长0.5m，塔中断面对角线长1.2m，按圆曲线渐变，桥塔箱型断面的壁厚30mm。桥塔内横隔板标准间距1.5m布设，横隔板厚20mm。主缆索面设计为空间双索面，基本线型设计为空间抛物线。成桥图如图1所示。

　　2　桥梁结构受力特点

　　因为结构设计一改传统普通桥型的经典思路，结构形式上的创新必然导致结构受力的复杂化。根据桥梁结构形式及受力特点，为保证结构的稳定性和平衡，设计时采用复杂的构造措施。桥塔设计倾斜68.5°，为防止桥塔侧倾，采用两根背索及桥塔支撑来平衡桥面荷载产生的桥塔侧倾力，桥塔与基础采用球铰支座连接，允许微小转动，释放塔底弯矩；悬索桥主缆一端锚固在主梁上，另一端与背索相连锚固在地锚锚碇上，构造上将P5、P6桥台与T0桥台采用联系梁连接，以平衡梁上主缆锚固点的水平分力（推力），故本桥设置为五跨一联结构；主梁采用异形分叉式扁平钢箱结构，主线桥逐渐变宽并分叉成两支独立结构，两独立分支结构会相互影响制约，在分叉点处横隔板加厚，由于分叉前结构逐渐变宽，在分叉点处结构突然分为两支较窄的独立结构，存在较大的刚度突变，连续性和整体性发生变化。由于分叉式异形连续箱梁桥由直线段、曲线段及异形段组成，所以它一方面具有直线箱梁桥与曲线箱梁桥两者的受力特点，另一方面受桥梁变宽度、变曲率等因素的影响，其力学行为较为复杂。该类桥梁在荷载作用下除会产生拉压、弯曲和剪力外，还将产生扭转、翘曲和畸变，同时各种效应之间的耦合作用十分复杂。

　　3　施工监控要点

　　3.1　监控原则

　　在满足安全的前提下，控制主缆线形、吊索索力和主梁线形和应力，以主梁线形控制为主，以索力控制为辅。

　　3.2　施工过程中加劲梁的施工控制

　　（1）钢箱梁节段的线型匹配。本桥钢箱梁全长163.3m。梁体分为11个节段。梁段的具体划分为22.5m、3×20m，8.7m、14m、15.5m、10m、4.5m、4m、12.8m。全部梁段先在工厂分段预制，后运输到现场，逐段吊装至支架上进行焊接。工厂在加工作业时采用短线台座，需要进行梁段之间的端口匹配，在该台座之上还需要施作梁段与梁段之间匹配线形的控制曲线。控制的要素主要有中线上控制点位置以及其高程。在施工工地上要完全依据控制曲线进行各个梁段的吊装、焊接、安装。

　　（2）现场架设安装各支点标高的控制。支架高程的控制主要以支架立柱上砂桶顶面高程的控制为准。在钢箱梁安装前可先测出直接支承在钢箱梁下部的砂桶的准确高度值，同时修正调整高度，使各分段的砂桶高程达到设计要求，误差在规范容许范围之内。

　　现场拼装除了按照匹配线进行对接外，通过采用精密水准仪测量节段之间桥梁面纵向相对高差，按照理论计算值进行微调。采用此种控制方法的优点是仅对钢箱梁桥面线型控制，可以保证悬索桥的吊杆位置与设计一致，同时因桥面线形精度高使梁底的线形顺直。

　　（3）钢箱梁平面轴线的控制。不容许吊装梁段之间平面上出现折线。对于钢箱梁轴线的控制，主要以全站仪控制钢箱梁的轴线测量点（钢箱梁卸胎架前，布置的轴线控制点）。钢箱梁起吊安装前检查测量控制点的位置是否符合设计要求；可在测量点上贴上反光以提高测量精度。对于曲线段钢箱梁要加密控制点。钢箱梁安装后先电焊对位，再复测测量钢箱梁的安装位置坐标是否符合设计要求，再进行满焊。

　　3.3　成桥状态主缆线形

　　成桥状态下的主缆线形应与设计一致，是指满足设计基本参数和力学性能指标条件下成桥结构的受力状态和结构的几何形状。建立悬索桥施工阶段精细化有限元模型可得空缆线形、吊索长度、主缆无应力长度、空缆状态索夹三维坐标、吊杆张拉等施工监控参数。依据设计图纸建立符合现场实际条件的连续刚构与悬索组合桥梁施工全过程三维精细化有限元模型，用于现场施工监控对桥梁各施工阶段对几何线形与桥梁关键构件内力控制的需求。

　　3.4　主缆及背索无应力索长的计算

　　首先根据成桥设计状态算出主缆无应力长度，在结构施工及建成后，不管结构温度如何变化以及施加何种外荷载，任一索段无应力长度始终不变，根据这一原理可以以主缆及背索的无应力长度为下料长度。根据《公路悬索桥设计规范》（JTG/T D65-05-2015），本桥属于中小跨径悬索桥，故主缆的无应力长度采用抛物线法计算得到。根据抛物线法的基本假定，假定索是理想柔性的，既不能受压也不能受弯；索的材料符合胡克定律；主缆的截面面积和自重集度在外荷载作用下变化量十分微小，忽略不计；在成桥状态将主缆荷载分布近似看作为沿跨度方向的均布荷载。

　　3.5　空缆线形及塔顶预偏量计算

　　因为主缆、背索通过塔顶耳板与桥塔连接，且桥塔与基础采用球铰连接，允许微小转动，故如果在施工过程中主缆和背索的水平分力相差很多，从而引起主塔塔顶往主跨一侧发生较大位移。为确保桥塔塔顶位置与设计位置相吻合，在施工开始时应通过计算确定塔顶向主跨一侧的预偏量，随着主缆、背索及吊杆张拉工作的进行，随着塔顶的微小移动来释放该不平衡水平力，保证主塔的受力安全，确保塔顶位置与设计位置吻合。具体操作方法是：首先采用倒拆分析法，以成桥状态作为初始状态，考虑主缆在梁端锚固点为主梁施加的水平力以及塔顶的竖向力使主梁和主塔形成平衡力系，倒拆各根吊杆得到空缆线形和塔顶预偏量，其次利用有限元模型进行正装分析，验证该空缆线形和塔顶预偏量在成桥状态下是否能使主缆达到成桥线形，若能闭合则计算所求得的空缆线形和塔顶预偏量符合施工监控要求，否则分析原因，提出解决方案。

　　3.6　主缆、背索及吊杆张拉

　　为了达到理想成桥状态，在主缆、背索张拉之前先进行主缆、背索的初拉力有限元计算，由成桥状态进行倒拆吊杆分析得出空缆阶段主缆内力，并以此为主缆的初拉力，随后拆除主缆，仅保留背索得到背索内力，并以此为背索初拉力。现场施工在背索、主缆及吊杆安装完成之后进行卸架，卸架后对主缆和背索同时进行初张拉，初张拉力为先前有限元计算所得到的结果。随后进行吊杆张拉，厦门山海健康步道节点五号桥吊杆张拉顺序为自主跨侧往桥塔侧依次张拉每根吊杆，编号顺序为L1~L16，张拉力大小通过有限元模型正装分析可得到。初张拉以主梁线形控制为主，索力控制为辅，在整个张拉过程中应实时监测主缆、背索及吊杆内力，注意测量主梁各个截面应力变化。现场实测发现主缆、背索及吊杆内力值整体相对于设计值偏小，故需要对主缆进行补张拉调整。主缆补张拉以伸长量控制，经计算主缆补张拉所需伸长量为2cm，等张拉完成后测量主梁线形直至满足设计要求，同时使主缆、吊杆以及背索的索力与设计期望值的误差满足规范要求。

　　4　结语

　　（1）异形分叉式扁平钢箱主梁异型组合悬索桥综合了分叉式异型主梁、空间主缆、非对称跨布置、单斜塔等诸多特色，在满足人群分流汇流的同时兼具良好的视觉美感和景观效应，非常适用于市政景观人行桥。

　　（2）施工监控过程中，在满足安全的前提下应注意对主缆线形、吊索索力、主梁线形和应力进行监控，以主梁线形控制为主，索力控制为辅，确保最终达到理想成桥状态。

　　（3）基于抛物线理论对中小跨径悬索桥无应力索长的计算分析，计算结果基本符合施工控制要求。

　　（4）对于斜桥塔悬索桥，为确保其在成桥时基本处于轴压状态或者尽可能的减小塔底弯矩，施工监控中应注意考虑是否需预设塔顶预偏量。

　　作者简介：傅富裕（1985-），男，福建莆田人，厦门市市政建设开发有限公司工程师，研究方向：工程管理。

　　参考文献

　　[1]JTG/T D65-05-2015．公路悬索桥设计规范[S]．

　　（责任编辑：刘振敏）