曲线形独塔无背索斜拉桥施工控制关键技术研究

黄安民

摘要 为了使桥梁的内力和线性均可达到预期设计要求，选择无应力状态控制法对桥梁加以控制，完成曲线型独塔无背索斜拉桥的施工，从而解决过去桥梁在斜拉索方面存在的“超长”问题，研究项目根据实际工程情况，采用文献分析法与案例分析法，查询相关的文献资料，对钢混混合梁结构的斜拉桥主梁进行研究分析，采用先梁后塔与塔索同步的施工方案。应用研究发现，在该工程施工技术与质量控制期间，加强对主梁线性的有效控制，同时兼顾对索导管的倾角修正，可实现斜拉索一次张拉到位。实践表明，应用该技术能及时发现引发斜拉索“超长”问题的原因，计算放索前目标索力，为相关工程施工控制提供借鉴与参考。

关键词 无背索；斜拉桥；钢混混合梁；施工控制

中图分类号 U445.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0122-03

0 引言

工程项目为无背索独塔斜拉桥，整体采用塔梁墩固结钢构体系，桥梁主梁为钢混混合梁结构，其中钢箱梁与预应力混凝土箱梁长度分别为91 m和44 m，结合段长度2 m，箱梁均为单箱三室结构，预应力混凝土箱梁高度3 m，钢箱梁高度2 m。斜拉桥的桥塔位置采用钢混结构，桥塔高度72 m，纵向为满足景观造型和采用反S形曲线拟合，终端倾斜角50°，底部与顶部角度接近于垂直状态。采用“先梁后塔”与“塔索同步”的施工方案，加强对索导管倾角与桥塔内力的有效施工控制，以保障施工质量，提高施工效率。

1 结构体系

以往的无背索斜拉桥在施工控制环节主要是凭借着桥塔自身的自重与刚度特征，依靠斜塔自重完成对塔梁固结点位置的弯矩抵消。预应力混凝土材料的应用会让桥的主梁承载力偏大，不利于满足索塔自重要求。与此同时，斜拉桥作为一种高次超静定结构，在成桥的线形方面有着十分详细且严格的要求，节点坐标的改变会直接对桥梁结构内力分配情况产生影响。一旦斜拉桥的线形与设计值发生偏离，将会造成内力与设计值不相符。所以，在工程结构体系设计环节，有必要加强对拉索垂度、临时荷载或混凝土收缩等影响因素的分析，兼顾各项条件，完成结构体系的调整。该项目内，桥梁主要以钢构体系为整体结构，主梁为钢混组合梁，主塔为钢筋混凝土结构，中央分隔带的位置设斜拉索。由于桥梁建设对周围景观要求比较高，经过勘测得知河道的宽度在100 m左右，该项目中的无背索斜拉桥为了适用于该河道宽度，需要依靠桥塔重力来平衡主梁的荷载，使主塔的倾斜度达到60°左右。在塔梁墩固结体系下，只有少数小跨径桥会将塔梁固结和塔墩分离。

设计期间，加强对不同计算方法的应用，计算出不同施工阶段下索力与梁体变形情况，依据理论计算结果得到材料弹性模量与构件的重量信息，按照温度变化情况，掌握临时荷载变化趋势，确保影响因素对工程施工控制带来的改变，防止预期施工与实际施工之间不一致。由于斜拉桥在施工期间存在着理论和实际偏差问题，且这种偏差还有累积性，所以需要进一步调整和控制。基于无背索的斜拉索多为扇形与竖琴形，很少会用辐射形。从实际情况来看，扇形与竖琴形的索面无论是外观，还是受力上都十分相似。竖琴形索面可以更早的张拉首索，便于塔柱位置进行悬臂施工，为平衡主跨荷载，塔柱需要实心。扇形索面中短索倾角偏大，索导管较长，容易影响施工效率。该项目选用竖琴形索面，配合曲线型塔柱进行施工，其中前2根短索塔短索导管长度为16.5 m[1]。为降低主梁的重量，使塔柱自重有所减轻，项目中根据该斜拉桥的实际情况，融合施工现场环境气候特点，采取钢混组合结构，发挥钢筋与混凝土材料的作用。主梁位置应用钢混结构，以主跨为分界点位，同塔梁固结点保持大约19 m的距离。分界点位置需要分析主梁的应力传递情况与主梁刚度变化情况，所以钢混结合段处需要做好结构体系的优化，加强预应力结构分析，保障桥梁整体结构的稳定与安全。

2 工程施工方案

2.1 总体施工方案

常规斜拉桥会采取先塔后梁与主梁悬拼相结合的结构形式，但无背索斜拉桥的塔柱会产生倾斜，塔柱自身无法有效保持平衡，需依靠斜拉索保持主梁的重量平衡，所以无背索斜拉桥需要先梁后塔，且塔索同步进行施工，完成主梁架设后再对主塔进行悬臂节段施工，项目整体施工方案主要为“先梁后塔”与“塔索同步”。具体施工流程如下：搭设桥梁支架，对混凝土箱梁与钢混结合段进行现浇施工，随后安装钢箱梁。张拉箱梁预应力浇筑混凝土。搭设主塔平台，依靠劲性骨架对主塔节段进行悬臂浇筑，保持塔端同步张拉斜拉索，最终放索，将主梁支架与主塔支架一次拆除[2]。

2.2 承台深基坑施工方案

项目施工位置内存在淤泥质土壤，填筑材料内掺杂岩石，一般深基坑施工多为放坡开挖与围堰施工方法相结合，但施工期间存在一定风险。该项目决定采用“放坡+围堰开挖”施工方案，放坡开挖的同时观察土壤与水文变化情况，必要时使用钢板桩围堰，开挖期间如果填土效果良好，可将放坡开挖的坡比设计为1∶1.25，随后挂网喷浆护面，依靠抽水机提高施工效率。

2.3 承台一次性浇筑方案

项目中桥梁承台属于大体积混凝土，根据图纸要求对承台位置分层施工。为防止混凝土结构产生稳定裂缝，要求结构内外温差不能超出±25 ℃，采用分层施工手段预防裂缝问题，加强对混凝土入模时温度的有效控制，要求混凝土温度≤30 ℃。此外，使用低水化热胶凝材料，比如具有低水化热特征的硅酸盐水泥，材料内掺入一部分粉煤灰，使其不会对混凝土强度产生影响，还能降低材料发热量，防止混凝土结构内部出现温度急剧升高的情况。夏季施工时，要求掺入粉煤灰的混凝土入模温度≤30 ℃，冷却水管共3层，每层保持1 m的间隔距离，水管间距1.2 m，承台养护7 d后可以拆模。

3 施工控制关键技术

3.1 主梁施工技术

钢混混合梁结构中，钢箱梁与混凝土梁的高度分别为2 m和3 m，采用单箱三室斜腹板界面，混合位置处于主跨区域，与主塔中心相距19 m。对主梁进行浇筑与拼装，边跨区域的混凝土主梁跨径为25 m，实施钢管临时墩与贝雷架相结合的施工方案，为防止临时墩沉降，避免主梁出现开裂的问题，要求钢管临时墩必须支撑在承台上，贝雷架的跨径达到25 m。边跨区域主梁自重770 kN/m，所需贝雷架数量较多，需增強支点位置的剪力。钢混混合梁施工时，先进行主梁施工，再进行混合段施工，张拉主梁预应力，最终安装钢箱梁[3]。

对主梁结构线形控制，由于项目中该斜拉桥的预应力混凝土箱梁端选择采用现浇法进行施工，分段拼装钢箱梁，共计11个阶段，标准段的长度为8 m，通过合理设置主梁预拱度可以完成对线形的有效控制。

3.2 主塔施工技术

承台之上主塔高度72 m，下塔柱高度12 m，主梁以上高度60 m，中心线纵向采用反S形的曲线形式拟合，使主塔中部倾斜角达到50°，塔底部和顶部的角度接近垂直状态，纵向宽度呈渐变，底部与顶部纵宽分别为11.75 m和3.25 m，横向等宽3 m。主塔位置使用四边倒角实心截面，纵向宽度从底部向顶为1.5～0.5 m的渐变，横向宽度等宽0.3 m。上塔柱共划分成15个节段，浇筑高度最大为4.581 m，根据模板受力情况进行节段划分，塔根位置最大拉应力＜2 MPa时不会产生受力裂缝的问题。

对斜拉桥的桥塔进行线形控制。一般斜拉桥桥塔部位呈垂直状态，两侧斜拉索的索力会均等分布，实际施工过程中无需对桥塔的预偏量进行额外设置。项目内，针对该斜拉桥，加强线形控制，将桥塔的预偏量分别划分为水平与竖向两部分，此外计算结果需通过施工环节计算得到。对桥塔位置进行分段浇筑施工，计算每节塔柱浇筑施工环节的节段预偏量，同时计算索塔锚固点位置的预偏量值，从坐标中得到预偏量结算，见表1，科学掌握预偏量的变化趋势，完成对桥塔线形的有效控制，为后续斜拉桥施工技术的应用提供数据参考。

3.3 索导管倾角控制

完成桥梁线形的控制后，接下来还要安装索导管，判断斜拉索垂度给倾角控制造成的影响，确保斜拉索位于导管内部，且保持位置居中，实现对索导管倾角的有效控制，将倾角取值为锚固点倾角，采用切线法对倾角变化量加以计算。该项目内，桥梁的塔柱为实心的，且索导管的长度在16.5 m左右，已经超出索长大约三分之一，计算后利用割线法对索导管倾角进行调整，修正夹角，使导管前端的降低值能够低于索导管中点位置的垂度，最终符合施工要求。

3.4 桥塔内力控制

桥台选择倾斜的钢混结构，由于弯矩偏大，桥塔位置会形成较大的拉应力，严重时会造成受力裂缝，由此，需加强对各环节斜拉索索力的控制。

3.4.1 张拉索力

为保证倾斜塔柱局部平衡，在桥塔节段施工环节要求张拉索力与成桥索力必须一致，因主梁预拱度存在，落架前桥塔与索梁锚固点的间距较小，此时斜拉索看起来“超长”。其中cb1-cb6号的斜拉索锚杯长度为42 cm，cb7-cb10号斜拉索锚杯长度为37 cm，要求张拉端锚具螺母处于锚杯前三分之一处，那么斜拉索锚头前端长度应如表2所示。根据图表中的数据信息得知，梁端螺母处于锚杯前三分之一位置时，cb6-cb8斜拉索超长梁超过理论长度，此时说明该处斜拉索塔端锚杯需要用到锚垫板[4]。

为解决上述问题，可减小无应力索长，对螺母的位置做出调整，或减小一部分张拉索力，让梁端螺母位于锚杯前小于1/3的位置。由表1数据得知，浇筑塔柱节段环节，塔端与梁端的锚头前端长度能够超过最小理论值，有效解决了斜拉索“超长”的问题，实现了对桥塔拉应力的有效控制，使其≤2 MPa，完成对斜拉索的一次张拉施工[5]。

3.4.2 放索索力

对桥塔部位进行施工后，主梁落架会加大斜拉索的索力，此时桥塔的内力超出容许值，有必要在落架前进行放索处理。受应力限制，放索需要分两次进行，且放索应力需要与实际工程施工中索力与目标索力的差值相同。其中，目标索力可以采用反推的方式，在迭代法的试用下求解。具体如表3所示，斜拉桥的索力值当中，按照桥梁实际设计要求，放索量依据螺母旋出量控制，保持螺母位置不动，外旋塔端螺母，延长锚头前端位置的长度，从而实现对放索索力的控制。

4 结语

综上，该项目为无背索独塔斜拉桥，采取“先梁后塔”与“索塔同步”的总体施工方案，通过无应力状态法实现对工程的有效施工控制。根据主梁与桥塔线形控制，加强对索导管倾角的控制，不断完善各项施工关键技术，使成桥后斜拉桥的主梁高程偏差值被控制在1.3 cm，桥塔纵向偏差值不超过1.6 cm，桥塔未产生受力裂缝问题，使桥梁受力与线形均能符合工程预期要求。

表3 项目斜拉桥放索索力/kN

索号 第一次放索的索力 第二次放索的索力

实测 目标 放索索力 实测 目标 放索索力

cb1 3 455 2 886 569 3 650 3 151 499

cb2 3 402 2 697 705 3 256 3 005 251

cb3 3 340 2 361 979 2 980 2 711 269

cb4 2 964 2 294 670 2 902 2 676 226

cb5 2 430 1 804 626 3 013 2 199 814

cb6 2 379 1 893 486 2 504 2 276 228

cb7 2 280 1 968 312 2 577 2 269 308

cb8 1 750 1 382 368 1 909 1 616 293

cb9 1 912 1 649 263 2 062 1 792 270

cb10 1 658 1 757 ?99 1 894 1 787 107

参考文献

[1]程宏斌. 独塔无背索曲线钢管梁斜拉桥设计与分析[J]. 中国市政工程， 2023（1）： 16-19+90.

[2]俞伯林. 曲线无背索独塔斜拉桥拉索张拉施工方案分析[J]. 福建交通科技， 2022（7）： 42-46.

[3]王永祯. 曲线形独塔无背索斜拉桥荷载试验研究[J]. 福建建材， 2019（9）： 3-5.

[4]汤少青， 马虎. 扭背索独塔斜拉桥钢箱梁施工线形控制研究[J]. 中外建筑， 2019（4）： 213-214.

[5]張光亮. 曲线形独塔无背索斜拉桥施工关键技术[J]. 交通世界， 2019（15）： 96-98.