“斜拉―自锚式悬索组合体系”体系转换施工优化

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摘要：在新型体系桥施工过程中，应对桥梁的结构体系形式进行分析、研究，根据桥梁特点对施工方案进行优化，以满足施工的安全、合理、可操作性等诸方面要求，保证施工能安全、顺利进行。文章对“斜拉―自锚式悬索组合体系”体系转换施工优化进行了论述。

关键词：体系转换；施工优化；斜拉―自锚式；桥梁施工技术

中图分类号： U448 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）04-0087-03

一、概况

在汉中市龙岗大桥的施工建设中，设计单位采用了“三塔斜拉－自锚式悬索组合体系桥”形式，结构形式独特，结构体系及构造较复杂，设计为国内首创。

在桥梁的结构形式上，中间为单塔斜拉，两侧为自锚式悬索；在受力结构上，是利用桥梁桥面系来平衡主缆及斜拉索的水平力。桥梁的新型结构有其独特的结构特点，为保证施工能安全、顺利进行，施工前需对桥梁的结构体系形式进行分析、研究，将施工方案进行优化。

二、体系转换的特点

按照设计施工方法及步骤，全桥主梁采用满堂支架法施工，成桥过程需进行两次体系转换。

第一次转换：通过张拉悬索主缆、吊索、斜拉背索及斜拉索，将自锚式悬索体系段和斜拉体系段主梁的自重由支架支承转换为吊索及斜拉索支承（只保留合拢段支架），三桥各自独立成桥。

第二次转换：完成斜拉体系段与自锚式悬索体系段之间的合拢，通过解除临时约束，释放自锚式悬索桥梁体内的水平轴力，使水平轴力在跨中主塔墩处进行平衡，形成“三塔斜拉－自锚式悬索组合体

系桥”。

由两次体系转换过程可看出，体系转换的重点均集中在两侧自锚悬索段主缆水平力的处理上。

三、体系转换施工分析

按照先三桥独立成桥，再进行合拢，释放、平衡水平力的施工步骤，在单侧悬索段独立成桥时，主缆挂索施工时所产生的水平力必须进行临时约束；全桥合拢成桥时，必须解除两侧水平力临时约束，使全桥主梁受力平衡。根据设计提供的主缆索力及受力计算，主缆轴力经分解后水平分力通过背索提供的反向轴力抵消部分后，单塔侧存在近30000kN的水平轴力。

在该桥结构设计上，主梁与悬索钢副塔间采用的是漂浮结构形式（副塔墩处塔-墩固结、塔-梁分离，如下图），在施工过程中此处为临时约束的设置位置。结合体系转换受力特点及施工现场情况进行分析，在施工中存在着一些难点和隐患。

首先，考虑梁体结构的安全性，在临时约束处预留的施工空间有限，给临时约束结构的安装及后续解除约束操作带来很大的影响；其次，由于临时约束中存在非常大的水平轴力，在释放时所采用的设备、施工操作均很难做到精细控制。如在临时约束解除的过程中，水平推力在梁体传递平衡过程中若出现级差过大的不平衡情况时，将对梁体及中跨主墩产生破坏；不同侧释放达不到同步，会使箱梁梁体在受力不均的情况下产生梁体侧弯等不利因素；在施工过程中，假如设备在受力时出现故障，将直接导致水平力的突然释放，从而对桥梁结构产生破坏，因此这也是施工中存在的一个重要安全风险及隐患。

四、体系转换方案优化

质量和安全是施工的重要保障条件，为消除施工中的重大安全风险及隐患，能更好、更有效地控制施工质量，对施工方案进行优化是必要的。

该桥梁施工采用的是搭建满堂支架，符合自锚式悬索桥的施工特点。在此条件下，如果将三桥独立成桥改变为全桥整体施工，主梁形成整体后进行挂索施工，在挂索施工过程中逐步平衡梁内水平力，施工则从多体系转变为自锚式悬索桥体系施工方法，施工中水平力约束和释放的过程及风险、隐患将消除。

全桥施工采用“先挂索，后合拢”或“先合拢，后挂索”的方案，关键在于工况改变后，各体系中索的索力、成桥后受力状况、结构变形及成桥线形是否会发生改变，能否满足设计成桥使用要求。

（一）原方案与优化方案索力及结构受力比较

采用优化方案时，随着施工工序的改变使得施工工况有所不同，根据不同工况对斜拉、悬索中各索力及主要结构受力进行计算，得出结果如下表：

从比较结果看出，按两种方案施工，各构件受力差别很小，且均满足安全系数要求。

（二）原方案与优化方案结构变形比较

根据不同工况计算桥梁结构主要变形部位变形值，结果如下：

表 2 施工最终阶段（成桥后1000天收缩徐变完成）变形结果比较

主要变形部位 变形值

原设计方案 优化方案

主缆竖向变形：均在分缆处 -16.95cm -15.61cm

主梁边跨的最大下挠量 -120.6mm -80.2mm

斜拉桥主梁跨中最大下挠量 -72.0mm -40.1mm

从比较结果看，两种方案变形的最大差值仅为4.04cm，而挠度的差别在施工过程中通过预设反拱值很容易予以消除。

（三）原方案与优化方案成桥线形比较

先合龙主梁：主梁收缩徐变1000天的最终线形

后合龙主梁：主梁收缩徐变1000天的最终线形

由比较结果看，两种方案施工后线形基本一致，均可满足设计使用要求。

（四）施工方案选择

经对上述计算结果进行分析，优化后的施工方案，在索的索力、成桥后受力状况、结构变形及成桥线形等各方面均基本与原设计施工方案结果相符，且满足设计及规范要求；成桥后状态也能满足使用阶段要求，具有很强的可操作性，并且能简化施工过程、消除安全隐患。

优化方案较原设计方案更适合施工、更加安全可靠，因此，优化后施工方案确定为施工实施方案。

五、结语

在施工方案制定过程中，在不改变设计方案的前提下，围绕着全桥体系转换的施工方法进行过多种设计、计算及比选，包括组合千斤顶、连杆、砂箱等多种释放方式，但由于大吨位水平力释放的特殊性，始终无法完全避免重大的安全风险。

在多方考虑下，换种思路从桥梁结构方式特点上着手，选择调整体系转换方式。由于改变了施工工序及施工工况，因此对全桥的施工及成桥状态进行了模拟、计算、比较，最终确定了优化方案，并经论证后投入实施，成功地消除了隐患，顺利地完成了

施工。

新型桥梁结构的施工，对桥梁结构特点的分析，对施工方案的优化是一个必要工作，只有通过方案优化研究，才能更好的理解桥梁的结构特点，从而更加安全、可靠地完成施工过程。