转体施工解难题——刚性索预应力混凝土自锚式悬索桥及其应用

传统自锚式悬索桥是柔性索支撑体系桥梁，主缆锚固于梁端，其拉力由加劲梁承担，施工顺序上一般先加劲梁、塔柱，后架设主缆和安装吊索。施工上的难度限制了传统悬索桥的适用性。刚性索自锚式悬索桥采用预应力混凝土箱梁为加劲梁， 钢管混凝土为悬索，在管内设置波纹管以穿入预应力钢束，在塔顶及梁端张拉锚固，波纹管压浆后形成承重主缆。该种桥型的索形布置不同于传统悬索，在中跨中央部分区段穿入梁体，其设计按预应力混凝土桥梁技术标准进行。该文通过对已建成的采用转体施工刚性索自锚式悬索桥的实例进行理论和应用效果分析，认为转体施工刚性索自锚式悬索桥不仅解决了该种桥型的施工难题，而且构造简单、建筑高度和技术经济指标较低、受力合理，值得推广。

设计构思与构造要点

桥梁转体施工对桥下通航影响最小，自锚式悬索桥主缆采用预应力钢管混凝土的刚性索，加劲梁采用预应力混凝土箱梁；刚性索上端锚固于塔顶，边跨锚固在梁端，中跨刚性索在跨中附近区段穿入梁体。为了满足转体施工需要，主缆内的预应力钢束长短组合布置，在施工阶段分批张拉悬臂状态和结构合龙连续后的预应力钢束，实现主缆由断开到连续的转换。在上述基本设计构思的基础上，将相关主要部件的构造简介如下。

刚性主缆构造

采用转体施工的自锚式悬索桥的主缆为刚性主缆，其采用预应力钢管混凝土结构，主缆的拉力主要由预应力钢束承担。与传统全桥连续的柔性主缆构造方式不同，刚性主缆内的预应力钢束是分段布置传递主缆拉力的，因此塔顶不需要设置鞍座。桥梁边跨部分主缆内的预应力钢束从梁端连续至塔顶，锚固于梁端和中跨侧的塔顶。中跨部分的钢束由两部分组成，其中一部分在转体结构中布置，从塔顶连续至中跨悬臂端，主要用于满足转体过程中的受力要求，该部分钢束的上端锚固于边跨侧的塔顶，下端则锚固在加劲梁的悬臂端。另一部分钢束是在中跨合龙后布置的，从中跨一个塔顶连续至另一个塔顶，分别锚固于两个塔的边跨侧。上述边跨和中跨主缆内的预应力钢束，通过在塔顶的交叉锚固实现了拉力的传递。另外，为了补偿第一部分切断的钢束，中跨箱梁中还添加了短钢束。采用刚性主缆后，另一种与传统柔性主缆不同的方面是中跨约1/3 的主缆与加劲梁为一体结构，主缆中跨连续的预应力钢束从梁内通过，成为梁体预应力的组成部分。主缆采用预应力钢管混凝土结构时，不仅外观好于预应力混凝土结构，钢管也可作为模板支架，参与施工阶段的受力。主缆钢束构造如图1所示。

图1 转体结构构造图

(a)          (b)        (c)

图2 加劲梁截面

加劲梁及塔柱构造

刚性主缆自锚式悬索桥的加劲梁，可根据主缆的数量采用肋板式或箱形截面，但加劲梁截面的构造方式和梁体传力、受力方式与刚性主缆的布置密切相关。由于主缆内预应力钢束的锚固、通过的需要，加劲梁对应主缆布置的部分应为全长连续的实体肋构造，在中跨主缆预应力钢束通过的区段，需要考虑加劲梁钢束与主缆钢束相互之间的关系，在构造尺寸、受力等方面综合协调。

塔柱采用钢筋混凝土结构，上端设主缆钢绞线的锚固区，下端伸过箱梁直抵墩底，支撑于盆式支座上。常规双索面在塔顶设支撑横梁，设计中考虑了塔柱侧向偏移时，由于刚性索下端通过吊杆锚固于箱梁，箱梁强大的横向刚度，使刚性索侧移后产生对塔柱的扶正力，提高了塔柱的稳定性。因此,在油墩港桥的设计中取消了墩顶横向支撑。为满足偏心转体墩柱间的稳定性及同步顶推移动的需求，于墩底设置了下横梁。刚性索侧向偏移时对塔柱产生扶正力这一力学模态,为设计单索面自锚式悬索桥提供了现实性。

转体装置

传统的钢筋混凝土转体装置（俗称磨心）加工复杂，体量大，摩阻力大。转体施工刚性索自锚式悬索桥的墩底与承台之间采用一种改进型盆式支座，墩柱可绕支座中心旋转并设有防滑约束装置。支座可直接作为转体时的转轴，转体就位后解除防滑约束，即可使桥梁处于正常工作状态，施工十分简便。详细构造如图3所示。

图3 转体支座

综上述可知，转体施工刚性索自锚式悬索桥在继承了传统自锚式悬索桥良好性能的基础上，从施工方法和构造上做了许多的优化设计，从而使得桥梁结构节省了材料，简化了施工。

转体施工——自锚式悬索桥实例概况

由上海蓝德公路工程勘测设计咨询公司设计的上海施贤路油墩港桥位于上海市松江开发区，是一座主桥跨径为（32+80+32）m的双塔三跨的转体施工——自锚式悬索桥。该桥全长144m,桥面总宽38.5m，纵坡±2.5%，竖曲线T=78.75,E=0.984m，R=3150m。桥梁的总体布置见图4， 合龙前的照片见图5。

图4 总体布置图（cm）

图5 合龙前的油墩港桥

该桥的墩塔梁固结，塔柱平面尺寸为2×2.5m，下端扩大至3.5×3.5m；支座采用改进的QZ35000型盆式支座，可直接作为转体时的转轴。承台平面尺寸为5×7.85m，厚2m, 每个承台配置24根45×45×4000cm的钢筋混凝土打入桩。

该桥的加劲梁采用带悬臂的单箱双室箱梁， 梁高1.8～2m（若采用变截面连续梁结构平均梁高约为4m，跨中处约2m，支点处约6m），箱梁顶宽38.5m，底宽25.2m， 顶板厚24cm，底板厚20cm；箱梁设三道腹板，中腹板厚40cm，边腹板厚120cm，局部加宽至150cm。每隔5m设一道与吊索对应的厚度为50cm的横隔板，边跨端横隔板厚加宽至200cm，与塔柱相应位置的横隔板厚为100cm。箱梁分两段分别在东西两侧岸上转体浇筑完成，跨中设4m的合龙段。转体施工阶段，箱梁、塔柱、主缆形成T构，不平衡力矩依靠临时设置的平衡重处理。

主缆由288根φ15.2mm的高强低松弛钢绞线组成，分成32束，采用OVM锚具分别张拉，主缆外套Q345边长为120×130cm带5cm小圆角的钢管混凝土索套。主缆中跨钢束和边跨钢束均为两端张拉，张拉端分别设在塔顶和梁端底部。为配合转体施工方法，将主缆中跨钢束2×12mm钢束断开，在转体前张拉；转体合龙后张拉2×20mm连续钢束。

主缆与梁采用索梁加强锚固块进行连接。锚块采用钢筋混凝土结构，平面尺寸为1.5×1.7m，钢管混凝土索套深入锚块内35cm。锚块内设置箍筋连接锚块和箱梁内主筋。

吊杆采用可调换的冷铸锚高强钢丝成品索，并在转体前主缆钢束张拉完成后进行张拉。

该桥的技术经济指标非常经济合理：主跨与边跨之比为1:04,而一般变截面连续梁结构为1:0.6～0.7。全桥总长前者比后者短；混凝土用量为每平米0.67m3；钢筋用量为每平米112.5kg；钢绞线用量为每平米33.15kg。

图6 桥梁总体模型

结构受力性能分析

对于传统意义上的悬索桥，计算理论主要有弹性理论和挠度理论两种。弹性理论不计入主缆变形对受力的影响，挠度理论则计入主缆变形对内力的影响。通过有限元程序分析验证可知，一般跨径的刚性主缆自锚式悬索桥弹性与非线性分析的结果偏差很小，可以忽略不计，完全可以采用弹性理论进行计算。但如果随着跨径的进一步增大，几何非线性影响会增大，此时则应计入非线性效应的影响。

分析模型

以上海施贤路油墩港桥为原型，采用桥梁专用有限元软件进行建模分析。

采用平面杆系有限元法进行建模分析。加劲梁及主缆均采用梁单元模拟，吊杆采用轴向受力单元模拟。施工阶段采用先在岸边满堂支架浇筑墩塔和梁，张拉相应阶段的预应力钢束，然后转体进行合龙，并张拉相应阶段的预应力钢束。桥梁总体模型如下图，施工阶段划分如表1所示。

表1 施工流程

分析结果

选取左半福桥跨结构，给出施工阶段和成桥的受力状态：（应力值正拉负压）

1. 加劲梁应力

加劲梁在施工阶段，转体完成后，加劲梁截面的整体压应力基本处于-5.6MPa～-1.4MPa。成桥初期加劲梁截面的整体压应力基本处于-5.6MPa～-3.4MPa。成桥后期， 加劲梁上缘整体压应力基本处于-6.4MPa～-0.7MPa，墩梁固结处应力最小，并由此向加劲梁两侧呈增大趋势；加劲梁下缘整体压应力基本处于-7MPa～-0.2MPa之间，在墩梁固结右截面处压应力值最大，压应力分布由最大值处向梁端和跨中逐渐减小，并在合龙段附近达到最小。在正常使用极限状况进行B类构件抗裂验算时，在荷载短期效应组合下，加劲梁上缘应力水平在-5.2MPa～-0.1MPa之间；加劲梁下缘大部分处于受压状态，压应力水平在-5.4MPa～- 1.1MPa之间，压应力储备由塔梁固结处向加劲梁两边逐渐减小，在跨中至主缆与梁相交处（跨中侧）的部分加劲梁下缘处于受拉状态，拉应力水平在0.8MPa～2MPa之间，并在加劲梁与主缆相交处附近达到最大。各工况作用下应力如图7-12所示。

图7 转体前加劲梁上缘应力图（MPa）

图8 成桥初期加劲梁上缘应力图（MPa）

图9 成桥后期加劲梁截面下缘应力图（MPa）

图10 成桥后期加劲梁截面上缘应力图（MPa）

图11 组合荷载加劲梁下缘应力图（MPa）

图12 组合荷载加劲梁上缘应力图（MPa）

由上述计算结果可知，加劲梁在施工阶段基本处于全截面受压状态，成桥初期加劲梁也处于全截面受压状态。但相较于转体完成时，加劲梁的压应力储备有所增加，且在梁端截面、墩梁固结截面和靠近跨中合龙段的截面压应力值较大，其余部位压应力值略小，但相差不大，压应力值分布较为均匀。十年收缩徐变后加劲梁截面依然处于全截面受压状态，但加劲梁截面上下缘储备的压应力值发生了较大的变化。说明长期的收缩徐变对加劲梁上下缘的压应力影响较大，且跨中处加劲梁下缘和墩梁固结处加劲梁上缘的压应力储备消耗较大。正常使用极限状况进行B类构件抗裂验算时，在荷载短期效应组合下，加劲梁上缘基本处于受压状态，下缘大部分处于受压状态，但在跨中侧部分梁体下缘受拉，最大拉应力为2MPa>1.65MPa，但经验算裂缝宽度小于0.2mm。

综上述，加劲梁在施工阶段和成桥以后使用阶段的应力水平均符合规范要求。

表2 不同工况下加劲梁关键部位正应力（MPa）

2.主缆应力

主缆由钢管混凝土内张拉钢束组成，除了锚固段应力集中导致失真外，成桥初期主缆内钢束张拉完毕后，钢管的压应力17.6MPa～58.8MPa，灌注混凝土的压应力则为3.6MPa～10.8MPa；成桥永久状态下，由于收缩徐变的影响，灌注混凝土承受的压应力基本保持不变，而钢管截面承受的压应力则为26.7MPa～66.9MPa。计算结果显示，主缆在成桥初期和成桥永久状态下都具有良好的受力性能，符合规范要求。

3.加劲梁和墩塔位移

加劲梁在车辆荷载作用下位移如表3所示（竖向负值表示向下位移，水平正值表示向右位移）。

表3 加劲梁和墩塔位移（mm）

由表3可知，加劲梁在车辆荷载作用下的最大竖向位移位于中跨跨中截面处,数值为9mm

细部问题仍需研究

与常规悬索桥相比，刚性索自锚式悬索桥构造简单，施工方便。刚性索自锚式悬索桥塔顶不设鞍座，梁端无散索鞍等重要设施，而是将主缆直接分散锚固于塔顶和梁端，避免了索鞍的预偏、顶推等相关繁琐工艺，极大地增加了施工的便利性。

刚性索自锚式悬索桥的刚性索主缆设计不仅结构新颖，更加符合结构的受力特性，同时也解决了自锚式悬索桥普遍存在的主缆索和索套防腐等技术难题。主缆采用刚度较大的钢管混凝土和预应力钢束组合而成的刚性索，不仅增加了结构在施工过程中的刚度，有效控制了塔顶和加劲梁位移，而且减小了主缆与吊杆的应力增幅，从而提高了主缆和吊杆的抗疲劳性能。主缆的巧妙设计符合结构的受力规律，不但给了加劲梁更合理的外加预应力，而且在主跨中央区段的预应力钢束上托加劲梁，避免设置吊杆，并起到了中央扣的作用，提高了结构的整体刚度和扭弯频率比。

刚性索自锚式悬索桥的加劲梁受力性能好。主缆主要承受结构重力，加劲梁则主要承担活载，与其他结构相比，不仅降低了加劲梁的建筑高度，增加了结构的刚度和稳定性。在常用的道路宽度内，自锚式悬索桥的加劲梁采用单箱双室箱梁截面，刚度大、变形小、行车性能好。同时，由于主缆索基于弹性支撑连续梁受力的设计原理，更加符合加劲梁的受力规律，使得加劲梁无论在正弯矩区段，还是负弯矩区段都可以充分利用主缆索提供的外加预应力，因此刚性索自锚式悬索桥的加劲梁基本上可以不配预应力钢束或者配置少量纵向钢束。

刚性索自锚式悬索桥的“磨心”设计巧妙合理。传统的钢筋混凝土磨心加工复杂，摩阻力大，且转体完成后需予以处理，施工工艺非常复杂。采用改进型盆式支座后，支座可直接作为转体时的转轴与限位板，转体就位后解除原设计防滑的约束，即可使桥梁处于正常工作状态，施工十分简便。

虽然转体施工——刚性索自锚式悬索桥克服了传统自锚式悬索桥的施工难题，并且具备很多常规桥型没有的优点，但是，由于很多细部结构设计在国内外均属创新，仍然有一些需要进一步研究的问题。譬如，钢管混凝土内穿入预应力钢束的刚性索施工中，面临钢管内大体积混凝土的灌注、吊杆与主缆交接处的处理等难题；转体施工在设计施工中的控制非常关键，特别是墩底支撑在转体前后的处理；进一步研究连续钢束在跨中梁体内的位置、主梁中部短索的布置，以改善主梁跨中部分下缘的应力状态，在具体设计时，梁体内是否要设纵向钢束，转体后缆索和梁体内钢束张拉顺序今后也需要进一步分析；根据桥位地形及不同设计要求，结构的进一步优化，仍是今后设计实际工程需要考虑的内容，如横断面布置，单索面、双索面布置的比较，塔顶锚固区构造等等。

总体来看，转体施工——刚性索自锚式悬索桥，具有很高的推广应用价值。但仍需做进一步深入研究，才能不断提高该桥型的结构性能和使用范围。毋庸置疑的是，刚性索自锚式悬索桥在其适用的跨径范围内，是一种非常具有竞争力的桥型。

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知识点：刚性索预应力混凝土自锚式悬索桥及其应用