临时锚固是大跨径桥梁施工过程中体系转换的关键结构。根据施工方法以及设计计算模型设定的边界条件, 可将临时锚固设计为刚接、铰接或弹性连接 (又称为柔性连接) 。

国内悬浇 (或悬拼) 连续梁以及中小跨径斜拉桥施工过程中临时锚固大多为刚性连接, 其设计计算、施工技术已趋成熟, 在公路领域, 较为常见的临时锚固设计是采用硫磺砂浆作为临时支座承担竖向压力, 采用钢绞线或精轧螺纹钢承担不平衡弯矩产生的竖向拉力。

特大跨径钢主梁斜拉桥临时锚固设计, 典型的有上海长江大桥和苏通大桥。上海长江大桥主桥为主跨730m全漂浮体系双塔钢箱梁斜拉桥, 其主桥塔梁纵向临时锚固采用铰接钢管支撑, 横向临时锚固采用限位支座, 竖向临时锚固采用临时锚固和支架相结合的方案。苏通大桥为主跨1 088m双塔双索面钢箱梁斜拉桥, 其塔梁纵向临时锚固采用交叉索柔性体系锚固。但特大跨径混凝土斜拉桥或混合梁斜拉桥塔梁临时锚固鲜见报道。

九江长江公路大桥主桥为主跨818m混合梁斜拉桥, 2013年10月28日正式通车, 先后获得鲁班奖和詹天佑奖。其箱形混凝土主梁穿越南塔伸入主跨内, 南塔梁临时锚固采用交叉预应力螺纹钢抵抗桥轴向不平衡水平力、4个分散竖向临时支墩抵抗弯矩和竖向力, 传力明确, 方便建模计算分析。本文详细介绍了其南塔梁临时锚固设计构造及原理, 可为今后其他特大跨径混凝土斜拉桥或混合梁斜拉桥临时锚固设计提供参考。

九江长江公路大桥由南岸引道工程、跨江大桥工程、北岸引道工程3部分组成, 全长25.145km, 其中南岸接线长11.549km, 跨江大桥总长5.53km。主桥为双塔混合梁斜拉桥, 长1 405m, 主跨818m, 主桥布置为70m+75m+84m+818m+233.5m+124.5m, 南塔位于长江南岸大堤上, 桥型布置如图1所示。整体式箱梁宽38.9m, 南岸整体式混凝土主梁长261.5m, 结合段长8.15m, 结合段距南塔中心线32.5m, 钢主梁长1 135.35m。18号墩至结合段拉索标准间距为7.5m, 结合段至23号墩拉索标准间距15m, 25号墩至26号墩拉索标准间距为12m。18号过渡墩、19号辅助墩、20号辅助墩采用素混凝土集中配重, 22号墩 (北塔) 至24号过渡墩之间的钢主梁采用铁砂混凝土预制块均匀配重, 并在23号辅助墩、24号过渡墩集中配重, 从而避免支座受拉。

九江长江公路大桥主桥混凝土主梁采用支墩支架浇筑施工, 支墩直接支撑在主梁横隔板上, 支架支撑于临时支墩上, 混凝土达到设计强度后张拉预应力并拆除支架, 仅剩部分支墩支撑。临时支墩长短不一, 支墩和地基的综合刚度未知。总体计算分析结果表明, 拉索张拉施工时, 南塔至结合段支墩将逐步脱离主梁。为减少18号墩至南塔间临时支墩边界条件不确定性对总体计算位移的影响, 同时充分利用南塔下塔柱、底横梁超大刚度, 将南塔梁纵向转动约束的锚固边界条件设计为刚接。塔梁横向设有抗风支座, 施工过程中即发挥作用, 无须再考虑横向临时锚固。

南塔下横梁为预应力箱梁, 截面顶宽11.823m, 高9.755m。如果临时锚固沿箱梁顶面全宽布置, 尺寸过于庞大, 既不经济也不便于施工, 同时巨型临时锚固使混凝土主梁和南塔底横梁刚接, 在因龄期差异的收缩徐变、均匀温差、温度梯度、支架约束等因素综合作用下, 索塔底横梁、混凝土主梁南塔区域受力将变得极其复杂, 容易造成南塔底横梁顶板和主梁底板开裂, 且传力不明确, 既增加了施工质量控制难度, 也给建模计算分析带来极大困难。因此, 南塔临时锚固要求荷载传递明确, 同时尽量减少临时锚固对索塔底横梁和混凝土主梁局部受力的不利影响。

因此, 临时锚固在承载了施工过程中的桥轴向不平衡水平力、不平衡弯矩的同时, 应尽量减少对混凝土主梁、索塔底横梁的局部约束作用。

经多方案比选, 最终南塔梁锚固采用了交叉预应力螺纹钢和分散临时支墩相组合的设计方案。交叉预应力螺纹钢抵抗纵向不平衡水平力, 4个分散竖向临时支墩抵抗弯矩和竖向力。其构造如图2所示, 预应力布置如图3所示, 锚固齿块竖向预应力S7和S8张拉后灌浆, 其余均不灌浆以方便拆除。短柱内侧边缘自下而上结构组成为:15cm厚硫磺砂浆+115cm厚C50混凝土+10cm厚硫磺砂浆+103cm厚C50混凝土+15cm厚硫磺砂浆。短柱外侧边缘自下而上结构组成为:15cm厚硫磺砂浆+64.2cm厚C50混凝土+10cm厚硫磺砂浆+156.4cm厚C50混凝土+15cm厚硫磺砂浆。垫块自下而上结构组成为:10cm厚硫磺砂浆+90cm厚C50混凝土+10cm厚硫磺砂浆+65.5cm厚C50混凝土+10cm厚硫磺砂浆。硫磺砂浆强度不低于C50混凝土的强度。

假定临时锚固水平力全部由交叉预应力精轧螺纹钢承担, 并忽略临时支墩承载的水平力。

如图4所示, 临时锚固预应力精轧螺纹钢数量为n, 单根精轧螺纹钢面积为A, 其与水平方向夹角为θ, 施工最大不平衡水平力为F, 安全系数为λ (因本桥跨径突破了斜拉桥设计细则规定最大跨径, 设计时参照稳定安全系数≥4.0) , 精轧螺纹钢预加应力为σ, 最大允许拉应力为σ_max, 最小值为σ_min。则水平力需满足下式要求。

根据总体计算分析结果, 施工阶段南塔临时锚固最大不平衡水平力标准值F_k=2 174k N, 设计值F_d=γF_k=3 043.6k N, 采用JL32精轧螺纹钢做交叉预应力钢筋抵抗施工不平衡水平力, 单根面积A=804.25mm², 如图3所示, 主梁底共设有两个预应力精轧螺纹钢锚固齿块, 每个齿块锚固了24根精轧螺纹钢, 南塔底横梁顶对应设置了4个锚固齿块, 每个齿块上锚固了12根预应力精轧螺纹钢。张拉控制应力σ_con=410MPa, 预应力损失按0.05σ_con计, 则精轧螺纹钢预加应力σ=389.5MPa。最大允许拉应力取精轧螺纹钢抗拉强度设计值f_pd (760MPa) , 最小允许拉应力取0。则按式 (2) 计算得安全系数λ=4.676>4.0, 满足要求。

交叉预应力螺纹钢对应锚固齿块的桥轴向水平抗力由普通钢筋抗剪承载力和其竖向预加力作用的摩擦力构成。但安全系数计算时仅考虑普通钢筋的抗剪承载力, 预加力作用的摩擦力作为安全储备。

混凝土内摩擦角为φ, 竖向预加力为F_z, 则可抵抗的水平力F_h=F_ztanφ。设计时取φ=45°, 单个梁底齿块竖向预应力采用4根JL32精轧螺纹钢, 张拉控制应力σ_con=810MPa, 预应力损失按0.05σ_con计。则2个竖向齿块因竖向预应力产生的总水平抵抗力F_hR=9 901k N。

按现行JTG D62—2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算齿块普通钢筋抗剪强度。齿块和主梁混凝土均为C50, b=2 000mm, h₀=1 900mm, 纵筋配筋率>2.5%, 箍筋配筋率ρ_sv=0.538 8%, 箍筋强度f_sv=280MPa, 系数a₁=1, a₂=1.2, a₃=1.1, 则齿块抗剪强度V_cs=14 367k N。安全系数γ=V_cs/F_d=4.72>4。满足设计要求。

如图2和图3所示, 临时锚固布置了4个临时支墩, 其桥轴向间距s=10.3m, 根据总体计算分析结果, 南塔临时锚固不平衡弯矩标准值M_k=102 208k N·m, 设计值M_d=143 091k N·m。

则单个临时支墩采用12束^s15.2-15钢绞线, 张拉控制应力σ_con=1 300MPa, 预应力损失综合取0.1σ_con, 则临时支墩共可抵抗的不平衡弯矩M_R=607 340k N·m。

安全系数λ=M_R/M_d=4.244>4.0, 满足要求。

九江长江公路大桥南塔梁临时锚固施工及解除关键要点如下。

1) 索塔底横梁锚固齿块、临时垫块、短柱与索塔底横梁一起浇筑, 主梁锚固齿块与主梁一起浇筑, 并埋设好波纹管、锚垫板等预应力配件。

2) 待主梁湿接缝浇筑完成、纵向预应力全部张拉完毕且管道灌浆完成后28d后至南塔第1对斜拉索挂索前, 张拉临时锚固的预应力。并对临时锚固连接预应力S7和S8张拉后灌浆, 其余波纹管则暂不灌浆。

3) 中跨合龙后, 解除临时锚固预应力, 再融化硫磺砂浆, 并割断临时预应力, 此时永久支座发挥作用, 主桥体系转换完成。

4) 对余下的预应力管道进行灌浆处理, 锚固齿块及其竖向预应力可永久保留, 并成为纵向限位装置的一部分。

1) 详细介绍了九江长江公路大桥主跨818m混合梁斜拉桥南塔梁临时锚固的设计思路、设计构造、特点、计算分析过程, 为今后同类特大跨径斜拉桥塔梁临时锚固计算提供参考。

2) 给出了九江长江公路大桥主跨818m混合梁斜拉桥南塔梁临时锚固施工和拆除关键技术要点, 为今后同类特大跨径斜拉桥塔梁临时锚固施工提供参考。