超高寶瓶形斜拉橋橋塔被動(dòng)拉桿及主動(dòng)橫撐模擬計(jì)算

摘要 索塔作為斜拉橋主要受力構(gòu)件之一，其施工質(zhì)量直接影響橋梁的使用壽命。索塔施工臨時(shí)被動(dòng)拉桿及主動(dòng)橫撐既保證了施工的安全性和穩(wěn)定性，又保障了整體線形指標(biāo)。文章依托于新市金沙江大橋，為防止中、下傾斜塔柱根部截面混凝土處于不良應(yīng)力狀態(tài)而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，確保索塔全過(guò)程施工安全可靠、質(zhì)量?jī)?yōu)良，采用Midas Civil 2021建立的索塔有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算和優(yōu)化，分析索塔下橫梁與主塔同步施工、中橫梁與主塔采用塔梁異步施工的受力特征。結(jié)果表明，施工中混凝土最大拉、壓應(yīng)力分別為0.7 MPa和2.7 MPa，下塔柱和中塔柱橫向最大位移分別為8.9 mm和9.2 mm，計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞 公路斜拉橋；塔柱；被動(dòng)拉桿；主動(dòng)橫撐；有限元

中圖分類號(hào) U443.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）13-0067-03

0 引言

斜拉橋跨越能力大，主塔往往較高，外形造型獨(dú)特，跨江、跨河施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，特別是風(fēng)的影響大。采用液壓自爬模懸臂施工難度高，主塔向外和向內(nèi)傾斜，懸臂施工過(guò)程中會(huì)在塔根產(chǎn)生彎矩，使主塔產(chǎn)生橫向位移和內(nèi)應(yīng)力，從而影響結(jié)構(gòu)使用年限。為限制拉應(yīng)力和變形位移不超出設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，根據(jù)主塔施工節(jié)段劃分，在兩塔肢之間的一定高度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)措施以平衡因外荷載（液壓爬模自重、風(fēng)荷載等）和主塔偏心荷載引起的水平分力。被動(dòng)拉桿和主動(dòng)橫撐[1]設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循內(nèi)力和變形雙控原則，并考慮溫度的變化及時(shí)調(diào)整對(duì)拉力和頂推力的大小[2]。

1 工程概況

新市金沙江大橋[3]位于昭通市綏江支線上，依次跨越G353線、金沙江、G213線，跨徑組成為3 m×30 m T梁+（340+680+340）m鋼桁梁+16×30 m T梁，半漂浮體系，設(shè)抗風(fēng)和縱向阻尼器；斜拉索采用1 860 MPa鋼絞線，192根斜拉索，單根索最長(zhǎng)370 m，呈扇形布置；全長(zhǎng)1 867 m，其中主橋長(zhǎng)1 288 m，橋面寬度為25.5 m；

主塔采用C50鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，兩主塔分別高290.16 m和297.51 m，塔柱采用空心矩形截面，下塔柱呈“V”形，中塔柱呈“A”形。

2 主塔施工步驟

橋塔施工共劃分50個(gè)節(jié)段（下塔柱為～號(hào)節(jié)段，中塔柱為～號(hào)節(jié)段，上塔柱～號(hào)節(jié)段），橋塔節(jié)段劃分如圖1所示。

主塔采用液壓自爬模施工，下橫梁采用支架法與主塔同步施工技術(shù)，中橫梁采用支架法與主塔異步施工技術(shù)，施工工況如表1所示。

3 荷載及參數(shù)

3.1 主塔自重荷載

主塔自重荷載（混凝土、鋼筋、勁性骨架等）按實(shí)際重量取值，由模型計(jì)入。

3.2 爬模荷載

外模為鋼模板150 kg/m2，平臺(tái)100 kg/m2，機(jī)位1.2噸/個(gè)，下塔柱、中塔柱和上塔柱爬模單肢分別布置14個(gè)機(jī)位、12個(gè)機(jī)位和8個(gè)機(jī)位，則爬模重量分別為102 t、99.4 t和94.6 t。

3.3 風(fēng)荷載

橫撐計(jì)算時(shí)僅考慮極大風(fēng)荷載（10級(jí)，設(shè)計(jì)風(fēng)速為28.4 m/s）時(shí)的受力。

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，按以下公式計(jì)算：

風(fēng)壓：

?1 020×12 mm鋼管風(fēng)荷載：

?609×16 mm鋼管風(fēng)荷載：

鋼管風(fēng)荷載按線荷載加載。

3.4 施工荷載

施工人員荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1 kN/m2。

4 計(jì)算模型

主塔下的塔柱和中塔柱，在爬模時(shí)處于懸臂施工狀態(tài)，建立的施工計(jì)算模型如圖2所示。主塔根部固結(jié)，主塔與橫撐分別用梁?jiǎn)卧M，被動(dòng)對(duì)拉桿使用僅受拉桁架單元模擬，而主動(dòng)鋼管的橫撐對(duì)頂力則通過(guò)單元溫度荷載試算確定，同時(shí)考慮主塔混凝土的收縮、彈性壓縮量及升溫20 ℃、降溫20 ℃的橫撐溫度應(yīng)力。

5 模擬計(jì)算結(jié)果

寶瓶形主塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是隨著施工進(jìn)度的增加，受自重、偏心矩、對(duì)拉力、對(duì)頂力等影響，主塔豎向位移不斷累積，下塔柱和中塔柱根部應(yīng)力也在不斷變化，橫向位移是模擬分析中的重點(diǎn)，即控制主塔線形，橫向位移控制在±10 mm范圍內(nèi)，?s15.2鋼絞線對(duì)拉力和?1 020 mm×12 mm、?609 mm×16 mm鋼管[5]對(duì)頂力如表2所示；設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝橫撐時(shí)的實(shí)際天氣情況，考慮升降溫20 ℃工況，橫撐對(duì)頂力如表3所示；控制工況下塔柱受力及變形如表4所示。

主塔柱混凝土最大壓應(yīng)力[6]，發(fā)生在工況55和56；最大拉應(yīng)力，發(fā)生在工況37；主塔受力滿足規(guī)范要求。塔柱施工過(guò)程中，在工況38時(shí)主塔的單肢位移最大，最大值為9.2 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

為了打造大橋品質(zhì)工程，精確控制新市金沙江大橋主塔施工過(guò)程中各截面應(yīng)力和變形，利用Midas Civil 2021建立有限元模型，對(duì)主塔施工全過(guò)程工況進(jìn)行模擬分析，結(jié)論如下：

（1）下塔柱在設(shè)置被動(dòng)拉桿后，塔柱拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均有減小，塔柱橫向位移由向外傾斜轉(zhuǎn)為向內(nèi)傾斜，最大值由?5.0 mm變至8.9 mm，變幅為13.9 mm。

（2）中塔柱在設(shè)置主動(dòng)橫撐后，塔柱主要為受壓狀態(tài)，塔柱橫向位移由向內(nèi)傾斜轉(zhuǎn)為向外傾斜，最大值由5.5 mm變至?9.2 mm，變幅為14.7 mm。

（3）整個(gè)主塔單肢橫向位移均小于10 mm，拉、壓應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

參考文獻(xiàn)

[1]侯彥明， 高敏杰， 王宏暢. 灌河斜拉橋索塔中塔柱主動(dòng)橫撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．公路交通技術(shù)， 2009（1）： 53-56.

[2]林元培. 斜拉橋[M]. 北京：人民交通出版社， 2004.

[3]四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川新市金沙江大橋施工圖[Z]. 成都， 2020.

[4]公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG/T 3360-01—2018[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2019.

[5]易國(guó)良， 余紹賓．天津海河大橋主塔施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 工業(yè)建筑， 2012（S1）： 764-768.

[6]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50010—2010[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2015.

收稿日期：2024-03-19

作者簡(jiǎn)介：李黎龍（1983—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：公路工程管理。

通信作者：夏明強(qiáng)（1984—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：公路工程施工。