鉆石形斜拉橋主塔的施工橫撐設(shè)計(jì)

段瑞芳 陳芮 楊欣

(1.陜西通宇公路研究所，陜西西安 710064;2.西安公路研究院，陜西西安 710054;3.陜西省公路勘察設(shè)計(jì)院，陜西西安 710068)

0 引言

斜拉橋鉆石形主塔中塔柱傾斜向上而且存在很大的斜率，中塔柱在大斜率狀態(tài)下由自重和施工荷載等產(chǎn)生的水平分力在中塔柱根部形成較大的彎矩，使中塔柱根部外側(cè)混凝土出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力而引起開裂，且成塔后中塔柱內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)要求，從而影響索塔使用壽命。因而需在施工過程中設(shè)置一定的支撐來減少水平分力的影響，使施工附加應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)［1］。

為消除傾斜塔柱根部混凝土的不良應(yīng)力狀態(tài)，需在施工過程中，在兩塔肢間設(shè)置一定數(shù)量的水平橫向支撐來減少水平分力的影響，使施工附加應(yīng)力控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。早期普遍采用的方法是在兩塔肢間設(shè)置被動(dòng)力橫撐，即在中塔柱施工到一定高度后，在兩塔肢間設(shè)置橫撐，與塔柱臨時(shí)固結(jié)，被動(dòng)消除后續(xù)施工對(duì)中塔柱根部的不利影響。但這種方式并不能完全消除橫撐設(shè)置前施工產(chǎn)生的不利影響，因此在成塔水平橫撐解除后，中塔柱根部的殘余應(yīng)力仍然很大。為避免這一不利情況，采用主動(dòng)橫撐的方式效果較好，即在中塔柱施工到一定階段，通過橫向支撐施加主動(dòng)水平力來抵消由于中塔柱傾斜產(chǎn)生的水平分力，使中塔柱根部外側(cè)混凝土的拉應(yīng)力小于設(shè)計(jì)允許值，以避免根部混凝土產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力甚至裂縫［2］。

而本文以某斜拉橋的鉆石形橋塔為研究對(duì)象，通過有限元分析了下、中塔柱的根部應(yīng)力，設(shè)計(jì)了中塔柱橫撐的位置和頂推力，為這一類鉆石形橋塔的橫撐設(shè)計(jì)提出了一種思路。

1 施工橫撐的設(shè)計(jì)思路

主塔的大斜率在懸臂狀態(tài)下由自重和施工荷載等在塔柱根部形成較大的偏心彎矩，設(shè)置一定數(shù)量的水平支撐，并施加主動(dòng)支撐力來盡量減少水平分力的影響，使施工階段的附加應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)，是一種有效的施工控制措施。主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)包括橫撐位置、主動(dòng)力和橫撐結(jié)構(gòu)的選定。由于塔柱根部截面應(yīng)力控制是整個(gè)塔柱施工方案設(shè)計(jì)中的控制關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)塔柱根部在懸臂澆筑過程中自重、溫度、收縮徐變、支撐主動(dòng)力、施工荷載作用下，應(yīng)力剛好滿足要求的最大懸臂高度再扣除一定的高度(主要考慮爬模工作空間并結(jié)合塔吊和電梯附墻位置)來確定橫撐位置［3］。

在下塔柱施工過程中，最不利截面為下塔柱的根部，下橫梁施工完成后，中塔柱施工采用主動(dòng)橫撐的方法以保證中塔柱根部外側(cè)混凝土的拉應(yīng)力小于設(shè)計(jì)允許值，避免根部混凝土產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力甚至裂縫。本文按施工單位提供的橫撐方案，通過優(yōu)化橫撐頂推力，以保證中塔柱根部控制截面的拉應(yīng)力小于1 MPa，從而確保施工過程中塔柱的安全。

2 工程應(yīng)用

鉆石形斜拉橋主塔，塔高度較大，混凝土數(shù)量多，施工難度較大，通常采用爬模施工，橫梁采用支架法施工(見圖1)。

1)計(jì)算參數(shù)。塔柱材料為C50混凝土，其彈性模量和容重為E=3.45 ×104，γc=26 kN/m3;橫撐鋼管:壁厚 10 mm，直徑為800 mm。

2)作用荷載。a.塔柱在其自重下作用。b.計(jì)入重力二階效應(yīng)分析。

3)計(jì)算模型。有限元模型采用梁?jiǎn)卧?，模型共分?4個(gè)節(jié)點(diǎn)，69個(gè)單元。分析塔柱的施工過程，共分為22個(gè)施工階段:第1個(gè)施工階段為下塔柱翻模施工，對(duì)應(yīng)塔柱1節(jié)段～4節(jié)段;第2個(gè)施工階段為下橫梁的施工，對(duì)應(yīng)塔柱5節(jié)段以及下橫梁;第3～15施工階段為對(duì)應(yīng)塔柱的6節(jié)段～18節(jié)段爬模施工;第16階段為中橫梁的施工;第17～19階段為塔柱19節(jié)段～21節(jié)段的施工;第20階段為上橫梁施工;第21階段為22節(jié)段的施工。

計(jì)算模型如圖2所示，邊界條件約束支架底部全部為6個(gè)自由度。塔柱模型如圖3所示。

3 計(jì)算內(nèi)容

3.1 塔柱應(yīng)力驗(yàn)算

3.1.1 下塔柱施工階段分析

下塔柱施工于最大懸臂工況時(shí)，在塔柱根部處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為0.38 MPa(實(shí)體單元算得最大主拉應(yīng)力為0.25 MPa)。

在后續(xù)橋塔施工過程中，下塔柱塔底截面拉應(yīng)力的變化見圖4，可見在主塔施工過程中下塔柱根部截面拉應(yīng)力小于1 MPa(C50混凝土的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度ftk=2.47 MPa)，其根部截面應(yīng)力不會(huì)超限，該截面并非塔柱施工過程中的應(yīng)力控制截面。

3.1.2 中塔柱施工階段分析

在無橫撐支撐條件下，上塔柱施工至18號(hào)節(jié)段時(shí)，在中塔柱根部處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為9.03 MPa(實(shí)體單元算得最大主拉應(yīng)力為8.22 MPa)。

在橋塔施工全過程中，中塔柱塔底截面拉應(yīng)力見圖5，在中塔柱至12號(hào)塊后，中塔柱塔底截面拉應(yīng)力均大于C50混凝土的抗拉強(qiáng)度(ftk=2.47 MPa)，可見中塔柱根部截面在塔柱施工過程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控，并且需要在中塔柱施工過程中增加橫向臨時(shí)支撐去保證中塔柱根部截面應(yīng)力不超過抗拉強(qiáng)度的限值。

3.2 中塔柱施工的橫撐頂推力設(shè)置

為了保證施工過程中塔柱的安全，在距離下橫梁頂部17 m及33 m處共設(shè)置兩道鋼管橫撐，通過施加水平力來限制中塔柱根部的拉應(yīng)力。結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，以保證中塔柱根部截面拉應(yīng)力不高于1 MPa為目標(biāo)，來設(shè)計(jì)橫撐的頂推力。

隨著中塔柱的伸長(zhǎng)，根部拉應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)中塔柱施工至12號(hào)塊時(shí)，中塔柱根部驗(yàn)算截面的拉應(yīng)力為1.41 MPa，因此在爬模施工至12號(hào)節(jié)段時(shí)，應(yīng)在預(yù)定下橫撐的位置施加400 kN的頂推力，以保證中塔柱根部外側(cè)混凝土的拉應(yīng)力小于設(shè)計(jì)允許值，進(jìn)一步的，后續(xù)各施工階段中上、下橫撐應(yīng)逐漸調(diào)整頂推力，以保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全(見圖6)。

中橫梁施工完后，塔柱形成兩層閉合框架，如果此時(shí)不再施加頂推力，在上塔柱剩余施工階段的過程中，中塔柱根部驗(yàn)算截面拉應(yīng)力均小于1 MPa。

中塔柱及上塔柱各施工階段所需的橫撐頂推力及應(yīng)力對(duì)照情況見表1。

表1 中塔柱及上塔柱施工過程中頂推力的設(shè)計(jì)表

表1中:壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值，施加橫撐頂推后，塔柱施工過程中，中塔柱各截面最大拉應(yīng)力都控制在1 MPa以下，如圖7～圖9所示(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。

4 結(jié)語

結(jié)合施工方案，對(duì)塔柱施工過程的安全和線性變換展開計(jì)算分析。采用主動(dòng)橫撐的方式，即在中塔柱施工到一定階段，通過橫向支撐施加水平力的方式調(diào)整塔上應(yīng)力和位移，以保證施工過程最不利截面(中塔柱根部)外側(cè)拉應(yīng)力小于設(shè)計(jì)值;并通過計(jì)算在施加外頂力后塔柱的位移情況，為施工過程設(shè)置塔柱預(yù)偏提供參考，以保證塔柱的成塔線型。

具體結(jié)論如下:

1)下塔柱在施工的過程中，根部截面應(yīng)力最大拉應(yīng)力為0.38 MPa，不會(huì)超限。2)中塔柱施工過程中，根部截面應(yīng)力最大拉應(yīng)力達(dá)9 MPa，已經(jīng)超限，需要采用輔助措施來保證施工過程的塔柱安全。3)根據(jù)塔柱施工方案，對(duì)橫撐支撐力進(jìn)行優(yōu)化，給出一組頂推力建議值。該組建議值可使整個(gè)施工過程塔柱拉應(yīng)力控制在1 MPa內(nèi)。

［1］ 焉學(xué)永，張念來，歐陽(yáng)鋼，等.安慶長(zhǎng)江大橋索塔中塔柱施工技術(shù)［J］.中外公路，2004(6):65-68.

［2］ 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):57-60.

［3］ 許佳平.武漢市金橋大道快速通道斜拉橋主塔施工研究［J］.交通科技，2011(3):10-13.

［4］ 余定軍，王吉英.斜拉橋鉆石形主塔下橫梁與塔柱異步施工技術(shù)［J］.公路，2010(11):7-11.