某斜拉橋雙向傾斜橋塔主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)及施工控制

杜民清

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.德州市規(guī)劃局，山東 德州 253000）

1 前 言

斜拉橋又被稱作斜張橋，它是一種由多主塔和鋼纜組成并支撐橋面的橋梁，由索塔、主梁、斜拉索組成，它是一種拉索體系，是以拉索受拉和索塔受壓為主的橋梁。 索塔型式有A 型、H型等，其材料包括混凝土和鋼。 斜拉橋是由承彎的梁體、受拉的索和承壓的塔共同組合起來的結(jié)構(gòu)體系， 拉索的作用是在主梁內(nèi)增加彈性支承，能使梁體內(nèi)的彎矩減小，既節(jié)約材料，又能減輕結(jié)構(gòu)重量。另外，斜拉橋相對(duì)于懸索橋，具有抗風(fēng)性，其拉索的預(yù)應(yīng)力能調(diào)整主梁的內(nèi)力，使主梁的內(nèi)力分布均勻，因此更加具有科學(xué)性和實(shí)用性。

斜拉橋是現(xiàn)代橋梁工程中經(jīng)常采用的一種施工方案，它屬于拉索體系，因?yàn)樗攘菏綐虻目缭侥芰Ω螅孕崩瓨蚴谴罂缍葮蛄旱淖钪饕獦蛐汀?截止到目前，我國(guó)已建成各種類型的斜拉橋100 多座，其中跨徑大于200m 的就有55 座，特別是上世紀(jì)九十年代初建成的上海南浦大橋，因其主跨超過400m，開創(chuàng)了我國(guó)斜拉橋大跨度的先河。 到現(xiàn)在，我國(guó)已成為世界上擁有斜拉橋最多的國(guó)家。

在橋梁工程中，斜拉橋主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)及施工方法相關(guān)的參考文獻(xiàn)或資料較少。 基于此，本文以某雙向傾斜橋塔斜拉橋?yàn)槔?對(duì)其主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)與施工、 頂推力的確定等問題進(jìn)行研究，這對(duì)橋梁工程的研究與發(fā)展有參考意義。

2 斜拉橋主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)置主動(dòng)橫撐的原則和方法

由于A 形塔的塔柱橫向向內(nèi)傾斜，在施工過程中，橋梁的自重和施工荷載等會(huì)使塔柱根部出現(xiàn)彎矩， 這樣會(huì)使塔柱產(chǎn)生橫向位移， 外來的拉應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂。 要解決這一問題，最好的方法就是設(shè)置主動(dòng)橫撐。 主動(dòng)橫撐設(shè)置的目的是對(duì)塔柱的變形和應(yīng)力進(jìn)行雙控，在便于施工的前提下，達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)的成塔狀態(tài)。主動(dòng)橫撐的位置與塔柱的施工工藝息息相關(guān)。主動(dòng)橫撐采用的結(jié)構(gòu)通常是橫向鋼管結(jié)構(gòu)， 橫撐分段與塔柱固結(jié)在一起形成框架。 此時(shí)還要用千斤頂對(duì)中塔柱內(nèi)側(cè)塔壁施加預(yù)頂力，因?yàn)闄M撐本身剛度和強(qiáng)度較大，這樣能克服中塔柱施工過程中因自重和施工荷載而引起附加應(yīng)力的積累。

橋塔自重及施工荷載的橫橋向作用力是雙向傾斜橋塔施工中需要重點(diǎn)考慮的對(duì)象，此外，無索區(qū)塔柱段還要考慮順橋向作用。 中塔柱根部是順橋向作用的附加拉應(yīng)力最不利位置，所以頂推第1 道主動(dòng)橫撐并澆筑混凝土后， 其對(duì)中塔柱根部截面影響就小了。 第2 道橫撐的位置需考慮軸向壓應(yīng)力和雙向附加拉應(yīng)力這兩種力是否在第1 道橫撐的截面處超限，如果超限，則應(yīng)考慮設(shè)置臨時(shí)拉索或臨時(shí)支撐等結(jié)構(gòu)。

2.2 主動(dòng)橫撐預(yù)頂力的確定原則及方案

主動(dòng)橫撐預(yù)頂力的確定要遵循內(nèi)力控制為主、變形控制為輔的原則。其預(yù)頂力不宜過大，避免塔柱在橫撐處出現(xiàn)橫橋向位移。 因此， 準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)理論預(yù)頂力是頂推控制方案中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其操作過程如下：

（1）嚴(yán)格把好原材料質(zhì)量關(guān)。 主動(dòng)橫撐的材料首先要?jiǎng)偠却螅?所選用的鋼管是≥Q235 鋼， 單個(gè)橫撐截面用規(guī)格相同的2個(gè)鋼管布置。橫撐的剛度必須要滿足施工過程中的受力需要，同時(shí)該鋼管的穩(wěn)定性還要達(dá)到工程規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

（2）正確合理使用千斤頂。 在施工現(xiàn)場(chǎng)，必須使用安全系數(shù)高、頂推噸位大、操作方便快捷的油壓千斤頂，如果千斤頂持力效果差，就會(huì)對(duì)工程不利。因此，在操作中，把油壓千斤頂頂推到位后，再用型鋼在頂推位置焊接固定，如果焊接變形，則應(yīng)通過試驗(yàn)得到所需補(bǔ)償?shù)某斄Α?/p>

3 某斜拉橋橫撐施工工程實(shí)例

3.1 工程簡(jiǎn)介

某斜拉橋其主梁為鋼－混組合結(jié)構(gòu)， 采用雙索面斜拉橋方案，為墩、塔、梁固結(jié)體系。橋面上橋橋塔高108m，橫橋向?yàn)锳 字型，橋塔向邊跨側(cè)傾斜75°左右，順橋向?yàn)樽兘孛妾?dú)塔。該斜拉橋主跨側(cè)設(shè)置14 對(duì)拉索，邊跨側(cè)設(shè)置10 對(duì)拉索，這些斜拉索固定于主梁橫梁的位置。其中，主跨側(cè)拉索間距為13.1m，梁上斜拉索間距為9.2m。橋塔的中塔柱采用薄壁箱形截面，塔軸線順橋向夾角為78°左右， 橫橋向夾角為84°。 中塔柱高89m， 根部尺寸為11×4.8m，線性漸變至橋塔匯合處，規(guī)格為6.10m×4.8m，壁厚順橋向1.3m、橫橋向?yàn)?.1m。

3.2 橫撐設(shè)置方案

在對(duì)斜拉橋的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算后，得出以下橫撐設(shè)置方案：在橋塔承臺(tái)24m 處增設(shè)第1 道主動(dòng)橫撐，施加預(yù)頂力為2 415Kn；在橋塔承臺(tái)35m 處增設(shè)第2 道主動(dòng)橫撐，施加預(yù)頂力為1 870Kn；在橋塔承臺(tái)60m 處增設(shè)第3 道主動(dòng)橫撐，施加預(yù)頂力為1 790Kn； 在橋塔承臺(tái)94m 處即合攏處增設(shè)第4 道被動(dòng)支承。 每道橫撐采用2 根810mm×15mm 鋼管，并在每道橫撐之間布置均勻的3 支應(yīng)變計(jì)， 用來監(jiān)控頂推過程中及橫撐工作期間的應(yīng)力變化。

3.3 主動(dòng)橫撐的施工

主動(dòng)橫撐的施工首先用油壓千斤頂頂推，然后用3 組雙拼工字鋼在頂推端兩側(cè)法蘭中間進(jìn)行焊接固定， 本文將以第3 道橫撐為例對(duì)主動(dòng)橫撐進(jìn)行分析。 橫撐的單根鋼管長(zhǎng)度是11m，補(bǔ)償焊接收縮變形的超頂力ΔF＝－645Kn， 橫撐工作期間平均環(huán)境溫度為16℃，頂推第3 道橫撐時(shí)環(huán)境溫度為21℃，通過計(jì)算得出了溫度影響預(yù)頂力調(diào)整值ΔF′＝81Kn。

此時(shí)第3 道橫撐單根鋼管工作預(yù)頂力F′＝F0＋ΔF′＝-854Kn。即使在同一根鋼管上，3 只應(yīng)變傳感器讀數(shù)也有很大差別， 而且這種變化無規(guī)律。 鋼管偏心受壓是造成這種變化的主要原因，偏心受壓是由鋼管和塔柱預(yù)埋鋼板焊接、固定用型鋼焊接不均勻造成的。所以在橫撐設(shè)置的施工過程中，不但施工上要精益求精，還要合理地布設(shè)橫撐應(yīng)變傳感器，這樣可以減少施工過程中的不利情況。

3.4 主動(dòng)橫撐施工中的問題剖析

工作時(shí)間的長(zhǎng)短與橫撐頂推的溫度對(duì)主動(dòng)橫撐的影響較大。 如果橫撐料和規(guī)格均相同，在溫度相等的情況下，其內(nèi)力影響值也相等。 橫撐的內(nèi)力變化值隨著中塔柱根部的橫撐約束剛度的增大而變大。 反之，內(nèi)力影響值也會(huì)隨著橫撐約束剛度的減小而變小。 另外，橫撐材料也是影響內(nèi)力值變化的因素，用于橫撐的材料是Q235 鋼材，鋼材對(duì)溫度的敏感度較高，因此橫撐的內(nèi)力值變化會(huì)很大。 要把這一影響降低到最小限度，就要對(duì)橫撐本身進(jìn)行淺色涂裝或進(jìn)行灑水降溫等。 對(duì)于橫撐的施工截面，要做到防止橫撐鋼管嚴(yán)重偏心受壓失穩(wěn)或連接焊縫斷裂。

在施工過程中，由于測(cè)量精度原因，兩片法蘭之間放置的型鋼應(yīng)用錘擊方式進(jìn)行，以增加預(yù)頂力。 在無索區(qū)橋塔施工過程中，對(duì)于橫撐的設(shè)置應(yīng)綜合考慮，是疏是密，要從施工成本和是否對(duì)施工有利的角度考慮，做到合理設(shè)置橫撐。如果橫橋向彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力過大，應(yīng)適當(dāng)增加橫撐數(shù)量進(jìn)行布置；如果順橋向彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力過大，應(yīng)設(shè)置臨時(shí)拉索。無論是橫橋向還是順橋向彎矩拉力過大，均可在塔柱不利位置加配豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。對(duì)于混凝土的澆筑，特別是在橋塔中塔柱根部、合攏處等關(guān)鍵位置，應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范施工，防止產(chǎn)生非受力裂縫。

4 拆除橫撐的施工要點(diǎn)

主動(dòng)橫撐的設(shè)置很重要，同樣對(duì)主動(dòng)橫撐拆除時(shí)機(jī)的把握也很重要，拆除時(shí)機(jī)需根據(jù)工程實(shí)踐來掌握。如果塔柱施工工期長(zhǎng)， 應(yīng)在中塔柱合攏后拆除， 避免溫度變化對(duì)橫撐內(nèi)力造成影響。合攏后拆除也要考慮塔柱合攏處局部的預(yù)應(yīng)力，因?yàn)闄M撐拆除后塔柱橫向的剛度會(huì)下降，使合攏處拉應(yīng)力增加。 上塔柱的橫撐要在施工1、2 節(jié)段后再拆除。 雙向傾斜橋塔的斜拉橋橫撐的拆除，要考慮斜拉索的張拉值。 在中塔柱的合攏處，由于索力的豎向分量在中塔柱根部產(chǎn)生的壓應(yīng)力儲(chǔ)備往往遠(yuǎn)小于成橋狀態(tài)， 此時(shí)如果拆除橫撐， 就會(huì)造成2 個(gè)方向自重和施工荷載疊加，會(huì)增大中塔柱根部拉應(yīng)力值，容易出現(xiàn)受力裂縫。 此時(shí)對(duì)橫撐的拆除就要考慮塔柱合攏處、中塔柱根部拉應(yīng)力值是否容許，符合要求方可拆除，否則不能貿(mào)然處理。

5 結(jié)語

對(duì)主動(dòng)橫撐的施工進(jìn)行控制時(shí)有很多不確定因素，首先要考慮偏心受壓、系統(tǒng)溫度、溫度梯度等因素的影響，其次要提高測(cè)量精度，同時(shí)還要保證塔柱混凝土澆筑質(zhì)量及橫撐焊接精度。只有科學(xué)地把主動(dòng)橫撐技術(shù)運(yùn)用到橋梁建設(shè)過程中， 才能保證結(jié)構(gòu)受力安全，降低成本，從而達(dá)到提高工作效率的目的。

[1]林寅.廈漳跨海大橋南汊斜拉橋索塔中塔柱主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].福建建筑，2011（09）.

[2]賀鵬，常英，張延河，張家元.九江長(zhǎng)江公路大橋北塔下橫梁施工方案研究[J].世界橋梁，2012（04）.