超高鉆石型索塔“拉桿--撐桿”優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

徐登云， 孫小猛，趙　飛，張細(xì)敏

(1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇蘇州　215131； 2.中鐵四局集團(tuán)博士后工作站，合肥　230023；

3.寧波鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，浙江寧波　315012)

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超高鉆石型索塔“拉桿--撐桿”優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

徐登云1， 孫小猛2，趙飛1，張細(xì)敏3

(1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇蘇州215131； 2.中鐵四局集團(tuán)博士后工作站，合肥230023；

3.寧波鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，浙江寧波315012)

摘要：甬江左線特大橋主橋?yàn)槲覈?guó)首座鐵路混合梁斜拉橋，索塔采用鉆石型，全高177.91 m。施工過(guò)程中，索塔下塔柱及中塔柱均處于長(zhǎng)懸臂、大角度傾斜狀態(tài)，若不采取適當(dāng)措施，會(huì)導(dǎo)致索塔截面出現(xiàn)不良應(yīng)力，并出現(xiàn)較大偏位，嚴(yán)重影響索塔后期施工及外觀質(zhì)量。為控制索塔在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)，建立施工階段有限元模型，對(duì)索塔施工全過(guò)程進(jìn)行模擬分析，提出一種“拉桿-撐桿”優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)類(lèi)似工程設(shè)計(jì)與施工具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：斜拉橋；索塔；應(yīng)力；“拉桿-撐桿”；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1概述

近年來(lái)，隨著高強(qiáng)材料制造技術(shù)的成熟，施工設(shè)備的進(jìn)步，設(shè)計(jì)理論及施工工藝的不斷深入，我國(guó)橋梁朝著復(fù)雜大跨的方向發(fā)展?；旌狭盒崩瓨蛞蚱淞己玫牧W(xué)特性，經(jīng)濟(jì)的施工成本以及優(yōu)美的造型，已成為大跨橋梁最有力的競(jìng)爭(zhēng)橋型[1]。鉆石型索塔在滿足建筑條件及功能的同時(shí)，更能夠體現(xiàn)出橋梁優(yōu)美的建筑造型，已越來(lái)越多的應(yīng)用于高塔、大跨、密索體系斜拉橋的建設(shè)之中[2]。

鉆石型索塔一般由基礎(chǔ)、承臺(tái)、塔座、下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱及塔頂裝飾等9大部分組成。根據(jù)鉆石型索塔的結(jié)構(gòu)形式，下塔柱處于外傾，中塔柱處于內(nèi)傾狀態(tài)。施工過(guò)程中，若不采取適當(dāng)措施，會(huì)導(dǎo)致索塔截面混凝土出現(xiàn)不良應(yīng)力，并出現(xiàn)較大偏位，嚴(yán)重影響后期索塔施工及外觀質(zhì)量。為調(diào)節(jié)索塔在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)，在下塔柱增設(shè)拉桿，中塔柱增設(shè)撐桿，保證索塔受力狀態(tài)及線形滿足施工需求。

目前，“拉桿-撐桿”已作為一項(xiàng)重要的臨時(shí)措施，廣泛應(yīng)用于超高鉆石型索塔的施工過(guò)程之中。主動(dòng)力的大小及安裝位置一般由索塔控制截面的應(yīng)力確定；線形也多以當(dāng)前施工階段位移為控制對(duì)象，所計(jì)算的索塔自由端位移相對(duì)偏小，針對(duì)線形的控制不夠直觀。采用應(yīng)力與線形雙控原則，以施工階段累計(jì)位移為計(jì)算對(duì)象，直觀、有效地反映及控制索塔線形，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，提出拉桿、撐桿安裝位置及主動(dòng)力計(jì)算方法。

2工程概況

甬江左線特大橋主橋?yàn)槲覈?guó)首座鐵路混合梁斜拉橋，全長(zhǎng)909.1 m。索塔結(jié)構(gòu)采用鉆石型，全高177.91 m。下塔柱高27.41 m，單箱單室結(jié)構(gòu)，中心線外側(cè)傾斜度1∶5.635。中塔柱高86.09 m，亦采用單箱單室結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)傾斜度1∶8.841。上塔柱高64.41 m，單箱雙室結(jié)構(gòu)，內(nèi)置鋼錨箱錨固系統(tǒng)。索塔整體采用C50混凝土，下、中塔柱采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

索塔采用全自動(dòng)液壓爬模系統(tǒng)分節(jié)施工，液壓爬模共由6層平臺(tái)組成，包括4層模板施工平臺(tái)、主承重平臺(tái)及吊平臺(tái)，總高度14.5 m。爬模總體布置見(jiàn)圖1。

圖1　液壓爬模構(gòu)造

全塔共分33個(gè)施工節(jié)段。其中，索塔第6、7節(jié)與下橫梁同步澆筑。索塔結(jié)構(gòu)及施工節(jié)段劃分如圖2所示。

圖2　索塔結(jié)構(gòu)及施工節(jié)段劃分示意(單位：cm)

3“拉桿-撐桿”設(shè)計(jì)原則

3.1應(yīng)力控制原則

索塔下塔柱向外傾斜，中塔柱向內(nèi)傾斜，施工過(guò)程中均處于單懸臂狀態(tài)。隨著施工階段的增加，由自重及施工荷載所產(chǎn)生附加彎矩導(dǎo)致索塔控制截面出現(xiàn)拉應(yīng)力并產(chǎn)生裂縫，影響索塔施工質(zhì)量。

施工過(guò)程中，考慮自重、溫度、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力荷載等對(duì)索塔的影響，控制截面拉應(yīng)力?？刂圃瓌t如下

(1)

式中σ——混凝土控制截面受拉邊緣計(jì)算拉應(yīng)力；

M1、M2——混凝土自重、施工荷載所產(chǎn)生的附加彎矩；

W——抗彎截面模量；

σ1——收縮徐變產(chǎn)生的附加應(yīng)力；

N1、N2——混凝土自重、施工荷載所產(chǎn)生的軸向力；

A——控制截面面積；

R1——混凝土極限拉應(yīng)力；

K——安全系數(shù)。

根據(jù)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，C50混凝土極限抗拉強(qiáng)度為3.1 MPa；混凝土的彎曲拉應(yīng)力的容許應(yīng)力是以混凝土的抗拉極限強(qiáng)度除以安全系數(shù)4。實(shí)際施工過(guò)程中，控制索塔混凝土截面拉應(yīng)力不大于0.5 MPa。

3.2線形控制原則

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，索塔傾斜度誤差不得大于H/3 000(H為塔高，單位mm)。

3.3構(gòu)造控制原則

中塔柱施工過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)高度為6.021 m，爬?？傞L(zhǎng)度為14.5 m，臨時(shí)撐桿的安裝將滯后混凝土施工一個(gè)階段，滯后液壓爬模施工兩個(gè)階段。即:第11節(jié)混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)完成后，液壓爬模爬升至12節(jié)，此時(shí)可在第10節(jié)安裝臨時(shí)撐桿。根據(jù)構(gòu)造要求，安裝高度距第10節(jié)底端不得大于3.2 m。

4下塔柱臨時(shí)拉桿設(shè)計(jì)

采用MIDAS CIVIL 2010 有限元計(jì)算軟件，結(jié)合下塔柱實(shí)際施工步驟，建立施工階段有限元模型，分析下塔柱在施工過(guò)程中的內(nèi)部應(yīng)力變化情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定臨時(shí)拉桿施加位置及主動(dòng)力的大小。

下塔肢根部應(yīng)力變化見(jiàn)圖3。

圖3　下塔柱施工組合應(yīng)力曲線

圖3表明：隨著施工節(jié)段增長(zhǎng)，下塔柱根部截面的應(yīng)力變化速度越快。當(dāng)裸塔施工至第5節(jié)段時(shí)，下塔柱根部截面內(nèi)側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)拉應(yīng)力，下橫梁施工完成后，拉應(yīng)力達(dá)到0.56 MPa。根據(jù)索塔構(gòu)造及施工條件，第5、6施工階段均處于下橫梁范圍內(nèi)，故將下塔柱拉桿設(shè)置在第4施工節(jié)段頂端。為消除前4個(gè)施工節(jié)段所積累的附加彎矩，拉桿設(shè)置高度為19 m，主動(dòng)拉力為2 500 kN。

增設(shè)拉桿后，下塔肢根部應(yīng)力變化見(jiàn)圖4。

圖4　下塔柱根部應(yīng)力變化(增設(shè)拉桿)

圖4所示結(jié)果表明：下塔柱第4節(jié)增設(shè)拉桿后，根部截面附加彎矩基本消除，內(nèi)外側(cè)壓應(yīng)力數(shù)值保持一致。在下塔柱后續(xù)施工過(guò)程中，根部截面應(yīng)力滿足要求。

下塔柱裸塔施工與增設(shè)拉桿條件下，索塔橫橋向累計(jì)位移對(duì)比分析見(jiàn)圖5。

圖5　下塔柱橫橋向累計(jì)位移對(duì)比分析

圖5所示結(jié)果表明：增設(shè)拉桿后，下塔柱橫橋向累計(jì)位移明顯減小，線形滿足設(shè)計(jì)要求。

5中塔柱臨時(shí)撐桿設(shè)計(jì)

索塔中塔柱向內(nèi)傾斜，為消除自重及施工荷載所產(chǎn)生的附加彎矩，每隔一定的施工節(jié)段，在兩塔肢間增設(shè)大直徑鋼管支撐作為主塔施工臨時(shí)撐桿。中塔柱臨時(shí)撐桿的設(shè)置可采用以下兩種方式，即被動(dòng)橫撐與主動(dòng)橫撐。被動(dòng)橫撐在一定的施工節(jié)段與兩側(cè)塔肢臨時(shí)固結(jié)，被動(dòng)消除后續(xù)施工對(duì)索塔產(chǎn)生的不利影響。但該種方式不能完全消除橫撐設(shè)置前所產(chǎn)生的附加彎矩，在被動(dòng)橫撐解除后，中塔柱根部仍有很大的殘余應(yīng)力[3]。為避免上述情況發(fā)生，在被動(dòng)橫撐安裝完成后，施加一定的主動(dòng)力，將被動(dòng)橫撐轉(zhuǎn)化為主動(dòng)橫撐，消除施工過(guò)程中自重和施工荷載引起的附加應(yīng)力積累。

5.1中塔柱臨時(shí)撐桿設(shè)計(jì)方法

中塔柱起步段在施工過(guò)程中處于單懸臂狀態(tài)，鋼管支撐的設(shè)計(jì)應(yīng)保證中塔柱根部拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)原則。安裝好第一道橫撐后，橫撐與懸臂狀態(tài)的塔柱構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，協(xié)同作用。上部結(jié)構(gòu)自重對(duì)第1道橫撐位置處中塔柱混凝土截面影響明顯，而對(duì)中塔柱根部截面應(yīng)力影響較小。因此，可以通過(guò)對(duì)第1道橫撐位置處塔柱混凝土截面進(jìn)行應(yīng)力控制，以確定第2道橫撐的位置高度。依此類(lèi)推，確定其他橫撐位置。

5.2主動(dòng)橫撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

采用MIDAS CIVIL 2010 有限元計(jì)算軟件，根據(jù)中塔柱的施工步驟，建立施工階段有限元模型，撐桿主動(dòng)力采用溫度荷載模擬。中塔柱起步段施工，根部截面應(yīng)力變化見(jiàn)圖6。

圖6表明：中塔柱根部截面內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力大致呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)施工至第10節(jié)段時(shí)，截面外側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)拉應(yīng)力，第11節(jié)段混凝土澆筑完成后，截面外側(cè)拉應(yīng)力為0.459 MPa；第12節(jié)段混凝土澆筑完成后，截面外側(cè)拉應(yīng)力達(dá)到0.774 MPa。根據(jù)應(yīng)力及構(gòu)造控制原則，第1道主動(dòng)橫撐施加節(jié)段位置不應(yīng)高于第10節(jié)段，與中塔柱根部高差不大于21.3 m。

第1道主動(dòng)橫撐安裝完成后，主動(dòng)橫撐所在截面應(yīng)力受后續(xù)節(jié)段施工影響計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7　主動(dòng)橫撐截面施工組合應(yīng)力曲線

第1道主動(dòng)橫撐安裝完成后，當(dāng)15節(jié)混凝土澆筑完成后，截面外側(cè)拉應(yīng)力為0.488 MPa，16節(jié)混凝土澆筑完成后，截面外側(cè)拉應(yīng)力達(dá)到0.844 MPa。根據(jù)應(yīng)力及構(gòu)造控制原則，第1道主動(dòng)橫撐施加節(jié)段位置不應(yīng)高于第14節(jié)段，與第1道主動(dòng)橫撐截面高差不大于24 m。

根據(jù)上述主動(dòng)橫撐布置原則，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，提出中塔柱主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)方案。中塔柱共設(shè)置3道主動(dòng)橫撐，主動(dòng)力大小由施工過(guò)程中控制截面附加彎矩計(jì)算求得。主動(dòng)橫撐安裝位置及主動(dòng)力大小見(jiàn)圖8。

圖8　主動(dòng)橫撐布置方案

5.3有限元模擬分析

建立上述中塔柱撐桿施工階段有限元模型，分別對(duì)中塔柱控制截面應(yīng)力及橫橋向施工累計(jì)位移進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證方案是否滿足設(shè)計(jì)要求。

中塔柱根部截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9　中塔柱根部截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由圖9可以看出：安裝主動(dòng)橫撐并施加主動(dòng)力后，應(yīng)力發(fā)生明顯突變。整個(gè)施工過(guò)程中，除第1道主動(dòng)橫撐安裝前出現(xiàn)拉應(yīng)力外，后續(xù)施工節(jié)段中塔柱根部全截面受壓，滿足要求。

索塔橫橋向施工累計(jì)位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10　中塔柱橫橋向施工累計(jì)位移

圖10表明：加設(shè)主動(dòng)橫撐后，橫橋向累計(jì)位移明

顯變?。划?dāng)中塔柱合龍后，橫向累計(jì)位移基本保持不變。施工過(guò)程中，中塔柱橫橋向最大累計(jì)位移為35.7 mm，穩(wěn)定于25.6 mm，滿足要求。

6結(jié)論

(1)下塔柱主動(dòng)拉桿的安裝高度應(yīng)保證下塔柱根部控制截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，主動(dòng)拉力的大小由自重及施工荷載在下塔柱根部所產(chǎn)生的附加彎矩計(jì)算確定。

(2)中塔柱第一道主動(dòng)橫撐的安裝高度應(yīng)保證中塔柱根部控制截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，主動(dòng)推力的大小由自重及施工荷載在中塔肢根部所產(chǎn)生的附加彎矩計(jì)算確定。

(3)中塔柱主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)間距應(yīng)保證主動(dòng)橫撐安裝截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，主動(dòng)推力的大小由自重及施工荷載在前一道橫撐位置處所產(chǎn)生的附加彎矩計(jì)算確定。

(4)在上述原則的基礎(chǔ)上，提出方案并建立施工節(jié)段有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。

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Research on Optimal Design of “Tension-Supporting Rod” of Ultra-high Diamond Cable Tower

XU Deng-yun1， SUN Xiao-meng2， ZHAO Fei1， ZHANG Xi-min3

(1.The Second Engineering Company of China Railway No.4 Engineering Group Co.， LTD.， Suzhou 215131， China;

2.Post-Doctoral Research Center， China Railway No.4 Engineering Group Co.， Ltd.， Hefei， 230023， China;

3.The engineering Construction Headquarters of Ningbo Railway Hub， NingBo 315012)

Abstract：The Yong Jiang Left-Line Bridge is the first railway hybrid girder cable-stayed bridge in China with the diamond cable tower 177.91m high. During the construction， the lower tower column and the middle tower column tend to be in the state of long cantilever and large tilt. If appropriate measures are not taken， adverse stress may appear in cable tower section with big deviation， affecting seriously late tower construction and visual quality. To control the stress of cable tower during construction， Finite element model of construction is established to simulate and analyze the entire construction process of the cable tower， an optimal design of “tension-supporting rod” is proposed， which provides references for design and construction of similar works．

Key words：Cable-stayed bridge; Cable tower; Stress; “Tension-Supporting Rod”; Optimal design

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.014

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0049-04

作者簡(jiǎn)介：徐登云(1984—)，男，工程師，2012年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail：xdy7851@sohu.com。

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2013G001-D)

收稿日期：2014-06-06； 修回日期：2014-07-27