混合梁斜拉橋索塔與下橫梁異步施工控制分析

陳月萍，張建飛，胡強(qiáng)圣

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 安慶 246000)

?

混合梁斜拉橋索塔與下橫梁異步施工控制分析

陳月萍，張建飛，胡強(qiáng)圣

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，安徽 安慶 246000)

摘要：某特大橋索塔采用鉆石型混凝土索塔，索塔總高度為177.91 m，在下塔柱與中塔柱相交位置設(shè)置一道下橫梁。施工中塔柱與下橫梁采用異步施工，即先將中塔柱施工到第二節(jié)段再進(jìn)行下橫梁施工。期間，索塔會出現(xiàn)懸臂狀態(tài)，故索塔的薄弱截面易出現(xiàn)拉應(yīng)力，這在橋梁施工中是要避免的，為此，先通過模擬分析異步施工過程對索塔的影響，給出相應(yīng)的施工控制措施。

關(guān)鍵詞：混合梁斜拉橋；索塔；異步施工；主動支撐；施工階段

1工程概況

某特大橋主橋設(shè)計(jì)橋型為鋼箱混合梁斜拉橋，全長909.10 m，中心里程DK18+354.33m。主橋共設(shè)兩個索塔，南北方向布置，主跨468.00 m，索塔設(shè)計(jì)形式為鉆石型塔，如圖1。

索塔塔柱包括：塔頂裝飾段，上塔柱，中塔柱(包含中、下塔柱連接段)。下塔柱和下橫梁，采用C50混凝土。塔柱底面標(biāo)高為4.500 m，塔頂標(biāo)高為182.410 m，索塔總高度為177.91 m，其中，塔頂裝飾段為1.50 m，上塔柱為62.91 m，中塔柱高為86.09 m，下塔柱高為27.41 m，如圖2。

圖1混合梁斜拉橋立面布置圖(單位：m)

2施工方法介紹

在下橫梁未施工之前，索塔的左右塔肢沒有橫向聯(lián)系，如本工程索塔施工到第7、第8施工節(jié)段，即索塔與下橫梁未形成框架體系。若索塔繼續(xù)施工，索塔懸臂段的長度逐漸變大，這對索塔是極其不利的。索塔施工到一定長度有傾斜的懸臂狀態(tài)時，索塔和橫梁必須連成框架才能繼續(xù)往上施工塔柱。索塔與下橫梁施工的常用方法有：索塔與下橫梁異步施工和索塔與下橫梁同步施工。

2.1　索塔與下橫梁異步施工

索塔與下橫梁異步施工，有先施工索塔后施工下橫梁和先施工下橫梁后施工索塔兩種方法：前者是指下塔柱施工的同時搭設(shè)下橫梁支架，待索塔施工到一定高度時，索塔停止施工，澆筑下橫梁，下橫梁達(dá)到一定強(qiáng)度時即與索塔形成框架，索塔再繼續(xù)施工；后者是指索塔未施工到下橫梁位置時，下橫梁已施工完畢且預(yù)留接頭，待索塔施工到與下橫梁高度一致時，索塔與下橫梁一起澆筑，形成框架結(jié)構(gòu)。本工程采用先施工索塔再施工下橫梁的方法，如圖3。

圖2索塔施工節(jié)段劃分示意圖

2.2　索塔與下橫梁同步施工

索塔與下橫梁同步施工是指索塔施工到與下橫梁高度相同時，將索塔與下橫梁作為一個整體，同時搭設(shè)支架模板，整體澆筑混凝土。此法通常需分次進(jìn)行同步澆筑，多個作業(yè)面不能同時展開?；炷翝仓灰走_(dá)到質(zhì)量要求，且對下橫梁支架要求高，需增加臨時設(shè)施材料的費(fèi)用。

3異步施工有限元模型建立

3.1　索塔施工階段劃分

施工分階段施工, 其階段劃分情況為，下塔柱：6.000 m+3×4.470 m+3.500 m+4.500 m，共6個施工階段；中塔柱：14×6.025 m，共14個施工階段；上塔柱：3×6.025 m+3.644 m+7×6.130 m+1.500 m，共12個施工階段，如圖2。

3.2　模型建立

采用Midas Civil有限元分析軟件建立索塔施工階段模型，主動支撐采用桁架單元。本模型共90個節(jié)點(diǎn)，桁架單元有4個，梁單元有85個。塔底采用固結(jié)方式，中塔交匯處采用剛性連接，下橫梁與索塔采用剛性連接。

3.3　荷載取值

荷載主要考慮索塔自重、爬模自重、拉桿預(yù)拉力、下橫梁預(yù)應(yīng)力和橫向支撐主動力。下塔柱拉桿初拉力采用節(jié)點(diǎn)荷載模擬；建立模型時，利用鋼管單元溫度的變化產(chǎn)生的內(nèi)力來模擬主動力，即鋼管溫度升高發(fā)生膨脹并產(chǎn)生內(nèi)力，該內(nèi)力作用在塔肢上形成主動力。原理如下：

F=ELAε

(1)

ε=α(T1-T2)

(2)

其中，α是在“材料”中輸入的線性熱膨脹系數(shù)，T1是初始溫度，T2是結(jié)構(gòu)的最終溫度，F(xiàn)是主動力，E是彈性模量，A是主動支撐截面面積，L是主動支撐長度，ε是線應(yīng)變。

3.4　索塔位移限值的確定

根據(jù)《路橋施工手冊》，索塔在施工過程中的位移限值計(jì)算公式如下

(3)

式中，ΔN—塔的不平衡力，L—索塔高，EI—索塔截面抗彎剛度。

本工程中，塔的不平衡力取主動支撐力的最大值，大小為2 000 kN，取中塔柱截面慣性矩，大小為109.937 1 m4，C50混凝土彈性模量為3.45E5 MPa。將各數(shù)據(jù)代入，得出位移限值為10.1 mm。

4結(jié)果分析

4.1　下塔柱分析

未設(shè)拉桿時，下塔柱截面應(yīng)力值和橫橋向最大位移見表1。規(guī)定壓應(yīng)力為負(fù)、拉應(yīng)力為正，位移向索塔內(nèi)側(cè)傾斜為負(fù)、位移向索塔外側(cè)傾斜為正。

表1　未設(shè)拉桿下塔柱各階段應(yīng)力及位移

由表1應(yīng)力結(jié)果可以看出，下塔柱施工到第5階段時，下塔柱內(nèi)側(cè)截面開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，大小為 0.001 MPa，出現(xiàn)的拉應(yīng)力是不允許的。故在第5施工階段加設(shè)拉桿并對拉桿施加初始主動力，大小為1200 kN。主動力施加后，下塔柱各施工階段的應(yīng)力和橫橋向最大位移見表2。拉桿采用12Φ15.24鋼絞線，拉桿設(shè)置標(biāo)高為27.41 m。

表2　設(shè)置拉桿后下塔柱各階段應(yīng)力及位移

加設(shè)拉桿后，索塔截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，索塔的橫橋向最大位移值有所減小，位移值都在限值范圍內(nèi)?？芍?，拉桿有效地改變了下塔柱施工過程中截面的應(yīng)力狀態(tài)，避免混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.2　中塔柱分析

中塔柱施工到第9施工階段索塔截面的應(yīng)力情況見表3。

表3　中塔柱第7至第9施工階段應(yīng)力及位移情況

從表3可以看出，施工至第9節(jié)段時，中塔柱外側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，大小為0.003 MPa。在施工中這種情況是不允許的。為了避免中塔底外側(cè)截面拉應(yīng)力進(jìn)一步擴(kuò)大，在第9施工節(jié)段安裝第一道主動支撐，對其施加2000 kN的力。索塔共設(shè)置4道主動支撐，其位置及各項(xiàng)建模參數(shù)見表4。各主動力施加后，中塔柱第10至第20施工階段索塔的應(yīng)力和位移見圖4和圖5。

表4　主動支撐參數(shù)

圖4中塔柱第10至第20階段應(yīng)力值(MPa)

從圖4可看出，主動支撐的施加，消除了拉應(yīng)力，使大體積混凝土處于完全受壓狀態(tài)。從圖5可知，索塔在各施工階段的最大位移都小于10.1 mm，這有利于索塔線形的形成。

4.3　主動支撐拆除

待索塔施工完成后，混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度，主動支撐從上到下依次拆除，主動力釋放和拉桿的拆除對索塔截面應(yīng)力與位移有所影響，見表5。

表5　拆除主動支撐及拉桿后索塔截面的應(yīng)力位移

從表5可以看出，主動支撐及拉桿的拆除過程中索塔截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且塔柱變形處于允許范圍內(nèi)。故按照上述方式設(shè)置拉桿和主動支撐滿足施工要求。

5結(jié)論

通過對某特大斜拉橋索塔與下橫梁異步施工受力狀態(tài)的分析，采用Midas有限元軟件模擬異步施工過程，計(jì)算得出了索塔各施工階段的截面應(yīng)力和位移情況。結(jié)果表明，索塔與下橫梁異步施工方法是可行的，在施工過程中設(shè)置拉桿和主動支撐能有效地改變索塔的應(yīng)力狀態(tài)，減小施工過程中索塔的變形，有利于索塔線形的形成。

參考文獻(xiàn):

[1] 周孟波. 斜拉橋手冊[M]. 北京:人民交通出版社, 2004:27-30.

[2] JGJ D62-2004, 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 陳超華, 穆清君, 易江鴻. 大跨度斜拉橋索塔下橫梁塔梁同步一次性澆筑施工技術(shù)[C]. 第二十屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集(上冊), 2012.

[4] 曾祥紅. 大跨鋼-砼混合梁斜拉橋施工控制和塔梁同步施工方法[D]. 西安: 長安大學(xué), 2012.

[5] 劉智. 大跨徑懸索橋塔下橫梁施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安: 長安大學(xué), 2011.

[6] 尹彩麗, 廉文斌, 王海崗. 青島海灣大橋紅島航道橋索塔橫梁施工技術(shù)[J]. 公路交通科技, 2012, 88(4):213-217.

[7] 余定軍. 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.

[8] 裴賓嘉. 合江長江二橋塔梁同步施工可行性分析[J]. 西南公路, 2011(4):89-93.

[9] 石徑. 斜塔斜拉橋索塔施工控制研究[D]. 武漢理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院, 2011.

[10] 張鴻, 張永濤, 游新鵬. 蘇通大橋索塔施工控制[J]. 公路, 2009(3):16-19.

[11] 周水興. 路橋施工手冊[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001.

[12] 苗海燕, 師鮮霞. 索塔橫梁及塔柱施工技術(shù)[J]. 技術(shù)與市場, 2011, 18(6):121-122.

Stress Analysis of Asynchronous Construction of Pylon and Bottom End Rail of Hybrid Girder Cable-stayed Bridge

CHEN Yue-ping, ZHANG Jian-fei, HU Qiang-sheng

(Department of Building Engineering, Anqing Vocational and Technical College, Anqing 246000, China)

Abstract:A bridge is used with the diamond type concrete pylon, and its total height is 177.91 m. In the intersection position of the Middle-Pylon and the Down-Pylon is the bottom end rail. The construction method of the pylon and bottom end rail are asynchronous constructed, which is we put the middle-pylon into the second construction segment, and then go on the bottom end rail. During the period, pylon will appear cantilever state, so the weak section prone to tensile stress; it is to be avoided in the bridge construction. The purpose of this paper is to simulate asynchronous process, to analyze the influence to the tower, and to give the corresponding construction measures.

Key words:hybrid girder cable-stayed bridge, tower, asynchronous construction, active support, construction stage

中圖分類號：U445 559

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-4260(2015)01-0046-04

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.013

作者簡介：陳月萍，女，安徽潛山人，安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系副教授，高級工程師，主要從事施工技術(shù)與工程管理研究。

基金項(xiàng)目：中央財政支持的建筑技術(shù)實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目(34113042613)和安徽省教育廳、財政廳支持的省級示范實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心項(xiàng)目(20101474)。

收稿日期：2014-08-14