甬江鐵路斜拉橋索塔塔梁同異步施工方法對比分析

胡曉東,陳　平

(中鐵四局集團第二工程有限公司,江蘇蘇州　215131)

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甬江鐵路斜拉橋索塔塔梁同異步施工方法對比分析

胡曉東,陳平

(中鐵四局集團第二工程有限公司,江蘇蘇州215131)

摘要：甬江特大橋為國內(nèi)首座鐵路大跨度鋼箱混合梁斜拉橋,鉆石形索塔高177.91 m。通過建立索塔與下橫梁同、異步施工有限元模型,模擬分析同、異步施工對索塔受力狀態(tài)及線形的影響。對比分析表明,同、異步施工的索塔受力及線形略有差異,均能滿足設(shè)計要求,而異步施工較同步在工期上有較大優(yōu)勢。根據(jù)對比分析及南岸索塔工期滯后的實際情況,甬江特大橋南北岸索塔分別采用了塔梁異步與塔梁同步的施工方法,最后實現(xiàn)工期的同步,收到了良好的經(jīng)濟與社會效益。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；斜拉橋；索塔；模擬分析；同步施工；異步施工

1概述

近年來，隨著斜拉橋設(shè)計與施工技術(shù)的不斷發(fā)展，塔柱的結(jié)構(gòu)形式日趨多樣化，主要有獨柱形、雙柱形、門形、H形、T形、A形、倒V形、倒Y形、鉆石形等[1]。鉆石形索塔在具有良好力學特性的同時，更能襯托出斜拉橋整體優(yōu)美的建筑造型，已越來越多的應(yīng)用于高塔、大跨斜拉橋的建設(shè)之中[2]。

鉆石形索塔主要由塔柱及橫梁兩大部分組成；塔柱自下而上分為下塔柱、中塔柱及上塔柱，上塔柱頂端設(shè)有塔頂裝飾段。下塔柱與中塔柱相接處設(shè)置下橫梁，中塔柱合龍?zhí)幵O(shè)置上橫梁。

根據(jù)塔柱與下橫梁施工的先后順序，索塔可分為兩種施工方法，即索塔與下橫梁同步施工及索塔與下橫梁異步施工。在施工工藝上，采用塔梁同步施工的橋梁有武漢二七長江大橋、宜賓長江大橋等；采用塔梁異步施工的橋梁有蘇通大橋、果子溝大橋、遼河特大橋等[3-4]。

為明確塔梁同、異步施工對索塔施工過程及成塔后受力條件、線形的影響，利用有限元分析軟件，建立索塔同、異步施工階段有限元計算模型，分別對塔身彎矩、軸力、控制截面應(yīng)力、橫橋向累計位移進行對比分析。結(jié)果表明，同、異步施工均能滿足設(shè)計及施工要求，同時異步施工相比同步施工能縮短施工工期，取得良好的經(jīng)濟效益。

2工程概況

甬江左線特大橋主橋為鐵路鋼-混混合梁斜拉橋，索塔采用鉆石形索塔，全高177.9 m。梁體全長909.1 m，主跨以468 m鋼混混合梁跨越甬江，邊跨以4跨混凝土箱梁作為錨固跨，孔跨布置為(53+50+50+66) m，見圖1。

圖1　主橋縱斷面(單位：m)

下塔柱高27.41 m，單箱單室截面，兩分離式外傾結(jié)構(gòu)，截面尺寸由9 m×12.528 m線性縮至5.032 m×11.98 m。中塔柱高86.09 m，單箱單室截面，兩分離式內(nèi)傾結(jié)構(gòu)，橫橋向截面保持不變，順橋向尺寸進一步縮至10.258 m。上塔柱高64.41 m，單箱雙室截面，鋼錨箱-預(yù)應(yīng)力混凝土組合結(jié)構(gòu)。下橫梁采用等寬度變高截面，截面寬度10 m，高6～9.385 m，全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

索塔外模采用全自動液壓自爬模系統(tǒng)，內(nèi)模采用組合鋼模+液壓爬模系統(tǒng)施工，塔柱共分33個施工節(jié)段。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)及塔柱施工節(jié)段劃分示意(單位：cm)

3塔梁同、異步施工方法

下橫梁采用鋼管貝雷梁支架體系施工，考慮到荷載分布及現(xiàn)場施工條件，共分兩次澆筑。塔柱與下橫梁同、異步施工不同點僅在于二者施工時間及空間的差異。以本橋為例，塔梁同步施工過程中，當下塔柱施工完成第5節(jié)段后，同步安裝下橫梁支撐系統(tǒng)，塔柱第6節(jié)與下橫梁底部共同澆筑，塔柱第7節(jié)與下橫梁頂部共同澆筑。塔梁異步施工過程中，下塔柱不間斷施工至第9節(jié)后，開始施工下橫梁，形成塔、梁交叉施工狀態(tài)。下橫梁施工完成后，索塔已施工至12節(jié)段。塔梁同、異步施工流程對比見圖3(a)、圖3(b)所示。

考慮到索塔下塔柱向外傾斜，中塔柱呈長懸臂、大角度內(nèi)傾狀態(tài)。施工過程中，自重及施工所產(chǎn)生的偏心荷載會在塔柱根部產(chǎn)生附加彎矩，嚴重影響索塔局部應(yīng)力及整體線形。為改善索塔施工過程中的受力狀態(tài)，在下塔柱增設(shè)拉桿，中塔柱設(shè)置橫撐，并施加一定的主動力。主動拉桿采用4根Φ32 mm精軋螺紋鋼，單道主動橫撐采用3根φ530×10 mm鋼管，對稱布置。拉桿及主動橫撐安裝參數(shù)見表1。

表1　索塔主動拉、撐桿布置

4計算模型

為研究塔梁同、異步施工條件下，索塔受力條件及線形變化規(guī)律，采用MIDAS CIVIL 2010有限元分析軟件，建立索塔施工階段有限元模型，并對計算結(jié)果進行對比分析。同、異步施工有限元模型僅在塔梁施工的先后順序上有所不同，其余施工條件如：施工周期、主動拉-撐桿安裝位置、主動力大小及邊界條件等均保持一致。

針對索塔受力條件及施工情況，對有限元模型進行如下處理：

(1)索塔主體均采用梁單元，主動支撐采用桁架單元建模；

(2)下塔柱拉桿主動力采用節(jié)點荷載，中塔柱撐桿主動力采用溫度荷載模擬；

(3)考慮到承臺及塔座尺寸相當大，建模分析時未建立基礎(chǔ)模型，對塔柱底進行全固結(jié)處理。中塔柱頂端兩節(jié)點與上塔柱底端節(jié)點剛性連接；

(4)索塔施工階段荷載主要包括自重、爬模荷載主動力及預(yù)應(yīng)力荷載；同時考慮混凝土收縮、徐變和彈性壓縮。索塔有限元計算模型如圖4所示。

圖4　索塔施工階段有限元計算模型

5有限元模擬分析結(jié)果

5.1　索塔內(nèi)力對比分析

根據(jù)施工階段有限元分析計算結(jié)果，索塔同、異步施工在成塔后的彎矩與軸力對比見圖5、圖6。

圖5　同、異步施工塔身彎矩計算結(jié)果

圖6　同、異步施工塔身軸力計算結(jié)果

圖5表明：成塔后，同、異步施工中塔柱及下橫梁彎矩變化規(guī)律基本相同，數(shù)值相差不大；采用異步施工下塔柱彎矩變化明顯比同步施工增大，同步施工下塔柱根部承受負彎矩，異步施工下塔柱根部承受正彎矩，二者相差57 257 kN·m。

由圖6可以看出：同、異步施工塔柱及下橫梁軸力變化規(guī)律相同，數(shù)值相差不大。同步施工下塔柱根部軸力為179 203.1 kN，下橫梁最大軸力為156 515.7 kN；異步施工下塔柱根部軸力為178 781.9 kN，下橫梁最大軸力為159 211.3 kN。異步施工下橫梁略大，同步施工下塔柱根部軸力略大。

5.2　索塔應(yīng)力對比分析

隨著索塔施工節(jié)段的不斷增加，下塔柱及中塔柱根部截面控制應(yīng)力也在不斷積累。同、異步施工條件下，下塔柱根部截面內(nèi)側(cè)應(yīng)力變化曲線如圖7所示。曲線中顯示的施工工況所對應(yīng)的施工內(nèi)容見表2。

表2　計算工況明細

圖7　下塔柱根部截面內(nèi)側(cè)應(yīng)力計算結(jié)果

由圖7可以看出：同、異步施工下塔柱根部截面內(nèi)側(cè)應(yīng)力變化規(guī)律大致相同，全過程基本處于受壓狀態(tài)，下橫梁預(yù)應(yīng)力張拉對應(yīng)力影響明顯。同步施工條件下，成塔階段塔柱根部內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力為-2.05 MPa；異步施工條件下，成塔階段塔柱根部內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力為-1.70 MPa，二者相差0.35 MPa。

中塔柱根部截面外側(cè)應(yīng)力變化曲線如圖8所示。

圖8　中塔柱根部截面外側(cè)應(yīng)力計算結(jié)果

圖8表明：同、異步施工中塔柱根部截面外側(cè)應(yīng)力僅僅在初始階段有所不同，后續(xù)施工階段變化規(guī)律基本保持一致。由于異步長懸臂施工，截面外側(cè)出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，峰值為0.2 MPa。同步施工條件下，成塔階段中塔柱根部外側(cè)壓應(yīng)力為-0.78 MPa；異步施工條件下，成塔階段中塔柱根部內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力為-0.8 MPa，二者僅相差0.02 MPa。

5.3　索塔線形對比分析

鉆石形索塔順橋向?qū)ΨQ，且構(gòu)成整體，影響索塔線形的控制因素主要是橫橋向位移?？紤]索塔混凝土收縮、徐變及彈性壓縮，同、異步施工條件下，索塔橫橋向累計位移對比分析結(jié)果如圖9所示。

圖9　索塔橫橋向累計位移變化曲線

圖9表明：異步施工所產(chǎn)生的下塔柱+中塔柱懸臂狀態(tài)，造成索塔施工至第9節(jié)時，索塔累計外傾，累計位移為-3.4 mm。同步施工至第9節(jié)時，受到下橫梁的附加約束作用，索塔累計內(nèi)傾，位移為3.57 mm，后續(xù)施工階段，二者變化規(guī)律基本相同。成塔后，異步施工橫向累計位移為12.68 mm；同步施工橫向累計位移為22.05 mm。

6結(jié)論

(1)同、異步施工條件下，彎矩及軸力變化規(guī)律基本相同。同步法下塔柱根部承受負彎矩，下塔柱根部軸力略大；異步法下塔柱根部承受較大的正彎矩，下橫梁軸力略大。下塔柱及中塔柱根部應(yīng)力變化規(guī)律大致相同。同步法下塔柱根部內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力較大，中塔柱根部外側(cè)應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)；異步法下塔柱根部內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力相對較小，中塔柱截面外側(cè)出現(xiàn)較小拉應(yīng)力。

(2)異步施工至第9節(jié)，索塔頂部自由端累計內(nèi)傾；同步施工至第9節(jié)時，受到下橫梁的附加約束作用，索塔頂部自由端累計外傾。成塔后，異步施工橫橋向累計位移較小。

(3)索塔與下橫梁同、異步方法施工的索塔受力及線形均能滿足設(shè)計要求。

(4)塔梁同步施工，下橫梁鋼筋及預(yù)應(yīng)力施工簡便，整體性好，但塔柱模板需反復(fù)改造及安拆，受下橫梁施工周期的影響，施工工期延長。塔梁異步施工，索塔與下橫梁獨立施工，相對干擾小，可縮減施工工期，但下橫梁鋼筋及預(yù)應(yīng)力施工相對困難，預(yù)埋精度要求高。

(5)本橋北岸索塔采用同步施工，南岸因開工滯后采用了異步施工法，縮短了施工周期，實現(xiàn)了工期同步，取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

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Comparative Analysis of Synchronous and Asynchronous Construction of Tower and girder of Yongjiang Railway Cable Stayed Bridge HU Xiao-dong, Chen Ping

(The Second Engineering Co., Ltd of CTCE Group, Suzhou 215131, China)

Abstract：The extra-long bridge of Yongjiang River is a domestic first large-span railway cable-stayed bridge with hybrid girder and 177.91 m diamond-type tower. In order to analyze the impact of synchronous and asynchronous constructions of tower and girder on the stress state and linearity of the tower, a finite element model is established to simulate the entire construction process. The comparative analysis reveals that the stress and line of the tower resulted from the two construction methods are of some difference, and both methods meet design requirement, but the asynchronous construction method can save much time. According to the comparative analysis and the actual lagging of the south cable-tower, the south tower and the north tower employ synchronous and asynchronous construction methods respectively, and as a consequence, the synchronization of progress and good economic and social benefits are obtained.

Key words：Railway bridge; Cable-stayed bridge; Tower; Simulation analysis; Synchronous construction; Asynchronous construction

中圖分類號：U448.27

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.019

文章編號：1004-2954(2016)02-0089-04

作者簡介：胡曉東(1984—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于蘭州理工大學土木工程專業(yè)，工學學士，E-mail:hxd02300608@163.com。

基金項目：中國鐵路總公司科技研發(fā)重點項目(2013G001-D)

收稿日期：2015-06-29； 修回日期：2015-07-04