主動(dòng)橫撐在鋼殼混凝土空心橋塔施工中的應(yīng)用

官保華，黃海勇

（中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

主動(dòng)橫撐在鋼殼混凝土空心橋塔施工中的應(yīng)用

官保華，黃海勇

（中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

在斜拉橋主塔施工過(guò)程中，塔柱往往處于具有一定傾斜角度的懸臂狀態(tài)。由于自重及施工荷載等作用，上塔柱底部截面形成負(fù)彎矩，使得上塔柱底部混凝土受拉或塔柱頂部產(chǎn)生過(guò)大的側(cè)向位移。文章以漳州開(kāi)發(fā)區(qū)雙魚(yú)島連接橋鋼殼混凝土空心橋塔工程為例，采用橋梁計(jì)算軟件Midas對(duì)主動(dòng)橫撐方案進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并與施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：采用合適的主動(dòng)橫撐方案有效消除了塔柱的不良應(yīng)力狀態(tài)和塔柱頂部過(guò)大的側(cè)向位移。實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，如有必要應(yīng)對(duì)施工方案進(jìn)行修正。

塔柱;主動(dòng)橫撐;拉應(yīng)力;開(kāi)裂

0 引言

鋼筋混凝土斜拉橋索塔多設(shè)計(jì)為傾斜結(jié)構(gòu)，施工一般采用懸臂裸塔爬模法。施工過(guò)程中的懸臂塔柱處于自由狀態(tài)，在自重及施工荷載等作用下塔柱底部形成較大的傾覆力矩。傾覆力矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力可能引起塔柱底部混凝土的開(kāi)裂及塔柱頂部較大的側(cè)向位移，從而影響索塔的施工質(zhì)量和使用壽命。施工一般可采用設(shè)置支撐的方式將索塔的應(yīng)力及側(cè)向位移控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。

為減少傾覆力矩影響而設(shè)置支撐的方法目前有3種[1]：第1種是滿(mǎn)堂支架法，即在施工過(guò)程中同步搭設(shè)豎向滿(mǎn)堂支架。隨著索塔高度的增加，滿(mǎn)堂支架的工作量增加大，工作效率低，進(jìn)度慢，施工安全危險(xiǎn)加大。因而滿(mǎn)堂支架法很少采用。第2種是設(shè)置橫向水平支撐，即在塔柱施工過(guò)程中采用幾道直徑較大的橫向鋼管或型鋼桁架支撐，按一定高度間隔布置，與塔柱臨時(shí)固接在一起，形成框架結(jié)構(gòu)，平衡斜塔柱所產(chǎn)生的傾覆力矩，增強(qiáng)塔柱施工過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。鋼支撐本身橫向具有較好的剛度，工作量相對(duì)不大，但不能克服索塔在鋼支撐安裝前因自重及施工荷載引起的變形和側(cè)向位移，不能有效保證成塔后的線性和應(yīng)力狀態(tài)。第3種是在第2種方法的基礎(chǔ)上使用千斤頂通過(guò)橫向鋼管撐向塔柱內(nèi)壁施力，變被動(dòng)支撐為主動(dòng)支撐，克服塔柱施工過(guò)程中因自重和施工荷載而引起的應(yīng)力和側(cè)向位移。目前國(guó)內(nèi)建成的幾座大橋，如小沙灣黃河特大橋、灌河斜拉橋及天津?yàn)I海斜拉大橋等均采用了第3種方法，取得了良好的效果[2-4]。

1 工程概況

漳州開(kāi)發(fā)區(qū)雙魚(yú)島陸島連接橋位于漳州招商局經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)中心位置，路線起于南炮臺(tái)與高爾夫球場(chǎng)間的南濱大道，與南濱大道南段平交，止于雙魚(yú)島主干道，與主干道平交。陸島連接橋?yàn)楹Ｉ闲崩瓨?，路線全長(zhǎng)685.4 m，包括北引橋330.6 m，主橋204.0 m，南引橋150.8 m。索塔由下塔柱、下橫梁、上塔柱及上橫梁共四部分組成。下塔柱底高程為2.0 m，塔頂高程為92.0 m，索塔總高90.0 m，橋面以上的高度為76.0 m，索塔中、下塔柱順橋向的斜率為1/90，塔座底高程0.50 m，塔座高度1.5 m，索塔總寬48.0 m。采用C50海工混凝土。

2 主動(dòng)橫撐布置及受力計(jì)算

2.1 主動(dòng)橫撐布置

上塔柱為外包鋼殼混凝土空心塔柱，自下而上采用的是液壓爬模法，按鋼殼設(shè)計(jì)節(jié)段進(jìn)行施工。將主動(dòng)橫撐與施工作業(yè)平臺(tái)相結(jié)合，在上塔柱施工過(guò)程中設(shè)置五層主動(dòng)橫撐，每層橫撐采用2根φ630 mm×10 mm鋼管。施工作業(yè)平臺(tái)采用4根φ630 mm×10 mm鋼管作為豎向支撐，每隔5 m焊接工25a型鋼作為水平連接。橫撐鋼管與塔柱鋼殼鋼板滿(mǎn)焊連接，自下而上各層橫撐的高程依次為24.682 m、35.682 m、46.182 m、56.682 m、66.682 m。鋼管支撐中部設(shè)置爬梯和中轉(zhuǎn)平臺(tái)，鋼爬梯用槽鋼、螺紋鋼筋及花紋鋼板焊接而成，用作上下層平臺(tái)間的連接。主塔臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)體系立面圖如圖1所示。

2.2 計(jì)算原則及方法

圖1 主塔臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)體系立面圖Fig.1 Verticalview of the temporary support structure system of the main tower

1）計(jì)算原則：橋塔施工臨時(shí)主動(dòng)橫撐計(jì)算以應(yīng)力控制為主，變形控制為輔為原則。斜拉橋索塔塔柱大多采用混凝土材料，所以剛度較大，頂推產(chǎn)生的塔柱橫橋向位移一般較小，對(duì)于斜塔柱，計(jì)算所得理論主動(dòng)力至少要能夠保證完全抵消自重及施工荷載橫橋向分量作用在最不利截面產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力。但主動(dòng)力也不宜過(guò)大，防止橫撐處混凝土出現(xiàn)裂縫。主動(dòng)橫撐的形式和位置選擇應(yīng)結(jié)合橋塔及施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，以確保施工過(guò)程中臨時(shí)結(jié)構(gòu)與永久結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的框架體系為原則。

2）計(jì)算方法：臨時(shí)主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為臨時(shí)橫撐結(jié)構(gòu)形式的選擇、布設(shè)位置的選取及預(yù)頂力大小的確定。設(shè)計(jì)的核心在于斜塔柱底部混凝土截面拉應(yīng)力是否能消除或者控制在允許范圍內(nèi)。根據(jù)JTG 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》中第6.3.1條條文說(shuō)明，一般拉應(yīng)力控制在1 MPa以?xún)?nèi)[5]。在計(jì)算斜塔柱的應(yīng)力時(shí)，可以把單肢塔柱看作為懸臂梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于兩個(gè)方向都有傾斜的塔柱，兩個(gè)方向自重及施工荷載會(huì)引起彎矩疊加，產(chǎn)生的附加應(yīng)力在底部一個(gè)角點(diǎn)位置形成最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力計(jì)算公式如下[6]：

式中：σ為上塔柱底部受拉邊緣混凝土的計(jì)算拉應(yīng)力；Mx、My為主動(dòng)橫撐施加前上塔柱底部計(jì)算高度范圍內(nèi)塔柱自重及施工荷載在底部x、y方向產(chǎn)生的彎矩；Ix、Iy為上塔柱底部截面x、y方向的慣性矩；y為上塔柱底部截面中性軸到受拉邊緣的距離；N為主動(dòng)橫撐施加前上塔柱底部計(jì)算高度范圍內(nèi)的塔柱自重及施工荷載在底部產(chǎn)生的軸力；A為上塔柱底部截面面積；R為上塔柱底部混凝土預(yù)期標(biāo)號(hào)的極限拉應(yīng)力；K為安全系數(shù)。

考慮到塔柱結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性及施工過(guò)程中受力影響因素較多，采用上式進(jìn)行塔柱底部拉應(yīng)力計(jì)算時(shí)，需對(duì)結(jié)構(gòu)及受力情況進(jìn)行較大的簡(jiǎn)化，拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度會(huì)受到一定影響。因此，在進(jìn)行拉應(yīng)力計(jì)算時(shí)應(yīng)盡可能的采用有限元建立更貼近實(shí)際橋塔結(jié)構(gòu)及受力狀況的實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算，并在實(shí)際施工過(guò)程中加強(qiáng)塔柱混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

3 主動(dòng)橫撐數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型工況

根據(jù)支撐方案可以將施工過(guò)程分為如下6種工況：

工況一：T6節(jié)段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程24.682 m處設(shè)置第1層橫撐；

工況二：T8節(jié)段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程35.682 m處設(shè)置第2層橫撐；

工況三：T10節(jié)段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程46.182 m處設(shè)置第3層橫撐；

工況四：T12節(jié)段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程56.682 m處設(shè)置第4層橫撐；

工況五：T14節(jié)段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程66.682 m處設(shè)置第5層橫撐；

工況六：T15節(jié)段鋼殼已安裝（待合龍狀態(tài)）。

3.2 施工過(guò)程模擬分析及橫撐主動(dòng)力確定

為確定主動(dòng)橫撐預(yù)頂力，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，利用橋梁計(jì)算軟件 Midas，對(duì)上塔柱各施工工況進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。取單側(cè)上塔柱從底部到各工況施工截面建立有限元模型，模型斜率、截面尺寸均與設(shè)計(jì)圖紙相同，C50混凝土自重取26 kN/m3，施工用液壓爬架自重取50 t，計(jì)算時(shí)忽略鋼殼自重及受力。上塔柱采用梁?jiǎn)卧M，上塔柱底部固定。

進(jìn)行未施加主動(dòng)橫撐模擬時(shí)，在橫撐位置設(shè)置約束，模型如圖2所示。通過(guò)有限元計(jì)算在未施加主動(dòng)橫撐時(shí)，各工況下上塔柱底部截面（0-0截面）及橫撐位置處塔柱截面內(nèi)外側(cè)應(yīng)力和塔柱頂端側(cè)向位移如表1所示。

圖2 未施加主動(dòng)力撐時(shí)各工況計(jì)算模型Fig.2 The calculation modelunder various conditions when the initiative horizontalbracing notbeen used

根據(jù)上塔柱未施加主動(dòng)橫撐各施工階段模擬計(jì)算結(jié)果，選取水平橫撐的預(yù)頂力方案如下：

1）高程24.682 m，第1層橫撐，預(yù)頂力3 000 kN，每根鋼管同步施加1 500 kN；

2）高程35.682 m，第2層橫撐，預(yù)頂力2 500 kN，每根鋼管同步施加1 250 kN；

3）高程46.182 m，第3層橫撐，預(yù)頂力2 500 kN，每根鋼管同步施加1 250 kN；

4）高程56.682 m，第4層橫撐，預(yù)頂力2 500 kN，每根鋼管同步施加1 250 kN；

5）高程66.682 m，第5層橫撐，預(yù)頂力2 000 kN，每根鋼管同步施加1 000 kN。

進(jìn)行施加主動(dòng)橫撐模擬時(shí)，在橫撐位置施加節(jié)點(diǎn)荷載，按選定的橫撐預(yù)頂力施加方案建立有限元模型如圖3所示。計(jì)算各工況下上塔柱底部截面（0-0截面）及橫撐位置處塔柱截面內(nèi)外側(cè)應(yīng)力和塔柱頂端位移如表1所示。

表1 各工況下未施加主動(dòng)橫撐與施加主動(dòng)橫撐各截面應(yīng)力及塔柱頂側(cè)向位移Table 1 Stress of each section and displacement of the top of tower under various conditions when the initiative horizontal bracing been used and not

圖3 施加主動(dòng)力撐時(shí)各工況計(jì)算模型Fig.3 The calculation modelunder various conditions when the initiative horizontalbracing been used

從表1可以看出各工況下施加主動(dòng)橫撐前后塔柱各截面內(nèi)側(cè)均受壓，在施加主動(dòng)橫撐后，壓應(yīng)力明顯減小。在施加主動(dòng)橫撐前塔柱各截面外側(cè)均受拉，施加主動(dòng)橫撐后塔柱各截面外側(cè)均變?yōu)槭軌骸８鞴r下塔柱頂部側(cè)向位移在施加主動(dòng)橫撐后較未施加之前有明顯的減小。因此，在施工中施加主動(dòng)橫撐，可以使塔柱外側(cè)混凝土由受拉變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，明顯改善塔柱在施工過(guò)程中的受力及變形狀況。在塔柱施工過(guò)程中施加主動(dòng)橫撐可以提高塔柱合龍前的結(jié)構(gòu)安全性。

4 主動(dòng)橫撐施工過(guò)程質(zhì)量控制

1）在主動(dòng)橫撐施工前應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的驗(yàn)算。

2）主動(dòng)橫撐安裝：每道橫撐采用2根φ630 mm×10 mm鋼管，布置在塔柱內(nèi)腔正對(duì)著塔壁外側(cè)。鋼管間用型鋼組成平面桁架與施工作業(yè)平臺(tái)的4根立柱連接。每根鋼管分成兩段分別與塔柱鋼殼鋼板滿(mǎn)焊連接。第1層橫撐如圖4所示。

3）預(yù)頂力施加：在橫撐安裝完成后立即施加預(yù)頂力，在鋼管合龍?zhí)幨褂?臺(tái)液壓千斤頂同步分級(jí)施加，在施加的過(guò)程中應(yīng)觀察橫撐的撓度和塔柱的變形情況，當(dāng)預(yù)頂力達(dá)到要求后，用連接鋼板將橫撐鋼管連接固定，然后千斤頂回油、卸落，如圖5所示。

圖4 第1層橫撐的平面示意圖Fig.4 Schematic diagram ofthe firstlayer initiative horizontalbracing

圖5 鋼管橫撐合龍?zhí)幷掌現(xiàn)ig.5 The picture where steelpipe transverse brace fold

5 施工監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證主動(dòng)橫撐的作用，在橋塔施工過(guò)程中對(duì)上塔柱底部截面的應(yīng)力狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

5.1 監(jiān)測(cè)方案

在上塔柱T1節(jié)鋼殼混凝土施工前，在底部截面埋入ZX-215CT智能混凝土應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中上塔柱各節(jié)段混凝土澆筑完成及施加主動(dòng)橫撐后混凝土應(yīng)力值。傳感器埋入位置如圖6所示。

圖6 上塔柱底部截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 The stress monitoring arrangement plan of the bottom section in upper tower

5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

施工過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注塔柱底部截面內(nèi)外側(cè)的混凝土應(yīng)力狀況。取內(nèi)側(cè)截面測(cè)點(diǎn)（242530）、外側(cè)截面測(cè)點(diǎn)（242527）與有限元計(jì)算的上塔柱底部截面（0-0截面）內(nèi)外側(cè)最大應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比如圖7所示。

圖7 上塔柱底部截面內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)與有限元計(jì)算結(jié)果Fig.7 The results of stress monitoring and finite element analysis on the bottom section inside and outside of upper tower

由圖7可以看出實(shí)測(cè)的應(yīng)力變化規(guī)律與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。但計(jì)算數(shù)值與監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差較大。其主要是因?yàn)橛邢拊?jì)算中未考慮溫度、鋼外殼參與受力作用等因素的影響。從施加主動(dòng)橫撐的各工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在主動(dòng)橫撐施加之后，上塔柱底部截面內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力都有一定的減小，底部截面外側(cè)壓應(yīng)力有一定的增大，在整個(gè)施工過(guò)程中，上塔柱底部截面內(nèi)外側(cè)都處于受壓狀態(tài)。主動(dòng)橫撐方案達(dá)到了預(yù)期目的。

6 結(jié)語(yǔ)

1）主塔作為斜拉橋的主要承重構(gòu)件，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到全橋的安全及使用壽命。從表1的計(jì)算結(jié)果及圖7的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在施加主動(dòng)橫撐后，施工過(guò)程中塔柱的拉應(yīng)力狀態(tài)被消除，頂端側(cè)向位移明顯減小。設(shè)置主動(dòng)橫撐的方案能夠有效的克服塔柱在施工過(guò)程中因自重及施工荷載等因素導(dǎo)致的混凝土受拉及塔柱頂部過(guò)大側(cè)向位移。

2）斜拉橋索塔施工主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為橫撐結(jié)構(gòu)形式的選擇、布設(shè)位置的選取及預(yù)頂力大小的確定。主動(dòng)橫撐的結(jié)構(gòu)形式及布設(shè)位置應(yīng)綜合考慮與上塔柱在施工過(guò)程中形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)及兼做施工作業(yè)平臺(tái)等因素?？紤]到橫撐在平面內(nèi)的穩(wěn)定性，每一道橫撐建議設(shè)置2根鋼管，鋼管間用型鋼焊接形成平面桁架體系。在確定橫撐預(yù)頂力時(shí)，混凝土的拉應(yīng)力控制，雖然規(guī)范[5]建議一般控制在1 MPa內(nèi)，但在條件允許的情況下應(yīng)加大預(yù)頂力以消除混凝土的拉應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)應(yīng)注意預(yù)頂力也不宜過(guò)大，以免橫撐處混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂。若計(jì)算所需預(yù)頂力較大，可在塔柱與橫撐連接處加強(qiáng)配筋，避免塔柱混凝土的開(kāi)裂。

3）從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，主動(dòng)橫撐方案達(dá)到了消除塔柱拉應(yīng)力狀態(tài)的目的。但應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)值偏差較大，主要是因?yàn)橛邢拊?jì)算中未考慮溫度、鋼外殼參與受力作用等因素的影響。對(duì)于復(fù)雜受力狀態(tài)下，有限元計(jì)算結(jié)果作為研究受力規(guī)律比較可靠，但其數(shù)值可能與實(shí)際值偏差較大。實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，如有必要應(yīng)對(duì)施工方案進(jìn)行修正。特別是在橋梁工程中，應(yīng)重視施工監(jiān)測(cè)[6]。

[1] 陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003. CHEN Ming-xian.Cable-stayed bridge construction technology [M].Beijing:China Communication Press,2003.

[2]劉福忠，鄧良強(qiáng).小沙灣黃河特大橋主塔塔梁異步施工主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)[J].山東交通科技，2014（2）：18-21. LIU Fu-zhong,DENG Liang-qiang.The active braces design of main tower of the Xiaoshawan Yellow River bridge with asynchronous construction[J].Transportation and Technology of Shandong,2014(2):18-21.

[3]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）：53-56. HOU Yan-ming,GAO Min-jie,WANG Hong-chang.Optimal design of initiative horizontal bracing structure of middle tower column of Guanhe River cable stayed bridge cable tower[J].Technology of Highway and Transport,2009(1):53-56.

[4] 鄭力.天津?yàn)I海斜拉大橋主塔塔柱施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2004，33（2）：38-40. ZHENG Li.Construction technology oftowercolumn ofmain towers of Tianjin Binhai Oblique-pulling Bridge[J].Construction Technology,2004,33(2):38-40.

[5]JTG 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]. JTG D62—2004,Code for design of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts[S].

[6]向中富.橋梁施工控制技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2008. XIANG Zhong-fu.Bridge construction control technique[M].Beijing:China Communication Press,2008.

Application of initiative horizontal bracing in the construction of steel shell concrete hollow bridge tower

GUAN Bao-hua,HUANG Hai-yong
（The Fifth Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Fuzhou,Fujian 350008,China）

In the process of the main tower of cable-stayed bridge construction,the tower limb is often in a state of a certain angle.Under the action of gravity,construction load and other loads,section at the bottom ofthe upper tower column willform a negative bending moment,may make concrete in tension or the excessive deformation an the top of the tower column.Take the link bridge project of steel shell concrete hollow bridge tower in Zhangzhou China Merchants Economic&Technological Development Zone Shuangyu Artificial Island as example,design the scheme of initiative horizontal bracing by bridge calculation software Midas,and compared with the construction monitoring data.The results show thatthe appropriate initiative horizontal bracing scheme can effectively eliminate the adverse stress state of the tower column and the overlarge lateral displacement at the top of the tower column.Actual construction should be strengthened in the construction monitoring,a modification should be made for the construction plan if necessary.

tower column;initiative horizontal bracing;tensile stress;craze

U443.38

A

2095-7874（2017）02-0074-06

10.7640/zggwjs201702015

2016-09-30

2016-11-08

官保華（1988— ），男，湖北荊門(mén)人，碩士，注冊(cè)一級(jí)建造師，工程師，主要從事工程技術(shù)管理與工藝技術(shù)研發(fā)工作。E-mail：450024183@qq.com