大傾角塔柱施工過程分析控制

王 吉 翀

(大連理工大學(xué)土木工程建筑設(shè)計(jì)院有限公司,遼寧 大連 116024)

1 工程背景

上地斜拉橋橋塔為水滴形單塔實(shí)心鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C55高性能混凝土。塔柱高99 m。下塔柱高11 m，主梁段高4.32 m，其余高6.68 m，上部3 m為橫梁，下部3.68 m為整體箱形截面。其中橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，布置了φ15-27鋼束以抵抗中塔柱傳來的豎向力。中塔柱高40 m，分為雙斜柱，矩形變截面，截面橫橋向長4.55 m，截面順橋向?qū)挒?.627 m～8.0 m線性變化，中塔柱與豎直線的夾角為22.72°。上塔柱高48 m，為拉索錨固區(qū)，上緣截面為5 m×6.6 m，下緣截面為6.627 m×14.748 m，直線+圓曲線變化。斜拉索在塔上交錯(cuò)錨固，小里程側(cè)拉索(主跨拉索)錨固在索塔截面的中部，其錨槽尺寸為2.4 m×1.0 m；大里程側(cè)拉索(邊跨拉索)錨固在索塔截面的兩側(cè)，錨槽分別設(shè)置，尺寸為1.2 m×1.0 m，見圖1，圖2。

2 塔柱在施工過程中的特點(diǎn)

2.1 下塔柱的特點(diǎn)

本橋下塔柱的特點(diǎn)是普通鋼筋布置較密，為了抵抗中塔柱傳來的軸力預(yù)應(yīng)力布置較多，導(dǎo)致混凝土澆筑過程中振搗比較困難。另外中塔柱及上塔柱施工時(shí)，在懸臂較大的情況下，下塔柱外緣容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。

2.2 中塔柱的特點(diǎn)

中塔柱施工是橋塔施工的關(guān)鍵，中塔柱的特點(diǎn)有：1)采用分節(jié)段爬模施工方法，施工過程中受力比成橋狀態(tài)更危險(xiǎn)，在塔柱合龍之前，施工過程相當(dāng)于懸臂梁的澆筑過程；2)塔柱傾角大(中塔柱直線段與豎直線夾角達(dá)到22.72°)，中塔柱橫橋向斜率達(dá)到1∶2.4；3)由于塔高較高又緊臨鐵路，無法搭設(shè)支架，塔柱的施工采用了液壓爬模施工，爬升模板的工藝原理，是以建筑構(gòu)造物的鋼筋混凝土(塔柱或墩身)為承力的主體，通過附著于已完成的鋼筋混凝土構(gòu)造物上的爬升支架與大模板及爬升設(shè)備，使一方固定，另一方做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，交替向上爬升，以完成模板的爬升、下降、就位，爬模加劇了塔柱的受力。為了保證塔柱施工過程的安全，在適當(dāng)高度設(shè)置主動(dòng)橫撐及被動(dòng)撐，減少懸臂根部的負(fù)彎矩。主動(dòng)橫撐就是在一定高度的中塔柱位置,通過千斤頂施加已經(jīng)計(jì)算好的力，強(qiáng)迫已施工的中塔柱產(chǎn)生位移預(yù)偏；被動(dòng)橫撐就是在一定的高度貼著塔柱內(nèi)面，隨著塔柱施工限制塔柱內(nèi)傾方向的位移；4)每一節(jié)段的模板控制坐標(biāo)與爬模節(jié)段高度、模板重量及施工荷載及其他荷載的大小、橫撐的數(shù)量、位置及支頂力等參數(shù)均有關(guān)系，計(jì)算較復(fù)雜，施工難度高。

2.3 上塔柱的特點(diǎn)

上塔柱為拉索錨固區(qū)，故對(duì)模板、勁性骨架以及索管定位精度要求高。為保證索管定位準(zhǔn)確可在勁性骨架上增設(shè)一個(gè)輔助定位點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以完成定位。由于使用液壓爬模系統(tǒng)，需要在塔柱上使用各種預(yù)埋件及對(duì)拉螺栓等局部構(gòu)件，容易與塔柱內(nèi)的鋼筋相沖突，需要對(duì)爬模設(shè)施或原結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分調(diào)整。

3 塔柱在施工過程中的計(jì)算

3.1 計(jì)算模型的建立

由以上的特點(diǎn)可以看出保證中塔柱在施工中的安全是塔柱施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文中筆者對(duì)塔柱建立了平面模型，進(jìn)行塔柱整個(gè)施工過程的計(jì)算。采用MIDAS建立有限元模型，塔柱橫撐及立柱均采用梁?jiǎn)卧瑱M撐力由施加溫度荷載來實(shí)現(xiàn)。模型中未計(jì)入塔柱中勁性骨架的影響，這是偏于安全的。

計(jì)算荷載有：塔柱自重、模板重量、爬模設(shè)備重量、風(fēng)荷載、橫撐梁端施頂力，混凝土的收縮徐變。由于鋼材及鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)比較接近，塔柱的整體升溫產(chǎn)生的荷載很小可以忽略不計(jì)。施頂力的確定需考慮鋼材的焊接引起的收縮導(dǎo)致應(yīng)力損失。

3.2 橫撐、立柱等位置及界面尺寸的確定

橫撐位置的確定要通過反復(fù)多次的計(jì)算之后才能確定，橫撐位置的確定要注意以下幾點(diǎn)：1)橫撐數(shù)量不能太多，橫撐數(shù)量多雖然有利于控制施工中的線形和內(nèi)力，但是由于約束較多，在拆除時(shí)將產(chǎn)生內(nèi)力重分配，導(dǎo)致個(gè)別橫撐內(nèi)力過大、應(yīng)力集中有可能產(chǎn)生屈服，給拆除工作帶來危險(xiǎn)和困難；2)橫撐剛度不宜過大，剛度過大也會(huì)帶來應(yīng)力集中等問題，剛度過小不利于控制內(nèi)力及位移且穩(wěn)定性不好，需要進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)算來確定橫撐截面尺寸；3)橫撐施頂力大小要適中，在塔柱施工過程中由于采用了橫撐，懸臂根部?jī)?nèi)外側(cè)都有可能出現(xiàn)拉應(yīng)力使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫并破壞。經(jīng)過多次計(jì)算分析，最終確定采用3道主動(dòng)橫撐及1道被動(dòng)橫撐，位置如圖2所示。

橫撐、立柱、連接其的綴條的截面尺寸需要通過整體計(jì)算確定其受力大小之后進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算內(nèi)容包括強(qiáng)度驗(yàn)算，剛度驗(yàn)算，穩(wěn)定驗(yàn)算。經(jīng)過上述計(jì)算可得橫撐、立柱、綴條型號(hào)及軸力。1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)橫撐為主動(dòng)撐，1號(hào)、3號(hào)橫撐采用12 mm壁厚直徑800 mm的鋼管，5號(hào)橫撐采用12 mm壁厚直徑600 mm的鋼管，主要作用是改善塔柱受力及控制塔柱施工過程中的線形達(dá)到要求；8號(hào)橫撐為被動(dòng)撐，采用頂?shù)装搴?3 mm，腹板厚8 mm的工字鋼，主要作用是為了方便塔柱合龍段施工，同時(shí)也起到減小塔柱內(nèi)力控制線形的作用。立柱采用了12 mm壁厚直徑600 mm的鋼管。綴條采用100 mm×100 mm的角鋼。表1給出了上地斜拉橋橋塔橫撐、立柱構(gòu)件參數(shù)，及危險(xiǎn)工況下各部件的最大軸力與應(yīng)力。

表1 上地斜拉橋橋塔橫撐、立柱構(gòu)件參數(shù)及危險(xiǎn)工況計(jì)算結(jié)果

3.3 塔柱應(yīng)力位移的計(jì)算及預(yù)拱度設(shè)置

計(jì)算的控制目標(biāo)有兩個(gè)：一是整個(gè)施工過程中在所有荷載組合作用下塔柱各界面應(yīng)力不超過1.65 MPa；二是塔柱位移計(jì)線形在拆除所有輔助支撐后與設(shè)計(jì)狀態(tài)吻合。

圖3給出幾個(gè)重要工況下的索塔應(yīng)力計(jì)算圖示，圖中左側(cè)為塔柱外緣應(yīng)力，右側(cè)為塔柱內(nèi)緣應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力。

整個(gè)索塔施工過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)在15號(hào)塊件澆筑后，塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)拉應(yīng)力達(dá)到了1.61 MPa。壓應(yīng)力始終很小，塔柱施工階段拉應(yīng)力控制在1.65 MPa以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

塔柱在澆筑過程中最大位移發(fā)生在8號(hào)塊件澆筑后，最大位移為內(nèi)傾15.9 mm。

塔柱預(yù)拱度的設(shè)置主要考慮混凝土的收縮徐變以及塔柱爬模施工過程中的變形值。橫橋向及縱橋向預(yù)拱值考慮到成橋階段，豎直方向預(yù)拱值考慮到成橋5年的收縮徐變，見表2。

表2 幾個(gè)典型塔柱節(jié)段的預(yù)拱度設(shè)置 mm

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了大傾角塔柱施工的重點(diǎn)、難點(diǎn)和施工過程中的控制方法，建立了有限元模型對(duì)塔柱施工過程進(jìn)行了分析。在理論計(jì)算過程中，中、上塔柱施工階段拉應(yīng)力控制在1.65以內(nèi)，橫撐應(yīng)力始終控制在75以內(nèi)，在實(shí)際施工過程中，中上塔柱應(yīng)力和橫撐應(yīng)力始終控制在理論容許值之下。通過計(jì)算及施工經(jīng)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)爬模施工在本橋橋塔施工中安全可行，但需要進(jìn)行嚴(yán)格精確的計(jì)算。

2)大傾角塔柱在懸臂施工過程中應(yīng)力變化較大，內(nèi)外側(cè)均有可能出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力。需要設(shè)置橫撐或搭設(shè)支架來解決此問題，橫撐的設(shè)置需要通過整體計(jì)算來對(duì)比確定，橫撐及立柱尺寸需要進(jìn)行桿件局部驗(yàn)算來確定。

3)考慮到內(nèi)力重分布問題，主動(dòng)撐數(shù)量不宜過多，也不宜過少或者剛度過大。

4)中塔柱施工是大傾角塔柱施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)，塔柱拉應(yīng)力控制及橫撐應(yīng)力均需要控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

上地斜拉橋橋塔在嚴(yán)格的施工控制和準(zhǔn)確計(jì)算前提下，保證了塔柱施工過程的安全，按時(shí)完成施工任務(wù)，為以后同類型橋塔施工及計(jì)算分析具有一定參考價(jià)值。