斜拉橋拱形主塔施工過程分析與下橫梁預應(yīng)力張拉工序優(yōu)化

楊智文，來曉理，黃飛鴻，易壯鵬

(長沙理工大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410114)

近年來，隨著橋梁建設(shè)規(guī)模不斷擴大，橋梁美學越來越受到重視。拱形主塔外形美觀，具有較好的使用性能與受力特性，在中國城市斜拉橋中開始廣泛采用。斜拉橋的關(guān)鍵傳力體系為拉索系統(tǒng)，其將力傳輸至斜拉橋主塔，并通過橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳入地基中。斜拉橋主塔作為整個橋梁的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)，在橋梁設(shè)計和施工中至關(guān)重要。由于大跨度斜拉橋拱形主塔結(jié)構(gòu)復雜，受外界因素干擾較大，施工難度較大，因此施工過程需重點關(guān)注。近幾年有不少學者對此進行了研究，王凱對斜拉橋拱形橋塔施工工藝進行了較為詳細概述；謝良等對索塔拱形變截面橫梁施工做了較為詳細的研究；凌李華對索塔橫梁支架施工工序優(yōu)化進行了比較詳細的研究，以上研究表明：斜拉橋拱形塔施工全過程的應(yīng)力安全值得關(guān)注，相關(guān)施工工序的優(yōu)化與調(diào)整方面還有許多工作值得開展。中國拱形塔斜拉橋的建設(shè)正朝著更大跨徑方向發(fā)展，但在施工過程控制方面仍缺乏相應(yīng)的工程經(jīng)驗。

該文以韶關(guān)市曲江大道江灣大橋為工程背景，對拱形主塔的施工全過程進行模擬分析。為了保證主塔施工過程中的受力、變形結(jié)果的準確并處于安全范圍內(nèi)，采用Ansys 18.2和Midas/Civil 8.65軟件建立拱形主塔的有限元模型并進行施工階段的對比分析。

1 工程概況

江灣大橋主橋采用拱形獨塔雙索面混合梁斜拉橋，跨徑組合33+102+183=318 m。拱形橋塔為預應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，下橫梁布設(shè)44束預應(yīng)力鋼筋；距橫梁頂5 m以上的塔柱部分采用C50混凝土，其抗拉強度設(shè)計值為1.89 MPa，橫梁頂上端5 m范圍以下的下塔柱與下橫梁均采用鋼纖維混凝土CF50，其中鋼纖維混凝土CF50抗拉強度設(shè)計值根據(jù)現(xiàn)場情況取為2.85 MPa；塔柱頂部高程為165.274m，承臺頂部高程為55.774 m，塔高109.5 m，橋面以上高92 m，塔上索距2.0 m。塔柱采用矩形斷面，其中上塔柱采用空心箱形截面，下塔柱為增加防撞能力采用壁厚較厚的實心截面(圖1)。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，采用節(jié)段施工法，自主塔承臺頂部往上，將塔柱共分24層(圖1)，下塔柱分為3層，上塔柱分為21層，每層高4.5 m，每4.5 m澆筑一次混凝土，下橫梁與相連塔柱同步澆筑。根據(jù)拱形主塔實際施工過程，將其分為44個施工階段(表1)，起點為承臺頂部，每4.5 m為一層，塔柱每澆筑完一層混凝土就張拉該層預應(yīng)力筋。該橋主塔在下塔柱、上塔柱、下橫梁處都設(shè)置了預應(yīng)力筋，下塔柱的預應(yīng)力施加在塔柱內(nèi)側(cè)標高55.774～78.274 m范圍內(nèi)，上塔柱的預應(yīng)力施加于塔頂內(nèi)外兩側(cè)標高136.774～165.274 m，下橫梁預應(yīng)力施加在橫梁外側(cè)標高60.274～69.274 m。在拉索區(qū)塔柱橫斷面設(shè)置了環(huán)向預應(yīng)力筋，對塔柱起局部加強作用。其中對于拱形塔來說，下橫梁的預應(yīng)力筋在成橋過程中給塔柱提供向內(nèi)的拉力，該力與斜拉索索力往下的分量保持平衡，起到穩(wěn)定塔柱的作用。

圖1 江灣大橋主橋拱形主塔及施工節(jié)段劃分(單位：cm)

2 有限元模型與施工全過程結(jié)果分析

2.1 有限元模型建立

分別采用Ansys和Midas軟件建立拱形主塔有限元模型，如圖2所示。在Ansys模型中，采用Beam4單元模擬塔柱和下橫梁、橫撐、支架，采用Link10單元模擬預應(yīng)力鋼筋，總共4 513個節(jié)點，8 144個單元。在Midas模型中，采用梁單元模擬塔柱和下橫梁，橫撐、支架采用φ820 mm×10 mm鋼管支架模擬，總共249個節(jié)點，261個單元。兩種軟件索塔承受的索力用節(jié)點荷載等效代替。

表1 江灣大橋主塔施工階段劃分

圖2 主塔有限元模型正視圖

2.2 主塔施工過程計算分析

施工工序優(yōu)化前各個施工階段下Ansys和Midas軟件的最大拉應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

通過對比各個施工階段下Ansys和Midas的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：所得內(nèi)力、應(yīng)力結(jié)果基本一致。在張拉下塔柱60.274～69.274 m之間(第2、3層)的預應(yīng)力鋼筋階段，下塔柱出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力(Ansys，2.28 MPa；Midas，2.76 MPa)，接近鋼纖維混凝土CF50抗拉設(shè)計強度(2.85 MPa)，后續(xù)工況塔柱拉應(yīng)力有所下降。直到張拉下橫梁第2批預應(yīng)力鋼筋的施工階段，下塔柱的根部外側(cè)出現(xiàn)了接近鋼纖維混凝土CF50抗拉設(shè)計強度的拉應(yīng)力值(Ansys，2.66 MPa；Midas，2.42 MPa)。橫梁頂5 m以上的塔柱在各工況下的最大拉應(yīng)力(Ansys，1.56 MPa；Midas，1.87 MPa)均小于C50混凝土的抗拉強度設(shè)計值(1.89 MPa)。因此，施工全過程最大拉應(yīng)力值均在混凝土抗拉強度設(shè)計值范圍內(nèi)，但下塔柱位置仍存在拉應(yīng)力較大(指數(shù)值超過2 MPa)的區(qū)域，分布范圍從承臺頂端至塔柱底部預應(yīng)力鋼筋的頂端，此范圍內(nèi)采用的是鋼纖維混凝土CF50。

Ansys最大壓應(yīng)力的計算結(jié)果為11.30 MPa，Midas最大壓應(yīng)力的計算結(jié)果為11.85 MPa，均小于普通混凝土C50和鋼纖維混凝土CF50(混凝土的抗壓強度標準值為50 MPa)的設(shè)計強度，壓應(yīng)力均處于安全范圍。

整體上，下橫梁預應(yīng)力對塔柱會產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，斜拉索索力對塔柱會產(chǎn)生外傾的趨勢，根據(jù)表2中施工階段44的應(yīng)力計算結(jié)果可知：下橫梁預應(yīng)力與斜拉索索力產(chǎn)生的主塔根部區(qū)域的應(yīng)力在整體上是平衡的。由于斜拉索是主塔施工完成之后逐步施工，而在此之前下塔柱已經(jīng)產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，故下橫梁預應(yīng)力筋的張拉工序存在進一步優(yōu)化的空間。

3 預應(yīng)力筋的張拉工序優(yōu)化

拱形塔柱優(yōu)化前的工序：預應(yīng)力筋從承臺頂部往上每4.5 m張拉一次，采用一端張拉；橫梁預應(yīng)力筋分兩批張拉，采用兩端張拉。結(jié)合表1、2和施工階段40的計算結(jié)果(圖3、4)，可知張拉完下橫梁的第2批預應(yīng)力筋后，塔柱根部外側(cè)產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。下塔柱過大拉應(yīng)力的產(chǎn)生是從施工階段40張拉下橫梁第2批預應(yīng)力筋開始的，主塔結(jié)構(gòu)在此之后一直處于較危險的狀態(tài)，因此施工工序的優(yōu)化應(yīng)該以下橫梁預應(yīng)力筋的分批張拉為切入點。

圖3 優(yōu)化前施工階段40的Ansys荷載組合最大應(yīng)力(單位：Pa)

為了避免主塔根部產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，將下橫梁的預應(yīng)力筋分4批張拉，并將相應(yīng)的施工工序進行調(diào)整優(yōu)化。塔柱的施工階段由之前的44個增加為46個。優(yōu)化后的部分工序及應(yīng)力結(jié)果如表3所示。

圖4 優(yōu)化前施工階段40的Midas荷載組合最大應(yīng)力(單位：kPa)

由表3可知：施工工序優(yōu)化后的最大拉應(yīng)力有了顯著的改善，說明下橫梁預應(yīng)力的施加工序?qū)κ┕み^程中主塔的應(yīng)力值起到了顯著的改善作用。

4 結(jié)論

該文以韶關(guān)曲江大道江灣大橋主橋為工程背景，進行了拱形塔施工全過程的模擬分析以及施工工序的優(yōu)化調(diào)整，得出以下結(jié)論：

表3 下橫梁預應(yīng)力鋼筋張拉順序優(yōu)化后主塔部分工況最大拉應(yīng)力結(jié)果

(1) 兩種軟件模擬拱形主塔施工全過程的結(jié)果吻合，僅存在一些下塔柱位置拉應(yīng)力偏大的工況，施工全過程中壓應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)。

(2) 對下橫梁預應(yīng)力張拉的順序進行調(diào)整，發(fā)現(xiàn)下塔柱的拉應(yīng)力得到了改善，說明斜拉橋拱形主塔施工工序的調(diào)整對拉應(yīng)力分布影響顯著，相關(guān)施工工序需調(diào)整并嚴格控制。