沙埕灣跨海特大橋塔柱施工臨時(shí)支撐優(yōu)化分析

李 文

(寧德市交通投資集團(tuán)有限公司，寧德 352100)

1 引言

斜拉橋具有承載能力高、跨越能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在大跨徑橋梁建造過(guò)程中，斜拉橋具有良好的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著橋梁技術(shù)的進(jìn)步， 對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系及受力性能設(shè)計(jì)的相關(guān)研究已經(jīng)日趨成熟， 同樣對(duì)于斜拉橋的施工工藝和施工技術(shù)也積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-2]。

橋塔是斜拉橋的重要組成構(gòu)件， 也是斜拉橋承載的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。 目前，大跨徑橋塔多采用A 型、倒Y 型、鉆石型、花瓶型等雙肢結(jié)構(gòu)形式，在下塔柱及中塔柱區(qū)段在橫橋向處于分肢狀態(tài)，通過(guò)下橫梁連接；在上塔柱合并于一體或通過(guò)中橫梁及上橫梁連接。 分肢塔柱施工過(guò)程中斜度較大，受自重和施工臨時(shí)荷載影響，塔柱根部和下橫梁最外側(cè)處產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成不利工況[3]。 在塔柱合攏封頂時(shí)的內(nèi)力狀態(tài)與橋塔施工過(guò)程中臨時(shí)水平支撐的設(shè)置與調(diào)整密切相關(guān)。 且塔柱在施工過(guò)程中形成的內(nèi)力狀態(tài)在其封頂后是不可調(diào)整的， 故如何獲得塔柱封頂時(shí)的最合理狀態(tài)，對(duì)橋塔施工意義重大[4-5]。

目前關(guān)于橋塔施工的相關(guān)研究主要集中在塔柱施工的總體工藝，塔柱模板系統(tǒng)及施工質(zhì)量控制等方面[6-7]。對(duì)于分肢塔柱在施工過(guò)程中如何設(shè)置水平臨時(shí)支撐的研究相對(duì)較少， 在施工方案制定中塔柱臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)也較為隨意， 導(dǎo)致了應(yīng)力控制不佳或施工臨時(shí)措施費(fèi)用過(guò)高的情況。針對(duì)這一技術(shù)問(wèn)題，本文以沙埕灣跨海大橋?yàn)橐劳校?對(duì)塔柱施工過(guò)程中水平臨時(shí)支撐的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究，以提出合理的支撐方案，并建立塔柱水平支撐的優(yōu)化方法。

2 工程概述

沙埕灣跨海大橋主橋跨越竹甲鼻至青嶼之間的水域， 兩個(gè)主塔基礎(chǔ)均座落于海灣岸上。 主橋跨徑布置為(49+58+61)+535+(198+60)=961 m，如圖1 所示。 大橋主跨跨徑為535 m，采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)；大樁號(hào)側(cè)邊跨跨越能力要求高，該側(cè)邊跨采用與主跨相同的鋼箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑為258 m，邊中跨比為0.482；小樁號(hào)側(cè)邊跨跨越能力要求小，故在邊跨側(cè)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑為168 m，邊中跨比為0.314。 通過(guò)兩側(cè)邊跨的不對(duì)稱布置，充分發(fā)揮了鋼梁跨越能力強(qiáng)的特點(diǎn)，節(jié)約了橋梁的總體造價(jià)。

圖1 沙埕灣跨海大橋總體布置圖(單位：cm)

主橋采用半漂浮體系， 索塔處設(shè)置豎向球形支座和橫向限位支座，北跨設(shè)置2 個(gè)輔助墩，南邊設(shè)置1 個(gè)輔助墩，輔助墩設(shè)置雙向活動(dòng)支座，南、北過(guò)渡墩均設(shè)單向(縱向)活動(dòng)支座，在索塔主梁連接處設(shè)置縱向限位擋塊和阻尼限位裝置。

索塔采用花瓶型索塔， 斷面為空心箱形， 包括樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、塔座、塔柱、橫梁、塔冠、裝飾塊、鋼錨梁及鋼牛腿等，采用C50 海工混凝土。 北索塔塔座底面高程8.010 m，塔底面高程10.010 m，塔頂高程197.410 m，索塔總高度189.400 m， 南索塔塔座底面高程7.955 m， 塔底面高程9.955 m，塔頂高程200.155 m，索塔總高度192.200 m。 下橫梁梁高7.0 m，寬度9.5 m，壁厚1.0 m；中、上橫梁梁高4.8 m，寬度7.6 m，壁厚0.9 m。 索塔橫梁及上塔柱斜拉索錨固區(qū)為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁縱向鋼筋均錨固于塔柱內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼束錨固于塔柱外側(cè)，采用塑料波紋管，真空輔助壓漿，深埋錨工藝，其他部分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 主塔施工工藝

3.1 主塔施工工藝

本項(xiàng)目?jī)蓚?cè)橋塔的總高度略有不同， 在設(shè)計(jì)時(shí)以下橫梁以上構(gòu)造相同為原則， 通過(guò)下塔塔柱高度變化進(jìn)行調(diào)整，以南塔為例，塔柱的主要尺寸構(gòu)造如圖2(a)。 在施工期間中、上塔柱采用同樣的分節(jié)形式進(jìn)行分段施工，下塔柱南塔(大樁號(hào)側(cè))分為11 節(jié)，北塔下塔柱施工分為10節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)分節(jié)長(zhǎng)度為4.5 m，如圖2(b)。中塔柱施工分為20節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)分節(jié)長(zhǎng)度為4.5 m，上塔柱施工分節(jié)為13 節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)分節(jié)長(zhǎng)度為4.5 m。

圖2 南塔構(gòu)造與施工分節(jié)示意圖(單位：cm)

以南塔為例， 第1 節(jié)段使用液壓爬模模板并搭設(shè)施工腳手架作為外操作平臺(tái)。在首節(jié)完成后，安裝液壓爬模承重平臺(tái)及上爬架，第2 節(jié)段可進(jìn)行爬模施工。第2 節(jié)施工完成后安裝軌道，爬升架體，安裝平臺(tái)，進(jìn)行下塔柱各節(jié)段的爬模施工。下橫梁分為兩層，分別對(duì)應(yīng)第10、11 節(jié)同步澆筑。第9 節(jié)混凝土澆筑完成后拆除爬模架體，安裝下橫梁支架牛腿、主橫梁、貝雷梁，鋪設(shè)分配梁和底模后同步進(jìn)行下橫梁第一層和塔柱第10 節(jié)施工。橫梁第二層和塔柱第11 節(jié)施工完成后， 利用第11 節(jié)段頂口的預(yù)埋件安裝施工平臺(tái)，立模澆筑第12 節(jié)段混凝土。第12 節(jié)施工完成后安裝爬模系統(tǒng)， 完成爬模坡度轉(zhuǎn)換后中塔柱混凝土逐節(jié)施工。中上塔柱的邊坡轉(zhuǎn)化不再拆除爬架系統(tǒng)，中、 上塔柱變坡點(diǎn)通過(guò)調(diào)整軌道角度適應(yīng)變坡點(diǎn)角度變化的要求。

索塔下橫梁支架采用落地支架， 中上橫梁均采用空中支架。

3.2 優(yōu)化前臨時(shí)支撐布置方案

原施工計(jì)劃中南塔下橫梁分兩層，分別與第10 節(jié)和11 節(jié)分兩側(cè)同時(shí)澆筑，在下塔柱施工過(guò)程中不設(shè)置水平拉桿。

南塔中塔柱施工過(guò)程中擬設(shè)置三道臨時(shí)水平支撐，第一道水平支撐對(duì)應(yīng)高程為標(biāo)高75.11 m， 位于第16 節(jié)段，在第17 節(jié)施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動(dòng)施加頂推力4429 kN。第二道位于標(biāo)高96.81 m ，位于第21節(jié)段，在第22 節(jié)施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動(dòng)施加頂推力3680 kN。 第三道位于標(biāo)高118.51 m，位于第26 節(jié)段，在第27 節(jié)施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動(dòng)施加頂推力3448 kN。

4 塔柱臨時(shí)支撐優(yōu)化分析

4.1 臨時(shí)支撐優(yōu)化原則

大跨徑斜拉橋的橋塔在橫橋向一般采用分肢結(jié)構(gòu)，因斜度較大，在施工過(guò)程中受自重和施工臨時(shí)荷載影響，塔柱根部和下橫梁最外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成不利工況，需要通過(guò)臨時(shí)拉桿或撐桿的設(shè)置形成多點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)， 調(diào)整主塔在施工過(guò)程中及成橋狀態(tài)的內(nèi)力狀態(tài)， 防止混凝土出現(xiàn)受拉破壞和裂縫。 如何進(jìn)行塔柱施工過(guò)程臨時(shí)支撐的設(shè)置是橋塔施工過(guò)程中需要解決的主要問(wèn)題之一。

臨時(shí)拉桿及支撐設(shè)置應(yīng)滿足以下目的： 一是保證在施工過(guò)程中塔柱各斷面的出現(xiàn)的最大應(yīng)力及位移可滿足要求。 對(duì)于混凝土塔柱在施工過(guò)程中塔柱自身的變形相對(duì)較小，一般以斷面應(yīng)力控制，根據(jù)以往類似工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)， 可按照塔柱各斷面出現(xiàn)的拉應(yīng)力不超過(guò)1 MPa[8](C50 混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.89 MPa) 作為水平支撐設(shè)置的原則之一。 二是塔柱施工完成后可達(dá)到理想的內(nèi)力狀態(tài)。塔柱的受力是以承壓為主，塔柱的內(nèi)力一般按照橋塔一次成型控制內(nèi)力， 臨時(shí)支撐的塔柱控制斷面的內(nèi)力應(yīng)盡量與一次成型的內(nèi)力狀態(tài)相近。

基于上述優(yōu)化原則， 可先按照不設(shè)置臨時(shí)支撐進(jìn)行各施工工序的力學(xué)性能分析， 確定在下橫梁施工前塔柱各斷面應(yīng)力是否超限， 在塔柱應(yīng)力超限對(duì)應(yīng)的工況前安裝水平拉桿，水平拉桿的內(nèi)力以塔根彎矩盡量小為原則，完成水平拉桿優(yōu)化。

中塔柱撐桿安裝以無(wú)撐桿狀態(tài)進(jìn)行各節(jié)段施工過(guò)程受力狀態(tài)的計(jì)算，在斷面拉應(yīng)力超限前設(shè)置水平支撐，在中塔柱合攏前下橫梁位置塔柱的彎矩盡量小。

4.2 臨時(shí)拉桿優(yōu)化

橋塔施工原方案不設(shè)置水平拉桿， 在實(shí)際施工過(guò)程中為了提高施工效率，縮短施工周期，采用塔柱與橫梁異步施工的方式進(jìn)行下橫梁施工。結(jié)合異步施工的變化，對(duì)下塔柱過(guò)程中的水平拉桿設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化。 在塔柱施工過(guò)程中塔根部應(yīng)力控制斷面為P1 點(diǎn)(圖2b)所在位置，在中塔柱施工過(guò)程中在下橫梁以上位置的應(yīng)力控制點(diǎn)位置為下橫梁最外側(cè)，即P3 點(diǎn)(圖2b)。 在不考慮下橫梁及臨時(shí)水平支撐的作用時(shí)在各施工工況下3 個(gè)控制點(diǎn)的應(yīng)力隨著施工步驟的變化的邊跨如圖3 所示。

圖3 臨時(shí)支撐優(yōu)化流程示意

從圖3 中可知，在不設(shè)置水平拉桿時(shí)施工至9 號(hào)節(jié)段時(shí)塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)點(diǎn)p1 處拉應(yīng)力超過(guò)了1 MPa，因此在施工至9 號(hào)節(jié)段時(shí)應(yīng)該在8 號(hào)塊位置設(shè)置水平拉桿。 根據(jù)拉桿構(gòu)造可設(shè)置拉桿水平力5000 kN， 在拉桿張拉后施工至15 號(hào)節(jié)段時(shí)塔根部?jī)?nèi)側(cè)點(diǎn)p1 處拉應(yīng)力又超過(guò)了1 MPa。 而中塔柱不設(shè)置水平支撐時(shí)， 當(dāng)塔柱施工至19號(hào)節(jié)段時(shí)， 塔柱下橫梁外側(cè)點(diǎn)P3 的拉應(yīng)力超過(guò)1 MPa。綜合塔根截面和上橫梁截面的內(nèi)力變化情況可知， 本橋在下塔柱施工過(guò)程中應(yīng)設(shè)置水平拉桿， 拉桿力可控制在5000 kN。 下橫梁與橋塔進(jìn)行異步施工時(shí)，塔柱在施工15號(hào)節(jié)段前應(yīng)該完成下橫梁施工。

4.3 臨時(shí)撐桿優(yōu)化

在下橫梁施工后塔柱在下橫梁位置外側(cè)點(diǎn)P3 成為在塔柱施工過(guò)程中拉應(yīng)力最大位置， 且為塔柱施工過(guò)程中的控制性斷面。 p3 點(diǎn)的拉應(yīng)力隨著施工節(jié)段施工的變化情況如圖4 所示。

從圖4 可知， 在下橫梁施工完成后， 當(dāng)節(jié)段施工至20 號(hào)節(jié)段時(shí)，塔柱外側(cè)點(diǎn)p3 處拉應(yīng)力超過(guò)了1 MPa。 因此， 在施工至20 號(hào)節(jié)段時(shí)應(yīng)該在19 號(hào)塊位置設(shè)置水平支撐。 可設(shè)置第一道支撐的水平力為4000 kN，在第一道支撐施加后， 施工至23 號(hào)節(jié)段時(shí)塔柱外側(cè)點(diǎn)p3 處拉應(yīng)力又超過(guò)了1 MPa。 因此，在施工至23 號(hào)節(jié)段時(shí)應(yīng)該在22 號(hào)節(jié)段位置設(shè)置第二道水平支撐，第二道水平支撐力可按照4500 kN 施加。 在第二道支撐施加后，施工至28號(hào)節(jié)段時(shí)塔柱外側(cè)點(diǎn)p3 處拉應(yīng)力又超過(guò)了1 MPa。 故在施工至27 號(hào)節(jié)段時(shí)應(yīng)該在26 號(hào)節(jié)段位置設(shè)置第三道水平支撐，第三道水平支撐力可按照5000 kN 施加。在第三道支撐施加后索塔施工至中橫梁之前p3 點(diǎn)處的拉應(yīng)力均超過(guò)1 MPa，但在上塔柱施工時(shí)p3 點(diǎn)的拉應(yīng)力增長(zhǎng)很快，故應(yīng)該將中橫梁與上塔柱進(jìn)行同步澆筑，避免在上塔柱施工過(guò)程中導(dǎo)致p3 點(diǎn)應(yīng)力超限。

圖4 臨時(shí)撐桿優(yōu)化

5 結(jié)語(yǔ)

本文以沙埕灣跨為大橋?yàn)楸尘皩?duì)超大跨徑斜拉橋橋塔施工過(guò)程中臨時(shí)支撐設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化分析， 得到以下結(jié)論：

(1)塔柱施工過(guò)程水平臨時(shí)支撐的設(shè)置應(yīng)以控制斷面拉應(yīng)力不超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)為主要依據(jù)， 并盡量使其成型時(shí)的內(nèi)力與一次落架施工塔柱的內(nèi)力接近。

(2)通過(guò)無(wú)支撐狀態(tài)下控制點(diǎn)應(yīng)力變化曲線可準(zhǔn)確得到水平臨時(shí)支撐設(shè)置的位置及工況， 以支撐構(gòu)造強(qiáng)度確定合理支撐力，依次得到各水平拉桿的位置與內(nèi)力。

(3)沙埕灣大橋應(yīng)在下塔柱設(shè)置一道水平拉桿，中塔柱設(shè)置三道臨時(shí)支撐可滿足塔柱施工過(guò)程的受力要求，下橫梁之后對(duì)于塔柱施工階段異步施工不應(yīng)滯后超過(guò)4個(gè)節(jié)段，中橫梁與上塔柱應(yīng)同步澆筑。