嘉魚長江公路大橋索塔應(yīng)力及線形施工控制

裴山，陳常松

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430056；2.長沙理工大學 土木工程學院)

1 工程概述

嘉魚長江公路大橋是武漢城市圈環(huán)線高速公路西環(huán)孝感～仙桃～咸寧段的控制性工程，橋梁全長4 660 m，嘉魚長江公路大橋主橋為主跨920 m的混合梁斜拉橋，跨度組合為(70+85+72+73)m+920 m+(330+100)m，主橋北邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,長312.5 m，中跨和南邊跨采用鋼箱梁，鋼混結(jié)合段在北塔江心側(cè)12.5 m處，鋼混結(jié)合段長度為8.5 m，全橋共120對斜拉索，南塔高251.41 m，北塔高235 m，總體布置圖如圖1所示。

圖1 嘉魚橋總體布置圖(單位：cm)

北索塔上塔柱高度79 m，中上塔柱結(jié)合段高度26.45 m，中塔柱高度98.395，中下塔柱結(jié)合段高度21.265 m，下塔柱高度7.9 m，如圖2所示。橋塔采用 C50混凝土，除下橫梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件外，其余部分均為鋼筋混凝土構(gòu)件。中上塔柱采用液壓爬模施工，下塔柱采用塔梁異步施工，橫梁澆筑完成中下塔柱連接段施工并張拉第一批預(yù)應(yīng)力，中塔柱每施工4個節(jié)段后安裝主動橫撐，上塔柱按4.5 m節(jié)段施工并安裝鋼錨梁。

圖2 北索塔立面圖(單位：cm)

對于超高索塔結(jié)構(gòu)有效地控制應(yīng)力和線形尤為重要。為了有效降低嘉魚橋北塔下塔柱根部外側(cè)在張拉第一批下橫梁預(yù)應(yīng)力束產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，采用了低溫合龍索塔下橫梁的方法，目前這種方法在同類索塔施工中鮮有應(yīng)用；主動橫撐安裝過程中計入溫度及焊縫收縮影響，有效解決了主動橫撐頂推不到位的問題；采用雙棱鏡法對溫度影響量進行修正，為索塔全天候施工放樣提供條件。

2 有限元模型建立

利用Midas和BDCMS有限元軟件建立嘉魚長江公路大橋北塔索塔結(jié)構(gòu)施工模型，節(jié)段劃分高度與實際施工節(jié)段一致，標準節(jié)段高度4.5 m。索塔模型均采用梁單元進行模擬，主動橫撐按照實際剛度考慮，約束條件為：主動橫撐與塔柱之間采用剛性連接?；A(chǔ)固結(jié)，基礎(chǔ)與承臺、中塔柱與上塔柱均為剛性連接，支架用彈性連接中僅受壓約束方式。下橫梁與中下塔柱結(jié)合段連接采用帶剛臂單元進行模擬，避免了普通梁單元模擬的不準確性。主動橫撐的軸力以溫度荷載的形式施加，避免頂推力以集中力施加在塔柱上。分階段施工模型中計入爬模荷載、收縮徐變等作用。全索塔模型中共劃分131個節(jié)點，136個單元。

3 索塔應(yīng)力及線形施工控制

3.1 下塔柱施工過程中的應(yīng)力

通過有限元Midas計算分析，在張拉索塔下橫梁第一批預(yù)應(yīng)力束后下塔柱根部外側(cè)拉應(yīng)力為4.2 MPa，遠超安全允許值。針對下塔柱根部外側(cè)應(yīng)力過大情況，同類型的索塔下塔柱施工中采用了設(shè)置橫向拉桿方法，但由于嘉魚橋索塔下橫梁支架在設(shè)計初期并未考慮橫向拉桿的布設(shè)空間，在設(shè)置上存在一定困難且操作復(fù)雜?；谑┕し奖闩c結(jié)構(gòu)安全的考慮，采用減少第一批索塔下橫梁預(yù)應(yīng)力束，并在低溫條件下合龍索塔下橫梁的方法。對下塔柱施工工序進行調(diào)整，待5～6節(jié)段澆筑完成后，在0 ℃條件進行索塔下橫梁合龍，然后張拉第一批一半的預(yù)應(yīng)力束。設(shè)計基準溫度為15 ℃，模型計算中采用降溫15 ℃后進行索塔下橫梁合龍，再張拉預(yù)應(yīng)力束，調(diào)整后的下塔柱應(yīng)力如圖3所示。

由圖3可知：預(yù)應(yīng)力束僅張拉一半后，下塔柱根部外側(cè)的最大拉應(yīng)力從原來的4.2 MPa減少至1.5 MPa，雖有效地減少了下塔柱根部應(yīng)力偏大的情況，但結(jié)構(gòu)偏不安全。若北索塔下橫梁采用低溫合龍后再張拉預(yù)應(yīng)力束，塔柱根部外側(cè)拉應(yīng)力進一步減少，由1.5 MPa減少至0.1 MPa，根部外側(cè)應(yīng)力維持在較低的水平，有足夠的安全儲備。低溫合龍下橫梁利用在溫度較低的情況下進行下橫梁連接而氣溫升高進行預(yù)應(yīng)力的張拉，結(jié)構(gòu)在升溫過程中將產(chǎn)生伸縮或軸向變形產(chǎn)生附加內(nèi)力。對塔壁有向外的軸力能部分抵消第一批預(yù)應(yīng)力束張拉產(chǎn)生的向內(nèi)側(cè)的軸力；另一方面，低溫條件充分釋放混凝土收縮徐變對下塔柱根部的約束，從而增加塔柱根部外側(cè)的壓應(yīng)力儲備?，F(xiàn)場施工時選擇溫度較低的1月份進行下橫梁的連接合龍，嘉魚橋所處地區(qū)此時間段溫度為0 ℃左右，故選擇氣溫回升的3月份，溫度為15 ℃左右的有日照中午進行第一批預(yù)應(yīng)力的張拉。嘉魚橋索塔已于2018年7月完工，結(jié)果顯示北索塔下塔柱根部受力性能良好，表面無明顯裂縫產(chǎn)生。

(a)僅減少預(yù)應(yīng)力束

3.2 主動橫撐的安裝

對于雙向傾斜的鉆石形索塔，在施工過程中索塔截面受力最不利位置受到已澆筑節(jié)段的自重作用和施工荷載法向分力彎矩疊加導(dǎo)致截面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力。為保證索塔結(jié)構(gòu)在施工中的安全性和可靠性，在上下游塔柱之間安裝臨時橫撐并施加一定的頂推力。對中塔柱應(yīng)力控制關(guān)鍵在于主動橫撐的安裝，由于對中塔柱應(yīng)力監(jiān)測存在困難，所以對主動橫撐的安裝控制重點是精細化計算和可靠的施工措施，以確保施加的力頂推到位。

應(yīng)用影響矩陣法確定各道主動橫撐最優(yōu)頂推力，由于主動橫撐連接過程中會受到溫度的影響，需要計入溫度因素。在安裝主動橫撐工況對結(jié)構(gòu)進行升溫10 ℃和降溫10 ℃的分階段模型計算中，可求單位升降溫對施加主動頂撐力大小的影響從而確定溫度系數(shù)。橫撐頂推采用液壓頂推控制，為了解決液壓方式工作期間油壓千斤頂持力效果不理想的問題，在頂撐力施加到目標值后，將主動橫撐與預(yù)埋板間進行焊接，但焊接過程中會出現(xiàn)焊縫收縮等狀況，需對焊縫收縮影響頂推力進行補償，在地面進行焊接試板試驗得到焊縫收縮量。計入溫度焊縫收縮后最終預(yù)頂力計算公式如下：

(1)

式中：ΔL為焊接變形長度；L為橫撐長度；ΔF為超頂力；EA為軸向剛度；k為溫度修正系數(shù)。

依此方法可以確定第1～5道主動橫撐實際需要施加的頂推力分別為4 060、4 200、3 750、1 930、2 120 kN。主動橫撐安裝時需保證上下游塔柱施工到同一節(jié)段，避免主動橫撐頂推后塔柱產(chǎn)生不均勻的內(nèi)力。在施力過程中如果發(fā)現(xiàn)力值有下降的情況，應(yīng)適當施加部分頂推力。主動橫撐預(yù)頂力施加完成后，須在同一均勻溫度場中立即將主動橫撐與上下游塔柱連接。如果環(huán)境溫度偏離15 ℃，則實際預(yù)頂力需要按式(1)進行修正。主動橫撐施加頂推力和焊接工作選擇在均勻溫度場進行。為了縮短主動橫撐與塔壁焊接的時間，應(yīng)先將主動橫撐一端與塔壁先行焊接好，另一端自由，一旦預(yù)頂力施加到位后，再將主動橫撐的自由端與塔壁焊接，完成主動橫撐與索塔兩塔肢的快速可靠連接。主動橫撐安裝過程中關(guān)鍵截面的應(yīng)力及軸力變化見表1。

表1 主動橫撐安裝應(yīng)力變化

由表1可知:安裝5道主動橫撐過程中，關(guān)鍵截面的拉應(yīng)力均小于1 MPa，最大值為0.7 MPa，出現(xiàn)在第2道主動橫撐安裝后中塔柱底部截面外側(cè)，索塔施工過程中的危險狀態(tài)出現(xiàn)在索塔節(jié)段施工最大懸臂狀態(tài)。在第5道主動橫撐安裝后，關(guān)鍵截面處于全面受壓狀態(tài)，索塔結(jié)構(gòu)具有足夠的安全保證。值得注意的是，主動橫撐在安裝過程中最大軸力出現(xiàn)在下一道主動橫撐安裝前，此時塔柱處于最大懸臂狀態(tài)。

3.3 主塔線形控制

夏季施工溫度對立模位置的影響較大，特別是太陽直射造成日照溫差的影響尤為明顯。由于塔身溫度場變化(相對于設(shè)計基準溫度)導(dǎo)致塔身空間位置發(fā)生偏移，這種偏移隨塔身高度的增大而增大。嘉魚長江公路大橋主塔高度超過200 m，溫度變化的影響不能忽視。嘉魚長江大橋主塔6～11月份施工高峰期，根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料顯示：10月份最高氣溫仍然高達34°，最低氣溫為18 ℃，晝夜溫差大。如果選擇回避溫度方法，模板的放樣只能在晚上進行?；诠?jié)約工期和施工精度的考慮，嘉魚橋主塔施工過程中選擇了雙棱鏡追蹤的方法。

3.3.1 追蹤棱鏡方法

在塔柱相鄰節(jié)段或相近節(jié)段預(yù)埋件適當位置焊接安裝兩個追蹤棱鏡, 傳統(tǒng)方法安裝的都是單個棱鏡，但是對于空間坐標僅靠一個點確定預(yù)偏量是否準確有待商榷，以棱鏡點坐標變化來替代立模坐標是不準確的，因為棱鏡點與立模點間存在一定的高差，選擇兩個棱鏡觀測點可以確定一條平面直線，通過兩點坐標反算實際立模點的預(yù)偏值對立模點控制坐標進行修正。追蹤棱鏡法的流程是：在塔柱爬模系統(tǒng)爬升后次日凌晨時段或溫度影響較小時段對兩個棱鏡觀測點進行測量確定基準點位置，具體到模板放樣時再次測量兩個追蹤棱鏡并對偏位進行實時修正，獲得實時模板放樣目標點的放樣坐標，具體流程如圖4所示。

圖4 追蹤棱鏡法流程圖

3.3.2 索塔線形控制成果

為了了解塔柱在溫度影響下的偏位情況，在中塔柱上布置棱鏡測點，進行24 h觀測，觀測結(jié)果如圖5所示。用追蹤棱鏡法模板放樣工作在全天都可以進行，但為了保證施工控制的可靠性，模板驗收依舊選擇夜間進行(或無溫差影響時)，對于成品驗收也需要采用追蹤棱鏡的方法進行溫度影響修正。應(yīng)用追蹤棱鏡法后索塔偏位如圖6所示。

圖5 測點24 h內(nèi)偏位變化

圖6 索塔偏位

由圖5可知:塔柱在溫度影響作用下發(fā)生較大偏移，最大偏移量達到16 mm，出現(xiàn)在下午14:30左右，并且索塔高度越高，溫度場變化越劇烈，變形量越大，在凌晨03:00～07:00影響較小基本可以忽略，溫度影響表現(xiàn)出一定的滯后性，在該時段立模放樣可以不進行溫度修正，成品驗收在非忽略時段和模板放樣一樣也要進行溫度修正。由圖6可知：使用追蹤棱鏡法后塔柱成品偏位大部分控制在10 mm以內(nèi)(Δx表示順橋向偏位，Δy表示橫橋向偏位)，最大偏移量出現(xiàn)在橫橋向，最大值為13 mm。應(yīng)用雙棱鏡追蹤法，能夠有效地控制索塔溫度影響偏位，索塔節(jié)段絕大多數(shù)成品誤差控制在1 cm以內(nèi)。

4 結(jié)論

以嘉魚長江公路大橋北塔為工程背景，對索塔應(yīng)力及線形進行施工計算分析與控制，得出以下結(jié)論：

(1)由于下塔柱在張拉第一批預(yù)應(yīng)力后外側(cè)拉應(yīng)力過大，采取了減少第一批預(yù)應(yīng)力張拉束并采用低溫下合龍索塔下橫梁的技術(shù)，下塔柱根部外側(cè)應(yīng)力水平降低，有效地控制了應(yīng)力水平。

(2)主動橫撐安裝過程中溫度和焊縫收縮對頂推力影響明顯，通過精細化計算和可靠的施工措施以確保施加的力頂推到位，結(jié)果表明中塔柱應(yīng)力控制在安全水平。

(3)溫度對塔柱的偏位影響在下午14:00時最大，在凌晨03:00～07:00影響較小，可以忽略，應(yīng)用雙棱鏡追蹤法能夠很好地消除因溫度影響造成立?？刂泣c的偏位，嘉魚橋索塔節(jié)段絕大多數(shù)成品誤差控制在1 cm以內(nèi)，索塔線形控制較好，目前嘉魚橋索塔于2018年7月施工完成，結(jié)構(gòu)線形控制滿足規(guī)范要求。