花江峽谷大橋索塔主動橫撐設(shè)計及驗算結(jié)果分析

吳朝明

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000）

1 工程概況

主動橫撐是為確保塔柱施工過程的安全性而采取的重要臨時設(shè)施。六枝至安龍高速起點位于關(guān)嶺縣與貞豐縣交界處的花江峽谷大橋5號索塔處，與第LATJ-7合同段相接，設(shè)計起點樁號為K61+235，路線往南布線，以懸索橋跨越北盤江，標(biāo)段截止時樁基的樁號為K64+300，與第LATJ-9合同段相連接，道路長度共13.065km。

花江峽谷大橋為六枝至安龍高速公路項目控制性工程，橋梁全長2890m，安龍岸索塔塔柱為內(nèi)傾斜式，上部的傾斜率內(nèi)側(cè)和外側(cè)一致，傾斜率為1/56.0714，下部的傾斜率內(nèi)側(cè)與外側(cè)不等，分別為1/157.7367、1/30.3624。索塔塔柱的底部高程為1051.987m，塔柱的頂部高程為1255.987m，總高度為204m。塔柱采用六邊形空心箱形斷面，縱橋向為變寬截面，上塔柱寬度由9m按1/169.4525的坡率漸變?yōu)?0.8m，下塔柱由10.8m按1/62.6667的坡率再漸變?yōu)樗?2.3m；水平橫橋方向的上塔柱為等寬截面，橫向尺寸為7.5m，下塔柱為變寬截面，橫向尺寸由7.5漸變?yōu)?.75m。上塔柱在縱橋方向上和橫橋方向的柱壁厚度存在20cm的差值，在縱橋方向上的柱壁厚度為1.2m。與上塔柱柱壁厚度相比，下塔柱部分在縱橋方向上的厚度均為1.4m。塔頂處設(shè)置6m厚實心段，塔底處設(shè)置3m厚實心段。塔頂設(shè)置塔冠，形成由鋼筋混凝土為主要材料的主索鞍鞍罩。

2 主動橫撐設(shè)計

2.1 臨時支撐設(shè)置情況概述

安龍岸索塔設(shè)計樁號K62+655，采用群樁基礎(chǔ)，單樁直徑為3.6m，群樁基礎(chǔ)的布置形式從主線前進(jìn)方向來看為4排，4×3共計12根人工挖孔樁；承臺布設(shè)為矩形，尺寸為20.6m（橫橋向）×28m（順橋向），高度為8m，承臺間由地系梁連接。

根據(jù)施工圖紙的設(shè)計要求，塔柱向內(nèi)傾斜，隨著傾斜角度和高度的不斷增加，從而形成懸臂狀態(tài)，且斜率值要高于普通水平。在懸臂狀態(tài)下塔柱自身會因受力不均勻產(chǎn)生偏心壓力，當(dāng)偏心受力過大時會在根部位置產(chǎn)生影響混凝土整體性的較大彎矩。當(dāng)彎矩過大時會在混凝土底部位置形成裂縫，伴隨著塔柱偏位的現(xiàn)象，彎矩是否對混凝土產(chǎn)生影響的主要依據(jù)是極限抗拉強(qiáng)度是否超過C55級混凝土的強(qiáng)度。裂縫的產(chǎn)生會嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此為避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要在索塔塔柱的施工節(jié)段加入主動橫撐作為臨時的支撐體系。以此抵消因為塔柱自身重量產(chǎn)生的偏心壓力，防止混凝土裂縫的產(chǎn)生。同時臨時支撐體系也能控制塔柱的變形，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用[1]。

2.2 臨時支撐位置的確定原則

臨時支撐桿方位的確定主要是根據(jù)懸臂狀態(tài)下塔柱底部澆筑混凝土?xí)r，在塔柱自身重量和施工產(chǎn)生的荷載作用下混凝土不產(chǎn)生裂紋與塔柱軸線偏位在規(guī)定范圍內(nèi)的最大懸臂高度。通過參考初步計算的結(jié)果、索塔的橫梁支架施工要求和工藝參數(shù)，索塔在施工時共需設(shè)置7道水平撐桿，水平撐桿由兩根φ 630×14mm鋼管和I32b工字鋼平聯(lián)組成，φ630×14mm鋼管與塔柱間采用預(yù)埋件連接，撐桿設(shè)計為主動受力形式。

（1）溫度的影響

索塔結(jié)構(gòu)使用C55級混凝土，C55級混凝土具有以下性能：其熱膨脹系數(shù)為1.0×10-5，主動橫撐的材料采用Q235級鋼材，其材料性能中熱膨脹系數(shù)為1.18×10-5，由于混凝土和主動橫撐的熱膨脹系數(shù)比較接近，所以由溫度變化引起的索塔各結(jié)構(gòu)變形很小。溫度對組成的整體框架的應(yīng)力同樣很小，所以在主動橫撐的設(shè)計時可不考慮溫度產(chǎn)生的影響。

（2）主動力的確定

根據(jù)公式（1）和（2）計算：

當(dāng)施加應(yīng)力后，水平橫撐與塔柱形成了一個基礎(chǔ)框架，在這個框架上部的自重荷載對支承位置的塔柱混凝土作用最為顯著，反觀下部的塔柱受到影響的區(qū)域就很小，因此在每次施加主應(yīng)力時要按照前一次施加應(yīng)力處結(jié)構(gòu)所在的自由面為基準(zhǔn)，主動力與后續(xù)施工節(jié)段塔柱荷載的彎矩盡量達(dá)到平衡，以此為計算原則近似計算每道橫撐主動力。

2.3 鋼管橫撐安裝施工

鋼管橫撐由廠家定尺加工，現(xiàn)場使用法蘭對接，支承與主體結(jié)構(gòu)之間采用焊接的連接方式。在塔底將兩根鋼管采用I25平聯(lián)焊接連城整體，利用塔吊提升安裝。

為保證橫撐安裝方便，在前期塔柱施工時，同步搭設(shè)橫梁支架，利用橫梁支架安裝臨時支撐固定橫撐，待一道橫撐安裝完成并施加主動荷載后，采用型鋼將橫撐與索塔連接成整體，再將橫撐與橫梁支架焊接。圖1為橫撐施加主動荷載及固定示意圖。

圖1 橫撐施加主動荷載及固定示意圖

施工注意事項：

（1）橫撐鋼管在廠家加工，運至現(xiàn)場后與I20b工字鋼焊接加工成桁片，在塔底完成加工制作，保證加工制作精度，為防止鋼管在使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況并確保焊接的品質(zhì)，最后必須經(jīng)過質(zhì)量驗收才能進(jìn)入工地使用。

（2）千斤頂施頂應(yīng)在清晨施加。

（3）施頂分三級進(jìn)行，每次施頂荷載及位移記錄都需獨立記錄，頂推到設(shè)計施工荷載后，焊接連接型鋼將橫撐與塔柱連接牢固。

（4）不同施工階段要做好相應(yīng)的塔柱位移記錄，并與監(jiān)控單位對接，了解在不同條件下施工時以及不同的施工階段塔底應(yīng)力，一旦出現(xiàn)異常立刻進(jìn)行調(diào)整。特別是在設(shè)置鋼管主動橫撐前后，此時的位移和荷載的關(guān)系與其他施工階段存在明顯差異[2]。

3 計算說明

安龍索塔準(zhǔn)備設(shè)置七道鋼管主動橫撐作為臨時的支撐體系滿足施工要求，塔柱下部不設(shè)置臨時支撐，所有的鋼管臨時主動橫撐都放置在塔柱的上部，第一部分的鋼管主動橫撐距下橫梁16m，剩下鋼管主動橫撐之間的間隔均為20m。

3.1 設(shè)計依據(jù)

按照《六枝至安龍高速公路工程兩階段施工圖設(shè)計》；《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3650—2020）；《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）；《路橋施工計算手冊》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

3.2 計算參數(shù)

3.2.1 材料特性

鋼材容重：γ=78.5kN/m3彈性模量：E=206GPa

混凝土容重：26kN/m3

3.2.2 材料力學(xué)性能

鋼管力學(xué)性能見表1。

表1 鋼管力學(xué)性能表（容許應(yīng)力）

C55混凝土軸心抗拉設(shè)計值為1.89MPa。

4 水平主動橫撐驗算

4.1 荷載計算

主動橫撐驗算僅考慮C55混凝土自重，結(jié)果自動計算，考慮到施工模板荷載，將其全部加在混凝土自重中，加自重荷載時，取1.2倍[3]。

4.2 橫撐計算結(jié)果

施工階段驗算結(jié)果見表2。

表2 施工階段各項指標(biāo)驗算結(jié)果

水平主動橫撐驗算：水平主動橫撐用Φ630×14鋼管，其相關(guān)參數(shù)為：A=270.681cm2，Ix=128574.344cm4，i=21.784cm，軸向允許應(yīng)力為215MPa。

經(jīng)過強(qiáng)度驗算：其最大軸力為Nmax≤Af=27068.1×215=5819.64kN，由上述結(jié)果，軸力均小于Nmax，所以七道水平主動橫撐的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

經(jīng)過計算，可以看出塔柱在各施工階段其水平橫撐的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，塔柱傾斜度小，承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。施工階段共設(shè)置七道橫梁，每道橫梁的拉應(yīng)力和傾斜度均滿足規(guī)范要求?；ń瓖{谷大橋塔柱主動橫撐施工技術(shù)已應(yīng)用成功，施工現(xiàn)場可操作性高，支撐情況良好?？梢詾橐院笸悩蛄核髦鲃訖M撐的施工提供理論支撐。