弧形索塔施工過程風(fēng)荷載靜力效應(yīng)分析

聶寧波NIE Ning-bo；?？〗躈I Jun-jie；鐘一帆ZHONG Yi-fan；李龍LI Long

（中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司，西安710000）

0 引言

拱門型索塔是斜拉橋塔柱的一種新形式，較獨(dú)柱形、雙柱形、門形或H 形索塔受力形式更加復(fù)雜。在索塔合龍前，結(jié)構(gòu)體系不閉合，結(jié)構(gòu)剛度小，在自重和爬模荷載作用下對塔柱產(chǎn)生很大彎矩，索塔處于壓彎狀態(tài)。拱門型索塔線形設(shè)計(jì)使得塔柱傾斜度不斷變化，在施工過程中，自重與施工荷載作用就會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形與內(nèi)力[1-3]，當(dāng)可變荷載和恒載共同作用風(fēng)荷載共同作用下，使索塔受力非常不利，關(guān)鍵截面的應(yīng)力控制和結(jié)構(gòu)最大位移難以控制。由于混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)及邊界條件的非線性因素影響，荷載作用與位移量之間的關(guān)系也呈非線性變化，荷載增減效應(yīng)僅簡單疊加，結(jié)構(gòu)位移誤差會(huì)逐漸累積[4-5]，最終導(dǎo)致索塔無法順利合龍等情況。

本文采用有限元軟件Midas/Civil 對擺宴壩嘉陵江大橋索塔施工流程進(jìn)行仿真分析，計(jì)算風(fēng)荷載效應(yīng)及自重和施工荷載組合下對索塔施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的影響[6-7]，分析索塔在軸壓和彎矩作用下，梁柱效應(yīng)的響應(yīng)程度，掌握索塔在施工過程中應(yīng)力及位移的變化規(guī)律和特點(diǎn)，防止應(yīng)力超限。

1 工程概況

索塔采用混凝土箱型結(jié)構(gòu)，為美觀需要設(shè)計(jì)為拱門型。索塔總高130.390m（下塔柱高29.69m，中塔柱高40.02m，上塔柱高55.48m，塔冠高5.2m）；主塔線型：索塔線形為拱門形，其橫橋向外輪廓設(shè)計(jì)為橢圓線型，內(nèi)輪廓由三部分組成分別為圓曲線、橢圓、圓曲線，索塔線型如圖1 所示。索塔截面縱橋向塔頂寬6m，承臺頂面寬度為9m，縱向?qū)挾入S高度增加線形變化。索塔橫向采用兩個(gè)分離式箱型斷面，其斷面寬度隨索塔內(nèi)外弧間距變化在4-8m 之間變化，塔頂設(shè)置了外形為拱門的上橫梁將兩個(gè)塔柱連接成整體。本橋采用塔梁墩固結(jié)形式，下橫梁與主梁0#塊合二為一。塔底與承臺基礎(chǔ)相連接。塔柱采用曲線設(shè)計(jì)受力復(fù)雜，為保證其整體性及簡化受力，分別在中上塔柱間設(shè)置了橫隔板。索塔標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1 所示。

圖1 索塔線形、索塔標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 索塔施工流程

2.1 索塔施工流程概述

整個(gè)索塔施工共劃分為29 個(gè)施工節(jié)段，節(jié)段具體劃分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。第1、2 節(jié)為索塔起步段，采用現(xiàn)澆施工，外模采用爬模模板。施工完索塔1、2 節(jié)段時(shí)，搭設(shè)貝雷梁支架，澆筑下橫梁，待下橫梁強(qiáng)度達(dá)到95%，張拉橫梁預(yù)應(yīng)力筋后，采用液壓爬模施工索塔第3 節(jié)至第28 節(jié)。下橫梁采用鋼管立柱支架法施工；第29 節(jié)及以上部分和上橫梁采用托架法現(xiàn)澆施工。

表1 索塔節(jié)段劃分

2.2 臨時(shí)水平橫撐

拱門型索塔因其線形設(shè)計(jì)，受力相較于豎直索塔更加復(fù)雜，在塔柱的施工過程中，因?yàn)樗妮S線與豎直方向存在一定的夾角，受自重及施工荷載的影響，會(huì)發(fā)生一定的偏移，隨著塔柱高度的增加，塔柱的偏移量在不斷變化，這會(huì)嚴(yán)重影響到施工安全性，為保證索塔的施工精度，防止變形過大，索塔關(guān)鍵截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，在索塔施工過程中通過搭設(shè)臨時(shí)橫撐是控制索塔線形和位移的主要措施。

因索塔高度超過了100m，采用懸臂裸塔爬模的施工方法，隨著索塔高度的增加，塔柱在自重和施工荷載作用下產(chǎn)生向內(nèi)的水平分力，使結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致截面拉裂。因此采用施加頂推力的主動(dòng)臨時(shí)橫撐，抵消一部分自重及施工荷載引起的水平分力。水平橫撐為橫向鋼管結(jié)構(gòu)，鋼管間采用小鋼管連接形成桁架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)穩(wěn)定性。鋼管橫撐與塔柱固結(jié)在一起構(gòu)成了臨時(shí)的穩(wěn)定框架，確保索塔在施工過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。充分利用鋼管臨時(shí)橫撐的剛度和強(qiáng)度，用千斤頂對斜塔柱內(nèi)側(cè)塔壁施加預(yù)頂力，減少索塔施工過程中因自重和施工荷載引起的附加應(yīng)力。臨時(shí)水平橫撐預(yù)定力的確定遵循內(nèi)力控制為主，變形控制為輔的設(shè)計(jì)原則。支撐位置確定依據(jù)當(dāng)索塔施工至某一節(jié)段，截面外側(cè)拉應(yīng)力達(dá)到限值時(shí)，在上一節(jié)段設(shè)置主動(dòng)臨時(shí)橫撐。

依據(jù)主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)原則，索塔施工過程中共設(shè)置三道主動(dòng)橫撐，每道橫撐主要采用兩根Φ1000×10mm 鋼管受力，通過兩根大直徑的鋼管承受索塔對它的拉力或壓力，橫撐之間水平間距為3.0m，為保證橫撐結(jié)構(gòu)整體性，兩根受力鋼管之間通過Φ325×6mm 的小鋼管連接，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。水平橫撐設(shè)置方案見表2，水平橫撐結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 水平橫撐結(jié)構(gòu)形式

表2 水平橫撐設(shè)置方案

3 施工階段有限元分析

采用有限元軟件Midas civil，建立擺宴壩嘉陵江大橋的空間梁單元模型，空間梁單元模型如圖3。依據(jù)實(shí)體橋梁結(jié)構(gòu)體系，有限元仿真分析中，索塔底部采用固結(jié)約束，用一般支撐將塔底部固結(jié)；滿堂支架采用彈性支撐模擬；上橫梁與索塔間連接通過彈性支撐的方式等效；下橫梁與橋塔的連接采用共節(jié)點(diǎn)的方式。根據(jù)索塔節(jié)段劃分、施工流程及水平橫撐布置方式，有限元模型包含了296 個(gè)梁單元，333 個(gè)節(jié)點(diǎn)，40 根橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。根據(jù)實(shí)際施工流程Midas 中采用64 個(gè)施工階段模擬，液壓爬模采用點(diǎn)荷載代替，索塔節(jié)段的標(biāo)準(zhǔn)施工流程為：爬模就位（施加節(jié)點(diǎn)荷載）→號塊濕重→號塊激活（號塊激活的同時(shí)將對應(yīng)風(fēng)荷載激活）。

圖3 空間梁單元模型

3.1 計(jì)算參數(shù)和荷載

3.1.1 計(jì)算參數(shù)

①橋塔為C50 混凝土，彈性模量3.45×104MPa，下橫梁為C60混凝土，彈性模量3.6×104MPa，容重均為26kN/m3；②主動(dòng)橫撐為Q235 鋼，彈性模量2.06×105MPa，容重78.5kN/m3；③下橫梁的橫向預(yù)應(yīng)力筋采用1860 鋼絞線，兩端張拉1395MPa。

3.1.2 荷載

①自重系數(shù)取1.04；②液壓爬模及模板重130t，等效為節(jié)點(diǎn)荷載施加在已澆號段頂點(diǎn)；③風(fēng)荷載?？紤]索塔橫向靜風(fēng)荷載，按設(shè)計(jì)基本風(fēng)速U10=24.5m/s，橫向塔柱靜風(fēng)荷載為9.14kN/m，順橋向風(fēng)荷載為4.32kN/m；④考慮混凝土收縮徐變的影響。

3.1.3 風(fēng)荷載計(jì)算：依據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T 3360-01-2018 知

ρ 取值為1.25kg/m3；GV取值為1.1778（通過內(nèi)插法求得）；kf取值為1.0；kt取值為1.0；kh取值為1.32；U10取值為24.5m/s；CD取值為1.344；An取值為7.53m2/m。

3.2 索塔施工階段靜風(fēng)荷載影響分析

風(fēng)荷載作為活荷載一種，當(dāng)結(jié)構(gòu)體系未閉合前，靜風(fēng)荷載作用會(huì)對橋塔的內(nèi)力和位移產(chǎn)生很大的影響，關(guān)系到索塔的設(shè)計(jì)及索塔合龍后的線形。對成塔后裸塔進(jìn)行風(fēng)荷載分析已有大量研究，施工過程中的分析較少。鑒于索塔施工過程中無斜拉索對索塔的豎向與水平分力，屬于小變形情況，固對橋塔在風(fēng)荷載作用下梁柱效應(yīng)的影響程度進(jìn)行分析。

模型計(jì)算可知，橫橋向靜風(fēng)荷載模型中，索塔施工1、2 節(jié)段后，搭架澆筑了下橫梁，下橫梁很好的將兩索塔連系在了一起，使得兩根索塔下橫梁構(gòu)成一個(gè)受力體系，共同參與受力，結(jié)構(gòu)整體性提高，所以直至索塔施工至20#節(jié)段，高度過高，下橫梁對已澆筑索塔節(jié)段頂端的約束效應(yīng)減小，索塔開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，位于橫撐1 位置處截面外側(cè)，拉應(yīng)力值0.012MPa，而無靜風(fēng)荷載模型在施工至21#節(jié)段時(shí)才出現(xiàn)拉應(yīng)力。施工至25#節(jié)段時(shí)，最大拉應(yīng)力仍在橫撐1 位置處截面外側(cè)，風(fēng)荷載模型最大拉應(yīng)力0.440MPa，比不考慮風(fēng)荷載模型大了0.116MPa；索塔施工26#節(jié)段時(shí)，最大拉應(yīng)力位置變化到橫撐2 位置處截面，施工27#節(jié)段時(shí)，此截面拉應(yīng)力最大值0.562MPa，比不考慮風(fēng)荷載模型大了0.141MPa；施工29#節(jié)段時(shí)，最大拉應(yīng)力移至橫撐3 位置處，30#節(jié)段時(shí)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力2.127MPa，比不考慮風(fēng)荷載模型大了0.072MPa。在關(guān)鍵施工階段中，橫向靜風(fēng)荷載引起的拉應(yīng)力最大增加了35.80%。橫向風(fēng)荷載對施工關(guān)鍵節(jié)段的影響計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 橫向風(fēng)荷載對施工關(guān)鍵節(jié)段的影響

成塔后索塔的最大變形值為29.322mm，而不考慮風(fēng)荷載模型變形值為14.961mm，位移值增大了95.98%。

順橋向靜風(fēng)荷載模型中，索塔施工至20 節(jié)段時(shí)，結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度可以抵抗自重及施工荷載，無拉應(yīng)力出現(xiàn)。直至索塔施工至21#節(jié)段時(shí)，在索塔17 節(jié)段位置截面出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為0.062MPa，順橋向位移為9.5mm，水平橫撐僅對塔柱橫向有支撐作用，順橋向變形只與塔柱自身剛度相關(guān)。隨著橋塔高度的增加，順橋向靜風(fēng)荷載不斷變大，截面最大拉應(yīng)力值隨之增加，直至索塔合龍，最大拉應(yīng)力值為0.436MPa，順橋向最大位移為16.9mm。但順橋向無風(fēng)荷載作用時(shí)，施工荷載及自重沒有沿順橋向分力，固不會(huì)產(chǎn)生順橋向位移和拉應(yīng)力。結(jié)構(gòu)自身剛度足以抵抗順橋向風(fēng)荷載，固不再詳細(xì)列舉順橋向風(fēng)荷載作用下應(yīng)力及位移數(shù)據(jù)。

3.3 索塔施工階段梁柱效應(yīng)影響分析

索塔施工階段，索塔橫橋向因自重及爬模荷載豎直和橫橋向水平分力及作用，構(gòu)件處于彎壓狀態(tài)，加之橫向靜風(fēng)荷載的作用組合下構(gòu)件處于最不利狀態(tài)，構(gòu)件的變形呈現(xiàn)非線性特性。在自重及爬模橫橋向分力和橫橋向靜風(fēng)荷載作用下橫向撓度會(huì)引起附加彎矩，加劇結(jié)構(gòu)的變形。因此，探究索塔施工階段自重、爬模及風(fēng)荷載作用下的梁柱效應(yīng)的影響程度。

由計(jì)算結(jié)果可知，拉應(yīng)力最大差值僅0.007MPa，最大變化量只有1.55%；壓應(yīng)力最大差值0.012MPa，最大變化量0.11%；橫橋向位移最大值差值0.392mm，最大變化量0.23%。梁柱效應(yīng)對結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力的影響詳見表4。

表4 梁柱效應(yīng)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的影響

由此可知，對于箱型截面的混凝土索塔，其具有較高的抗彎剛度，在風(fēng)荷載較小及塔柱傾斜角度較小是，在自重、施工荷載及風(fēng)荷載組合作用下梁柱效應(yīng)對截面的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力及位移影響較小。

4 結(jié)論

①預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面索塔隨著施工階段的進(jìn)行，因水平橫撐的作用，索塔截面最大拉應(yīng)力的位置也不斷變化。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在水平橫撐位置處截面，需對此范圍內(nèi)進(jìn)行加固，防止混凝土開裂。②預(yù)應(yīng)力混凝土索塔施工過程中，風(fēng)荷載的影響對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移有很大的影響，橫撐位置及頂推的力的設(shè)置要考慮風(fēng)荷載的影響，確保截面最大拉應(yīng)力不超過混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，最終索塔的變形滿足規(guī)范規(guī)定限值。③塔柱傾斜角度較小時(shí)，對混凝土索塔施工階段受力分析可忽略梁柱效應(yīng)的影響。