外傾式矮塔斜拉橋上塔柱施工技術(shù)

董陽(yáng)陽(yáng)

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

斜向雙索面PC 矮塔斜拉橋是近年來(lái)新興的一種斜拉橋形式。由于上塔柱向外傾斜，成橋之后，外傾式上塔柱的重力向外的分力完全依靠斜拉索拉應(yīng)力向內(nèi)的分力進(jìn)行穩(wěn)定，促使上塔柱最終處于平衡狀態(tài)，根部不至于產(chǎn)生拉應(yīng)力[1-2]。但是在上塔柱施工過(guò)程中，斜拉索并未安裝，上塔柱的重力以及施工荷載等向外的分力導(dǎo)致上塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之后，可能引起混凝土開(kāi)裂，從而影響工程質(zhì)量。為了減小施工過(guò)程中不平衡力的影響，就必須考慮在施工階段采取臨時(shí)支撐措施避免混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，防止混凝土開(kāi)裂。

1 工程概況

丞相河特大橋主橋采用雙塔雙索面PC 矮塔斜拉橋現(xiàn)澆箱梁設(shè)計(jì)，共兩聯(lián)，每聯(lián)孔跨布置為：（87+160+87）m。主塔外立面呈Y 形，其中上塔柱（橋面標(biāo)高以上部分）高24.8m；主塔橫向分左右兩肢，依靠上、下橫梁連接，并于橋面以下約29m處向上外傾斜，與豎直方向成22°夾角；塔頂每肢橫向?qū)挾葹?.5m，縱橋向?qū)?m，采用C55 實(shí)心混凝土結(jié)構(gòu)。上塔柱有索區(qū)斜拉索的豎向間距為1.5m，采用分絲管轉(zhuǎn)向鞍通過(guò)主塔，共設(shè)置索鞍64 套，斜拉索64 道，每座主橋斜拉索共有8道，其中前六道每道由61 根鋼絞線組成，其余兩道每道由73 根鋼絞線組成。梁面位置錨固點(diǎn)設(shè)置在兩側(cè)防撞護(hù)欄外側(cè)，通過(guò)預(yù)埋索導(dǎo)管進(jìn)行固定。

2 上塔柱施工總體部署

上塔柱分為無(wú)索區(qū)和有索區(qū)，全部采用翻模施工工藝，每節(jié)模板高度為1.5m，每次施工澆筑高度為3m。有索區(qū)施工時(shí)將原模板進(jìn)行局部改造，以滿足有索區(qū)施工的要求[3]。

施工時(shí)采取在梁面中心頂標(biāo)高+8.5m 和+17m 兩處分別設(shè)置兩道橫向臨時(shí)支撐，同時(shí)防止塔柱發(fā)生扭曲變形，每道臨時(shí)拉索在靠近大小里程面處各設(shè)置一個(gè)支撐點(diǎn)，上塔柱施工過(guò)程中通過(guò)預(yù)埋件與塔柱內(nèi)的鋼筋骨架焊接，臨時(shí)支撐區(qū)模板拆除之后，穿入鋼絞線經(jīng)千斤頂對(duì)塔柱施加一定的水平力達(dá)到臨時(shí)支撐的目的?？傮w部署如圖1所示。

圖1 上塔柱施工布置（單位：mm）

要求在有索區(qū)梁段施工之前，上塔柱必須全部施工完成，并依靠橫向臨時(shí)拉索進(jìn)行支撐[4]。上塔柱施工過(guò)程中在上塔柱根部預(yù)埋測(cè)力元件，監(jiān)測(cè)上塔柱不同施工階段根部的受力情況，以便對(duì)上塔柱臨時(shí)支撐體系的支撐力進(jìn)行調(diào)整。后期根據(jù)根部拉應(yīng)力的監(jiān)測(cè)情況以及模型分析，二者相互對(duì)比逐一拆除上塔柱臨時(shí)拉索。所有斜拉索安裝完成后，上塔柱完全依靠斜拉索進(jìn)行平衡。

3 臨時(shí)支撐的確定

混凝土是一種受壓材料，但是在承受拉應(yīng)力時(shí)極易產(chǎn)生開(kāi)裂而破壞。丞相河上塔柱設(shè)計(jì)為C55 混凝土，其軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.96MPa，也就是說(shuō)無(wú)論在何時(shí)上塔柱根部產(chǎn)生的拉應(yīng)力不得超過(guò)1.96MPa，故上塔柱受力分析時(shí)，應(yīng)以1.96MPa為界限進(jìn)行受力控制。

上塔柱根部混凝土截面應(yīng)力控制是整個(gè)上塔柱施工控制的關(guān)鍵，臨時(shí)支撐位置的設(shè)計(jì)、支撐力大小的確定和施加支撐力值的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、支撐材料的選取尤為重要。橫向支撐位置的設(shè)計(jì)是根據(jù)上塔柱在懸臂澆筑過(guò)程中根部在自重和施工荷載等的作用下不產(chǎn)生拉應(yīng)力或產(chǎn)生的拉應(yīng)力不至于引起混凝土開(kāi)裂為原則（應(yīng)留有一定的安全儲(chǔ)備），并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況確定上塔柱臨時(shí)拉索的位置。

3.1 臨時(shí)支撐力的計(jì)算和施加力的時(shí)間

3.1.1 第一道臨時(shí)支撐的設(shè)置

通過(guò)建立有限元模型受力分析和力學(xué)計(jì)算得出橋面以上第四節(jié)段混凝土施工完成后（橋面中心標(biāo)高+11.392m），不做任何臨時(shí)支撐的情況下，上塔柱受重力和施工荷載的影響，在上塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，其力大小為1.6MPa，模型結(jié)果如圖2所示，第四節(jié)頂處位移fx= 2.4mm,fy= -2.7mm，而允許最大拉應(yīng)力為1.96MPa。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，計(jì)劃第四節(jié)混凝土施工完成后第五節(jié)混凝土施工之前在第四節(jié)安裝橫向水平支撐體系（支撐體系距橋梁中心高度為8.5m）。

圖2 上塔柱1～4節(jié)段模型計(jì)算

第一道臨時(shí)支撐第一次施加支撐力為每個(gè)支撐點(diǎn)承受支撐力30t，合計(jì)支撐力為60t。通過(guò)計(jì)算可知，施加第一次支撐力60t 后塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)拉應(yīng)力和變形值明顯減小，通過(guò)模型得知，根部?jī)?nèi)側(cè)截面位置處的拉應(yīng)力由施加拉應(yīng)力前的1.6MPa 減小至0.3MPa，結(jié)構(gòu)變形值減小為：fx= 1.1mm,fy= -2.3mm。

第五節(jié)段混凝土施工完畢之后，由于上塔柱自重和懸臂長(zhǎng)度均增加，導(dǎo)致在塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)產(chǎn)生的拉應(yīng)力相應(yīng)增加，塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)截面位置處的拉應(yīng)力變?yōu)?.2MPa，結(jié)構(gòu)變形值為：fx= 2.0mm,fy= -1.3mm。

因此，在第五節(jié)混凝土施工完成后第六節(jié)段施工之前對(duì)第一道臨時(shí)支撐施加第二次支撐力。通過(guò)模型計(jì)算第二次支撐力為每個(gè)支撐點(diǎn)施加30t，合計(jì)共施加60t，此時(shí)第一道臨時(shí)拉索前后共施加兩次支撐力共計(jì)120t。支撐力施加完成后，通過(guò)模型計(jì)算第二次支撐力施加后前五段塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)截面的拉應(yīng)力為0.2MPa，結(jié)構(gòu)變形值為：fx= 0.3mm,fy= -0.6mm。

3.1.2 第二道臨時(shí)支撐的設(shè)置

通過(guò)有限元模型計(jì)算，第七節(jié)段施工完成后，上塔柱根部截面處的拉應(yīng)力為2.5MPa，模型結(jié)果如圖3所示，結(jié)構(gòu)變形值為fx= 6.1mm,fy= -2.9mm，超過(guò)了該塔柱混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.96MPa。故應(yīng)在第七節(jié)段施工時(shí)增加臨時(shí)支撐力，以減小上塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)的拉應(yīng)力，防止混凝土開(kāi)裂。通過(guò)有限元模型分析采取對(duì)塔柱設(shè)置第二道臨時(shí)支撐，其距離橋梁中心高度17m處，支撐力施加依然分兩次進(jìn)行，第一次每個(gè)支撐點(diǎn)臨時(shí)拉索施加30t，兩束合計(jì)支撐60t。

圖3 上塔柱1～7節(jié)段模型計(jì)算

通過(guò)模型分析得出，第二道臨時(shí)支撐第一次施加支撐力之后，上塔柱前七節(jié)根部?jī)?nèi)側(cè)拉應(yīng)力為0.1MPa，結(jié)構(gòu)變形值為：fx= -2.1mm,fy= 0.3mm。滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

第八節(jié)段施工完成后塔柱根部截面內(nèi)側(cè)位置處的拉應(yīng)力為1.6MPa，結(jié)構(gòu)變形值為：fx= 7.8mm,fy=-3.7mm。

因此，在塔柱第八節(jié)段施工完成后第九節(jié)段施工之前對(duì)第二道臨時(shí)支撐施加第二次支撐力。第二次支撐力對(duì)每個(gè)支撐點(diǎn)施加30t，合計(jì)60t 的力。計(jì)算可知，第二道臨時(shí)支撐施加第二次支撐力后上塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)拉應(yīng)力為0.4MPa，結(jié)構(gòu)變形值為：fx= 3.0mm,fy=-1.7mm。滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

第九節(jié)段施工完成既上塔柱全部施工完成后，根部拉應(yīng)力為1.4MPa，模型結(jié)果如圖4 所示，fx=6.6mm, fy= -3.1mm。滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

通過(guò)以上分析可知上塔柱施工過(guò)程中，需要分階段在不同荷載工況下對(duì)兩道臨時(shí)拉索施加臨時(shí)支撐力，平衡上塔柱在自重和其他荷載作用下產(chǎn)生的向外的分力，從而減小上塔柱根部的拉應(yīng)力，防止混凝土因承受拉應(yīng)力而導(dǎo)致開(kāi)裂。通過(guò)施加臨時(shí)支撐力，可保證上塔柱的施工質(zhì)量和施工安全。

3.2 臨時(shí)支撐位置的設(shè)置

由圖4 有限元模型計(jì)算結(jié)果可以看出，上塔柱1～4節(jié)段澆筑施工完成以后（橋梁中心標(biāo)高+11.392m），上塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)拉應(yīng)力為1.6MPa，而上塔柱混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.96MPa，考慮一定的安全儲(chǔ)備并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際翻模施工節(jié)段等情況，計(jì)劃在橋梁中心+8.5m處設(shè)置第一道臨時(shí)拉索。

圖4 上塔柱1～9節(jié)段模型計(jì)算

第一道臨時(shí)拉索施加拉應(yīng)力至最終設(shè)計(jì)值，且第七節(jié)段施工完成后（橋梁中心標(biāo)高頂+20.058m），上塔柱根部拉應(yīng)力為2.5MPa，故計(jì)劃在橋梁中心標(biāo)高+17m處設(shè)置第二道臨時(shí)拉索，以平衡上塔柱向外的分力，減小上塔柱根部的拉應(yīng)力，防止混凝土因拉應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生開(kāi)裂。

第二道臨時(shí)拉索施加拉應(yīng)力至最終設(shè)計(jì)值，且第九節(jié)段施工完成后既上塔柱施工完成后（橋梁中心標(biāo)高頂+25m），上塔柱根部拉應(yīng)力為1.4MPa，小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

綜上所述，上塔柱施工共設(shè)置兩道橫向支撐形成上塔柱施工的臨時(shí)支撐體系，平衡外傾式上塔柱的重力和施工荷載共同作用下向外的分力，減小上塔柱根部的拉應(yīng)力，防止混凝土在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生開(kāi)裂。

3.3 臨時(shí)支撐材料的選取

丞相河特大橋上塔柱外立面整體向外傾斜，重力和施工荷載向外的分力是對(duì)上塔柱根部受力情況最大的影響，所以臨時(shí)支撐只需要能夠抵抗向外的力即可，故選擇一種能夠承受拉應(yīng)力，且方便施工的材料。因此采用預(yù)應(yīng)力體系中最常見(jiàn)的鋼絞線作為臨時(shí)支撐材料，對(duì)塔柱左右肢進(jìn)行水平對(duì)拉，在不同的施工節(jié)段使用千斤頂對(duì)鋼絞線施加應(yīng)力即可滿足設(shè)置水平橫向支撐的要求。

經(jīng)建立的模型對(duì)上塔柱臨時(shí)支撐力計(jì)算，兩道臨時(shí)拉索各承受120t 的拉應(yīng)力，既每道臨時(shí)拉索的每個(gè)受力點(diǎn)各承受60t的力。而?15.24mm鋼鉸線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fpk= 1860MPa，所以單根鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)抗拉力T= 1860 × 139 = 258540N ≈ 26t。為方便臨時(shí)支撐的安拆和支撐力的調(diào)整，控制每根鋼絞線的最大承載力不得超過(guò)15t，故每個(gè)受力點(diǎn)設(shè)置5 根?15.24mm 鋼絞線，則每根鋼絞線的控制張拉力為δK= 0.462fpk=858.46MPa。

故每個(gè)受力點(diǎn)采用5 根?15.24mm 鋼絞線，穿入?內(nèi)=55mm的波紋管內(nèi)對(duì)左右塔柱進(jìn)行對(duì)拉。

4 結(jié)語(yǔ)

斜向雙索面PC 矮塔斜拉橋上塔柱施工過(guò)程中，隨著施工高度的增加，自重和懸臂長(zhǎng)度的加大，重力和施工荷載產(chǎn)生的彎矩引起上塔柱根部?jī)?nèi)側(cè)的拉應(yīng)力和位移也在增大，通過(guò)模型驗(yàn)算得出上塔柱施工過(guò)程中共增設(shè)兩道臨時(shí)拉索，每道拉索都分兩次張拉施加力，每次張拉力為60t，每道拉索均設(shè)置兩個(gè)支撐點(diǎn)以平衡施工中的荷載，才能保證上塔柱施工過(guò)程中的安全和質(zhì)量。