單索面獨(dú)斜塔斜拉橋橋塔施工關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)影響研究

佟志峰， 熊雷， 劉小奇， 曹鴻猷*

(1.中交第四公路工程局有限公司， 北京市 100022； 2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

相較于普通斜拉橋，獨(dú)斜塔斜拉橋不僅具有結(jié)構(gòu)輕盈、線形流暢的特點(diǎn)，而且傾斜的橋塔更給人們帶來不對(duì)稱的美感和強(qiáng)大的視覺沖擊力[1]。

然而，相較于直塔斜拉橋，斜塔由于塔身的傾斜，自重作用會(huì)對(duì)橋塔的根部產(chǎn)生較大的彎矩，從而對(duì)施工過程中臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)提出了更高技術(shù)要求[2-3]。目前已建成的多座斜塔斜拉橋，如中山市板芙二橋[4]采用支架和懸臂澆筑施工技術(shù)；哈爾濱太陽橋[5]采用斜塔吊裝技術(shù)；合肥市銅陵路斜拉橋[6]采用懸臂內(nèi)拉法，其優(yōu)點(diǎn)是能在滿足施工安全前提下降低施工成本；沈陽市富民橋[7]采用體內(nèi)勁性支架施工法，其特點(diǎn)是主梁與斜塔采取同步懸臂施工；南京市世紀(jì)塔[8]采用自平衡施工技術(shù)；新密市溱水路大橋[9]斜塔采用滿堂支架及預(yù)埋鋼板斜拉帶法施工。

斜拉橋?yàn)槎啻纬o定結(jié)構(gòu)，其施工工期長，主梁及橋塔受力復(fù)雜，影響參數(shù)眾多[10]。其施工方法和安裝過程與成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力有密切關(guān)系，多種因素和結(jié)構(gòu)參數(shù)均可能對(duì)橋塔及主梁施工控制結(jié)果產(chǎn)生重要影響[11]。黃燦[12]對(duì)蘇通長江大橋進(jìn)行了材料彈性模量、重量、塔高及溫度等參數(shù)影響分析，認(rèn)為塔高和溫度是最為敏感的因素；劉旭政等[13]對(duì)獨(dú)塔斜拉橋多種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，認(rèn)為主梁重度值、主梁超方量及拉索索力值對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大。目前獨(dú)斜塔斜拉橋施工研究及參數(shù)影響分析已取得豐碩的成果，然而對(duì)軟弱地基條件下采用背撐支撐施工的獨(dú)斜塔斜拉橋的研究較少。鑒于此，該文以香溪河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析支撐主?dòng)頂推力大小和背撐頂三角撐角度、主梁配重及拉索張拉力等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)橋塔及支撐的影響，識(shí)別出影響空間異形獨(dú)斜塔斜拉橋的施工關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，為以后類似工程的施工設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

興山縣峽口香溪河大橋?yàn)楠?dú)斜塔單索面混合梁斜拉橋，其跨徑布置為(90+238) m，如圖1所示。該橋?yàn)樗汗探Y(jié)體系，其邊跨和主跨分別采用混凝土主梁和鋼箱主梁，鋼-混結(jié)合段設(shè)在主跨側(cè)距橋塔中心線11 m處。邊跨主梁采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，標(biāo)準(zhǔn)梁段高2.98 m，寬22.5 m，主跨主梁為整體鋼箱梁，梁高3 m。橋塔采用“琵琶”形斜向橋塔，塔身順橋向偏離鉛垂面10°，傾向邊跨側(cè)。主塔總高度豎向?yàn)?26 m，塔身采用箱形截面，全橋共68根斜拉索。

圖1 香溪河大橋橋型布置圖(單位：m)

橋塔采用液壓爬模系統(tǒng)逐段現(xiàn)澆施工，無索區(qū)段主塔施工過程中，由于斜塔身自重影響將在塔底產(chǎn)生傾覆力矩和較大的拉應(yīng)力，并隨著塔身的升高，塔柱順橋向的傾覆力矩將進(jìn)一步增加，同時(shí)在斜拉索掛索過程中，水平分力的不對(duì)稱性，加劇了傾覆力矩和拉應(yīng)力的發(fā)展，為避免出現(xiàn)裂縫，無索區(qū)段塔柱施工過程中分階段設(shè)置背向斜撐，采用千斤頂施加主動(dòng)頂推力平衡傾覆力矩。

當(dāng)塔柱施工高度至46、57和77 m時(shí)，施工相應(yīng)高度的橋塔背向支撐并施加頂推力，當(dāng)塔柱施工高度至81 m時(shí)開始主梁懸臂吊裝施工及張拉斜拉索。3道背向支撐與橋塔間通過三角架傳力。每道支撐在橫橋向分左右兩部分對(duì)稱布置，材料均采用Q345鋼材，支撐高度由低至高定義為支撐1、支撐2和支撐3。墩臺(tái)采用端承樁基礎(chǔ)，根據(jù)勘察資料及巖、土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，該橋址表層為軟弱地基土，承載能力較低，因此在橋塔施工過程中背撐所能承受的荷載有限。

該橋?yàn)樗汗探Y(jié)體系，考慮橋塔根部受力較為復(fù)雜和施工的安全性，在施工過程中橋塔的最大拉應(yīng)力不得超過1.5 MPa，支撐鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不超過250 MPa，支撐的地基承載力按340 kPa計(jì)算，鋼主梁應(yīng)力不超過規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力值。

1.2 有限元模型

采用Midas/Civil建立香溪河大橋有限元模型，主梁建模方式采用魚骨梁，主梁、主墩及橋塔采用空間梁單元模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，橋塔處主梁通過剛性連接固結(jié)于塔墩上，混凝土主梁的澆筑支架按僅受壓節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬，樁基采用土彈簧模擬樁土間相互作用，樁基上端點(diǎn)與橋塔間通過鋼臂(彈性連接)連接，下端點(diǎn)與地面固結(jié)來模擬端承樁。全橋模型共有4 459個(gè)節(jié)點(diǎn)、4 909個(gè)梁單元和70個(gè)桁架單元，施工階段按實(shí)際施工過程模擬，模型中滿堂支架采用只受壓彈簧模擬。

圖2為3道背撐的細(xì)部構(gòu)造及設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)斜撐由6根φ800壁厚為10 mm的主管組成，采用φ270壁厚為6.5 mm的小鋼管通過焊接將6根主管聯(lián)結(jié)形成主體。支撐頂部的三角架由雙拼45a的工字鋼焊接而成。

圖2 3道支撐的設(shè)計(jì)參數(shù)(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

由于該橋傾斜的橋塔在施工過程中不僅受自重的影響較大，而且同時(shí)受3道背撐和分批張拉的斜拉索的共同作用，因此橋塔受力較為復(fù)雜。為確保橋塔施工全過程拉、壓應(yīng)力在規(guī)范允許的限值范圍內(nèi)，需對(duì)橋塔施工全過程應(yīng)力進(jìn)行控制。此外，背撐自身的安全性也直接關(guān)系整個(gè)橋塔的施工安全，所以還需控制背撐應(yīng)力在鋼管材料允許范圍內(nèi)。除此之外，基于該橋地質(zhì)條件為軟弱地基層，承載能力較低，為避免由于橋塔背撐作用過大而導(dǎo)致基礎(chǔ)承載能力不足，橋塔背撐最大豎向力也是該橋塔施工的關(guān)鍵控制參數(shù)。

根據(jù)香溪河大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工方式，該文選取對(duì)橋塔應(yīng)力和支撐應(yīng)力及軸力影響較大的支撐主動(dòng)頂推力大小和角度、主梁配重、拉索張拉力為研究參數(shù)。

2.1 頂推力大小對(duì)橋塔應(yīng)力的影響

香溪河大橋橋塔背向支撐通過千斤頂施加主動(dòng)頂推力，主動(dòng)頂推力過大會(huì)導(dǎo)致橋塔邊跨側(cè)拉應(yīng)力較大，對(duì)橋塔產(chǎn)生不利影響；主動(dòng)頂推力過小會(huì)導(dǎo)致其豎向分力很小，不能發(fā)揮支撐對(duì)橋塔的約束作用。

根據(jù)香溪河大橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合支撐特點(diǎn)，原設(shè)計(jì)中3道支撐每側(cè)頂推力分別為4 000、4 800和5 500 kN。分別改變3道支撐主動(dòng)頂推力大小研究其對(duì)橋塔受力的影響，分析結(jié)果如表1所示。

表1 改變各道支撐頂推力時(shí)橋塔施工過程中最大應(yīng)力

由表1可知：隨著支撐1、2、3主動(dòng)頂推力增加，橋塔施工階段最大拉應(yīng)力均逐漸增加，最大壓應(yīng)力均逐漸減小，且變化規(guī)律呈線性變化。

2.2 頂推力大小對(duì)支撐應(yīng)力的影響

表2為不同主動(dòng)頂推力作用下，施工過程中各背撐的最大應(yīng)力值。

表2 改變各道支撐頂推力時(shí)支撐施工過程中最大應(yīng)力

由表2可知：隨著支撐1、2、3主動(dòng)頂推力增加，支撐1、2、3施工階段最大拉應(yīng)力均逐漸增加，最大壓應(yīng)力均逐漸增加。

總體而言，橋塔背向支撐施工過程中最大拉、壓應(yīng)力均隨著支撐主動(dòng)頂推力增加而增大，變化規(guī)律基本呈線性變化。

香溪河大橋背撐采用Q345鋼，根據(jù)上述參數(shù)分析結(jié)果，最終3道支撐主動(dòng)頂推力分別確定為4 000、5 000、5 500 kN時(shí)，所有支撐在施工階段應(yīng)力包絡(luò)結(jié)果如圖3所示。

圖3 支撐施工階段最大壓應(yīng)力包絡(luò)結(jié)果(單位：MPa)

由圖3可知：3道支撐的最大壓應(yīng)力分別為183.76、200.16和233.42 MPa，均小于Q345鋼的容許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

2.3 頂推力大小對(duì)支撐軸力的影響

3道支撐下支點(diǎn)與基礎(chǔ)固結(jié)，支撐軸力過大會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)承受較大荷載。為了研究頂推力大小對(duì)支撐內(nèi)力的影響，采用兩種不同的主動(dòng)頂推力方案進(jìn)行對(duì)比，具體支撐主動(dòng)頂推力大小見表3。分別得到兩種頂推力方案中3道支撐各個(gè)施工階段軸力大小，由于支撐在主梁橫斷面方向?qū)ΨQ布置，故只給出單邊支撐軸力如圖4、5所示。圖中縱坐標(biāo)表示單邊支撐軸力，橫坐標(biāo)表示橋梁施工階段(共83個(gè)施工階段)，下同。

表3 兩種頂推力方案

圖4 頂推方案1各支撐軸力

圖5 頂推方案2各支撐軸力

從圖4、5可以看出：在兩種頂推力方案中，3道支撐軸力大小不同，但其隨施工階段變化趨勢(shì)相同。根據(jù)頂推力方案結(jié)果對(duì)比可知：保持支撐1頂推力不變，在支撐2和支撐3主動(dòng)頂推力分別減小2 500 kN和2 750 kN的情況下，支撐1施工階段最大軸力增加1 340 kN，支撐2和支撐3施工階段最大軸力分別減小593 kN和2 654 kN。

2.4 三角架角度對(duì)橋塔及自身應(yīng)力的影響

圖6為支撐頂部三角架的局部構(gòu)造，在頂升過程中，三角架的角度α決定了支撐對(duì)橋塔作用力的豎向分力及水平分力，該節(jié)討論α對(duì)橋塔及三角架應(yīng)力的影響。保持三角架下面的水平桿不變，通過調(diào)整斜桿上錨點(diǎn)的位置來改變?nèi)羌艿慕嵌取Ｓ捎跇蛩S線變化不大，所以3道支撐頂推力角度對(duì)橋塔及三角架應(yīng)力的影響是相同的，取支撐1計(jì)算結(jié)果為例。結(jié)合工程特點(diǎn)，設(shè)置三角架角度α由42.9°增加至72.9°，研究支撐主動(dòng)頂推力角度對(duì)橋塔應(yīng)力及支撐1應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖6 三角架的局部構(gòu)造

從表4可知：

(1) 隨著三角架角度的增加，橋塔施工階段最大拉應(yīng)力由1.91 MPa逐漸減小到1.66 MPa，最大壓應(yīng)力由10.12 MPa逐漸減小到9.85 MPa，變化規(guī)律基本呈線性變化。

(2) 支撐1施工階段最大拉應(yīng)力由116 MPa減小到95.2 MPa，最大壓應(yīng)力由122.7 MPa減小到99.8 MPa。并且當(dāng)頂推力角度為40°～60°時(shí)，支撐1應(yīng)力減小幅度較明顯，最大拉應(yīng)力減小了17.3 MPa，最大壓應(yīng)力減小了20.0 MPa；當(dāng)頂推力角度為60°～75°時(shí)，角度變化對(duì)支撐1應(yīng)力影響較小，最大拉應(yīng)力減小了3.5 MPa，最大壓應(yīng)力減小了2.9 MPa。

2.5 主梁配重對(duì)支撐軸力的影響

為研究主梁配重對(duì)橋塔背向支撐施工階段軸力的影響，設(shè)置無配重以及配重分別設(shè)置在主跨側(cè)1#～11#鋼箱梁段上的12種配重方案，每個(gè)配重方案對(duì)應(yīng)的加載位置如圖7所示。模型中主梁配重通過均布荷載施加，荷載大小設(shè)置為100 kN/m。在不同配重方案下，讀取施工階段支撐2和支撐3最大軸力。由于支撐在主梁橫斷面方向?qū)ΨQ布置，故只讀取單邊支撐施工階段最大軸力如表5所示。

圖7 主梁配重位置示意圖

表5 不同配重位置下支撐施工階段最大軸力

由表5可知：支撐2施工階段最大軸力隨著梁段配重位置從1#到11#，由11 013.9 kN逐漸減小至10 008.1 kN，當(dāng)配重位置在梁段9#時(shí)，支撐軸力最小，此時(shí)相較于無配重支撐軸力減小了1 005.8 kN；當(dāng)配重位置在梁段10#和11#時(shí)，支撐軸力又逐漸增加至10 054.9 kN；支撐3施工階段最大軸力隨著梁段配重位置從1#到11#，由11 609.5 kN逐漸減小至10 329.3 kN，當(dāng)配重位置在梁段10#時(shí)，支撐軸力最小，此時(shí)相較于無配重支撐軸力減小了1 280.2 kN；當(dāng)配重位置在梁段11#時(shí)，支撐軸力增加至10 403.8 kN。

2.6 拉索張拉力對(duì)支撐內(nèi)力的影響

由于香溪河大橋?yàn)椴粚?duì)稱跨斜塔斜拉橋，支撐內(nèi)力對(duì)施工過程中斜拉索的張拉力極為敏感，因此該節(jié)討論兩種斜拉索施工索力張拉方案對(duì)支撐內(nèi)力的影響。兩種拉索張拉方案中主跨側(cè)拉索拉力保持相同，邊跨側(cè)拉索張拉力不同。建立兩種拉索張拉力方案模型，每個(gè)索力張拉方案的索力值如表6所示，其中索力張拉方案2的索力值為方案1的0.8倍。得到3道支撐每個(gè)施工階段最大軸力如圖8、9所示。

表6 兩種拉索張拉方案索力值 kN

圖8 拉索張拉方案1支撐施工階段軸力

從圖8、9可以看出：兩種拉索張拉力方案中3道支撐軸力隨施工階段變化趨勢(shì)相同，支撐軸力大小不同。在拉索張拉方案1中，支撐1、2、3施工階段軸力最大值分別為8 635、10 998及11 605 kN；在拉索張拉方案2中，支撐1、2、3施工階段軸力最大值分別為7 596、8 312及8 530 kN。方案2中3道支撐施工階段最大軸力比方案1中分別減小了1 039、2 686和3 075 kN，根據(jù)兩種拉索張拉力方案及結(jié)果對(duì)比可知，減小邊跨側(cè)拉索張拉力可有效減小支撐施工階段軸力。

圖9 拉索張拉方案2支撐施工階段軸力

3 結(jié)論

該文結(jié)合興山縣峽口香溪河大橋工程，選取獨(dú)斜塔斜拉橋橋塔施工過程中支撐主動(dòng)頂推力大小和角度、主梁配重及拉索張拉力為結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)施工中橋塔及支撐受力性能進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 隨著背向支撐頂推力增大，橋塔施工階段最大拉、壓應(yīng)力均呈線性增加趨勢(shì)。支撐頂推力大小對(duì)支撐應(yīng)力有較大影響，隨著頂推力增大，支撐施工階段最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)支撐頂推力變化幅度達(dá)600 kN時(shí)，3道支撐最大應(yīng)力增量分別為26.5、18.8和20.3 MPa。支撐主動(dòng)頂推力大小對(duì)支撐軸力有較大影響，在第2道和第3道支撐頂推力減小一半的情況下，支撐施工階段最大軸力分別減小593和2 654 kN。

(2) 隨著支撐主動(dòng)頂推力角度增加，橋塔施工階段最大拉、壓應(yīng)力均呈線性減小趨勢(shì)。支撐主動(dòng)頂推力角度對(duì)支撐應(yīng)力有較大影響，隨著頂推力角度及三角架角度增加，支撐施工階段最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力逐漸減小，且當(dāng)頂推力角度為40°～60°時(shí)，支撐應(yīng)力變化明顯，最大應(yīng)力變幅達(dá)20 MPa；當(dāng)頂推力角度為60°～75°時(shí)，角度變化對(duì)支撐應(yīng)力影響較小，最大應(yīng)力變幅僅3.5 MPa。

(3) 主梁配重對(duì)橋塔背向支撐軸力有較大影響，隨著主跨側(cè)主梁配重位置逐漸遠(yuǎn)離橋塔，支撐施工階段最大軸力先增加后減小。當(dāng)主梁配重設(shè)置在鋼梁段9#時(shí)，支撐2軸力達(dá)到最小為10 008.1 kN，相比無配重方案軸力減小了1 005.8 kN；當(dāng)主梁配重設(shè)置在鋼梁段10#時(shí)，支撐3軸力達(dá)到最小為10 329.3 kN，相比無配重方案軸力減小了1 280.2 kN。

(4) 拉索張拉力對(duì)橋塔背向支撐軸力影響最為顯著，保持主跨側(cè)拉索張拉力不變，減小邊跨側(cè)拉索張拉力可有效減小3道支撐施工階段最大軸力，支撐3軸力減小幅度最為明顯。但在設(shè)計(jì)過程中有必要仔細(xì)比選拉索張拉力，拉力過小會(huì)影響橋塔及主梁線形以及最終成橋狀態(tài)。