超高混凝土索塔水平橫撐設(shè)計(jì)及施工過程計(jì)算分析

關(guān)鍵詞：超高混凝土橋塔；水平橫撐；主動(dòng)橫撐力；全截面受壓；成塔效果中圖分類號：U448.25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.029文章編號：1673-4874（2025）03-0101-04

0 引言

懸索橋因其結(jié)構(gòu)跨越能力強(qiáng)、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)輕盈、材料利用率高、經(jīng)濟(jì)性及抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)在高原山區(qū)、公路市政、跨?？缃髽蛑械玫綇V泛應(yīng)用。懸索橋索塔結(jié)構(gòu)有H形、獨(dú)柱形、人字形、門字形等多種樣式，且其索塔塔柱通常呈現(xiàn)內(nèi)傾狀。索塔在施工過程中，在結(jié)構(gòu)自重、支架及模板等各種施工荷載作用下，隨著塔柱施工高度的增加，塔柱線形呈現(xiàn)變形增大而導(dǎo)致整體線形控制困難，塔柱外側(cè)應(yīng)力通常壓應(yīng)力減小甚至逐漸出現(xiàn)拉應(yīng)力而導(dǎo)致索塔結(jié)構(gòu)面臨開裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了改善塔柱受力，在索塔施工過程中通常會(huì)在塔柱之間設(shè)置多道水平橫撐，從而優(yōu)化塔柱在施工過程中的變形和受力狀態(tài)。

目前國內(nèi)學(xué)者針對索塔水平橫撐開展了較多方面的研究。賀玖龍[1針對斜拉橋異形索塔線形及內(nèi)力的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，對異形索塔的3道水平臨時(shí)橫撐的作用效果進(jìn)行研究，提出了水平橫撐影響索塔施工控制的關(guān)鍵參數(shù)。方哲形等2以雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋一一舟岱跨海大橋鉆石形橋塔為依托，對其異形索塔臨時(shí)橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并分析了臨時(shí)橫撐安裝后索塔受力性能的改善情況。吳朝明3針對花江峽谷大橋索塔的主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)及受力進(jìn)行了系統(tǒng)研究和分析。李毅4以某雙向傾斜橋塔為背景，開展了主動(dòng)橫撐設(shè)置方案、拆除時(shí)機(jī)及工藝的全面研究，提出了主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)原則、橫撐施工及拆除時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的要點(diǎn)。嚴(yán)謹(jǐn)為研究主動(dòng)橫撐的施工控制關(guān)鍵因素，以某獨(dú)塔斜拉橋主塔為依托，對主動(dòng)橫撐的結(jié)構(gòu)布置及橫撐力進(jìn)行了細(xì)致地分析比選，提出了一套橫撐設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，有效控制了施工過程中主塔結(jié)構(gòu)的受力。馬文榮等以某斜拉橋A形橋塔為對象，通過施工階段有限元模型分析和比選了主動(dòng)橫撐的設(shè)置高程及頂撐力，優(yōu)化后的主動(dòng)橫撐方案在確保塔柱受力安全的同時(shí)有效降低了施工成本。賽志毅等基于懸索橋內(nèi)傾式橋塔分別采用實(shí)體單元、桿系梁單元對主動(dòng)橫撐進(jìn)行仿真模擬，提出了實(shí)體單元和桿系梁單元的計(jì)算誤差及其各自的適用范圍，為橫撐結(jié)構(gòu)的仿真分析提供了有效的參考。當(dāng)前針對索塔水平橫撐的研究大多傾向于常規(guī)性結(jié)構(gòu)和異形結(jié)構(gòu)橋塔，主要圍繞橫撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法、設(shè)計(jì)參數(shù)等方面，而對于超高混凝土索塔水平橫撐的施工技術(shù)及計(jì)算分析相對缺乏。因此，本文以某懸索橋超高混凝土索塔為工程對象，研究其水平橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置，對其主動(dòng)橫撐力的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化分析，對該方案下施工全過程的索塔、水平橫撐及成塔效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，形成了一套超高混凝土索塔水平橫撐施工關(guān)鍵技術(shù)，以期為后續(xù)同類型超高索塔結(jié)構(gòu)的施工提供一定的參考和依據(jù)。

1工程概況

某懸索橋?yàn)槭澜缟献畲蟾叨鹊目绾４髽颍瑯蛎婢嚯x海面高度為 92m ，采用雙塔三跨鋼箱梁懸索橋結(jié)構(gòu)。其索塔為門式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總高度為 270m ，索塔塔柱及橫梁均采用C55混凝土，塔柱之間設(shè)置下、中、上共3道橫梁，塔柱分為塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱，高度分別為 7.5m，113m，70.5m，79m， 索塔共劃分為48個(gè)節(jié)段（不含塔冠）。索塔結(jié)構(gòu)布置及節(jié)段劃分如圖1所示。

索塔上中下塔柱斷面均為八邊形結(jié)構(gòu)，下塔柱斷面尺寸從下向上由 16m×13.5m×5m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度方向）漸變至12 m×8.5m×2.5m ，中上塔柱斷面尺寸從下向上由 12m×8.5m×2.5m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度方向）漸變至1 2m×7.5m×1.6m ，上橫梁采用帶凹槽的矩形截面，根部斷面尺寸為 12m×10.4m （寬 × 高），跨中斷面尺寸為8. ，端部及跨中的挖斷面分別為 5.7m×6.6m.5.7m×3.7n 寬 × 高），上部凹槽高 1.2m ，厚度為 10.5m. 。中、下橫梁斷面均為矩形截面，中橫梁斷面尺寸從根部到跨中由 12m×13.6m （寬 × 高）漸變到 7.5m×8.5m ，下橫梁斷面尺寸從根部到跨中由 14.7m×16m 寬 × 高）漸變到 10.3m×13m

2索塔水平橫撐設(shè)計(jì)

2.1水平橫撐布置原則

索塔水平橫撐根據(jù)其受力特征分為被動(dòng)橫撐和主動(dòng)橫撐，其中被動(dòng)橫撐通常適用于中低高度、塔柱傾角較小的索塔，主動(dòng)橫撐適用于各種高度和各種塔柱傾角的索塔。因此，此處針對超高混凝土索塔采用主動(dòng)水平橫撐結(jié)構(gòu)。主動(dòng)水平橫撐位置布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮以下原則：（1塔柱在各種懸臂施工狀態(tài)下，塔柱根部混凝土截面在各種施工荷載及自重荷載作用下不出現(xiàn)因拉應(yīng)力超標(biāo)而產(chǎn)生裂紋的情況；（2）塔柱在懸臂施工狀態(tài)下塔柱軸線偏位均在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)；（3）主動(dòng)橫撐通常應(yīng)按照剛度大、數(shù)量少、穩(wěn)定性好、同一道橫撐的材料斷面優(yōu)先采用相同型號材料、安裝及拆除便捷的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇。

2.2水平橫撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮該超高混凝土索塔的塔高、塔柱傾斜度、截面剛度及強(qiáng)度、施工臨時(shí)荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等因素，經(jīng)過初步計(jì)算分析，該索塔在施工過程中需設(shè)置5道主動(dòng)水平橫撐，5道主動(dòng)水平橫撐分別設(shè)置在塔柱57.25m、100.00m、154.75m、178.00m、220.00m的高度位置處，如圖2所示。每道水平橫撐均采用2根?1000mm×10m m的鋼管組成，鋼管與混凝土塔柱通過預(yù)埋件進(jìn)行連接，以第1道水平橫撐為例，水平橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

3索塔水平橫撐施工關(guān)鍵參數(shù)研究

3.1水平橫撐施工工序

索塔塔柱總體采用智能液壓爬模法進(jìn)行施工，下橫梁采用支架法滯后于塔柱節(jié)段進(jìn)行施工，中、上橫梁采用桁片托架法施工。水平橫撐最長為42.9m，分成2個(gè)節(jié)段運(yùn)輸至現(xiàn)場后在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，然后將拼裝好的水平橫撐用塔吊吊裝至設(shè)計(jì)位置，然后安裝2臺(tái)千斤頂，對水平橫撐進(jìn)行頂推施工；當(dāng)每道水平橫撐的橫撐力頂推至設(shè)計(jì)值后，對水平橫撐進(jìn)行焊接鎖定和固定，最后卸下千斤頂，完成水平橫撐的安裝。索塔各道主動(dòng)水平橫撐的具體施工工序如表1所示。

3.2施工階段有限元模型

根據(jù)索塔施工各塔柱節(jié)段、水平橫撐的施工工序及索塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，采用有限元仿真軟件對索塔施工過程進(jìn)行詳細(xì)模擬分析，建立索塔施工階段有限元模型如圖4所示。索塔塔柱、橫梁、支架均采用梁單元模擬，水平橫撐采用桁架單元模擬，塔柱與水平橫撐之間的連接采用剛性連接進(jìn)行模擬。

利用索塔施工階段有限元模型，基于塔柱受力性能最優(yōu)、塔柱施工過程中線形及成塔線形平順及縱橫向軸偏最小的原則對5道主動(dòng)水平橫撐的橫撐力進(jìn)行綜合比選分析，得出各道水平橫撐的主動(dòng)橫撐力如表2所示。

3.3橫撐力計(jì)算分析

4.1水平橫撐施工過程受力分析

4水平橫撐施工過程計(jì)算分析

水平橫撐安裝后，橫撐力會(huì)隨著索塔施工過程而不斷變化。通過索塔施工階段有限元模型，分別對5道水平橫撐的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，得出各道水平橫撐的橫撐內(nèi)力隨施工過程的變化分別如圖5至圖9所示。

由圖5至圖9的計(jì)算結(jié)果可知：

（1）該索塔的5道水平橫撐在索塔施工過程中內(nèi)力始終為負(fù)值，表明水平橫撐在施工階段是始終處于受壓狀態(tài)。

（2）第1道水平橫撐在施工全過程中最大內(nèi)力為-3093.0kN ，出現(xiàn)在工況28（塔柱25節(jié)段施工）階段；第2道水平橫撐在整個(gè)施工過程中最大內(nèi)力為 -4520.01kN 出現(xiàn)在工況39（塔柱25節(jié)段施工）階段；第3道水平橫撐在整個(gè)施工過程中最大內(nèi)力為-8163.7KN，出現(xiàn)在工況69（中、上橫梁剩余預(yù)應(yīng)力張拉）階段；第4道水平橫撐在整個(gè)施工過程中最大內(nèi)力為-8115.5KN，出現(xiàn)在工況69（中、上橫梁剩余預(yù)應(yīng)力張拉）階段；第5道水平橫撐在整個(gè)施工過程中最大內(nèi)力為-1756.6KN，出現(xiàn)在工況62（拆除中橫梁支架）階段。

（3）水平橫撐施工過程中最大壓應(yīng)力為 -82.9MPa 因此，水平橫撐在施工過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4.2 成塔效果分析

超高混凝土索塔采用5道主動(dòng)水平橫撐并施加相應(yīng)的主動(dòng)橫撐力。施工完成后，塔柱的應(yīng)力如圖10所示，塔柱的橫向變形如圖11所示。