鉆石形斜拉橋主塔的施工橫撐設計

段瑞芳 陳芮 楊欣

(1.陜西通宇公路研究所，陜西西安 710064;2.西安公路研究院，陜西西安 710054;3.陜西省公路勘察設計院，陜西西安 710068)

0 引言

斜拉橋鉆石形主塔中塔柱傾斜向上而且存在很大的斜率，中塔柱在大斜率狀態下由自重和施工荷載等產生的水平分力在中塔柱根部形成較大的彎矩，使中塔柱根部外側混凝土出現較大的拉應力而引起開裂，且成塔后中塔柱內側壓應力嚴重超出設計要求，從而影響索塔使用壽命。因而需在施工過程中設置一定的支撐來減少水平分力的影響，使施工附加應力控制在設計允許范圍內［1］。

為消除傾斜塔柱根部混凝土的不良應力狀態，需在施工過程中，在兩塔肢間設置一定數量的水平橫向支撐來減少水平分力的影響，使施工附加應力控制在設計允許范圍內。早期普遍采用的方法是在兩塔肢間設置被動力橫撐，即在中塔柱施工到一定高度后，在兩塔肢間設置橫撐，與塔柱臨時固結，被動消除后續施工對中塔柱根部的不利影響。但這種方式并不能完全消除橫撐設置前施工產生的不利影響，因此在成塔水平橫撐解除后，中塔柱根部的殘余應力仍然很大。為避免這一不利情況，采用主動橫撐的方式效果較好，即在中塔柱施工到一定階段，通過橫向支撐施加主動水平力來抵消由于中塔柱傾斜產生的水平分力，使中塔柱根部外側混凝土的拉應力小于設計允許值，以避免根部混凝土產生較大的殘余應力甚至裂縫［2］。

而本文以某斜拉橋的鉆石形橋塔為研究對象，通過有限元分析了下、中塔柱的根部應力，設計了中塔柱橫撐的位置和頂推力，為這一類鉆石形橋塔的橫撐設計提出了一種思路。

1 施工橫撐的設計思路

主塔的大斜率在懸臂狀態下由自重和施工荷載等在塔柱根部形成較大的偏心彎矩，設置一定數量的水平支撐，并施加主動支撐力來盡量減少水平分力的影響，使施工階段的附加應力控制在允許范圍內，是一種有效的施工控制措施。主動橫撐的設計包括橫撐位置、主動力和橫撐結構的選定。由于塔柱根部截面應力控制是整個塔柱施工方案設計中的控制關鍵，應根據塔柱根部在懸臂澆筑過程中自重、溫度、收縮徐變、支撐主動力、施工荷載作用下，應力剛好滿足要求的最大懸臂高度再扣除一定的高度(主要考慮爬模工作空間并結合塔吊和電梯附墻位置)來確定橫撐位置［3］。

在下塔柱施工過程中，最不利截面為下塔柱的根部，下橫梁施工完成后，中塔柱施工采用主動橫撐的方法以保證中塔柱根部外側混凝土的拉應力小于設計允許值，避免根部混凝土產生較大的殘余應力甚至裂縫。本文按施工單位提供的橫撐方案，通過優化橫撐頂推力，以保證中塔柱根部控制截面的拉應力小于1 MPa，從而確保施工過程中塔柱的安全。

2 工程應用

鉆石形斜拉橋主塔，塔高度較大，混凝土數量多，施工難度較大，通常采用爬模施工，橫梁采用支架法施工(見圖1)。

1)計算參數。塔柱材料為C50混凝土，其彈性模量和容重為E=3.45 ×104，γc=26 kN/m3;橫撐鋼管:壁厚 10 mm，直徑為800 mm。

2)作用荷載。a.塔柱在其自重下作用。b.計入重力二階效應分析。

3)計算模型。有限元模型采用梁單元建模，模型共分為64個節點，69個單元。分析塔柱的施工過程，共分為22個施工階段:第1個施工階段為下塔柱翻模施工，對應塔柱1節段～4節段;第2個施工階段為下橫梁的施工，對應塔柱5節段以及下橫梁;第3～15施工階段為對應塔柱的6節段～18節段爬模施工;第16階段為中橫梁的施工;第17～19階段為塔柱19節段～21節段的施工;第20階段為上橫梁施工;第21階段為22節段的施工。

計算模型如圖2所示，邊界條件約束支架底部全部為6個自由度。塔柱模型如圖3所示。

3 計算內容

3.1 塔柱應力驗算

3.1.1 下塔柱施工階段分析

下塔柱施工于最大懸臂工況時，在塔柱根部處產生最大拉應力，最大拉應力值為0.38 MPa(實體單元算得最大主拉應力為0.25 MPa)。

在后續橋塔施工過程中，下塔柱塔底截面拉應力的變化見圖4，可見在主塔施工過程中下塔柱根部截面拉應力小于1 MPa(C50混凝土的抗拉設計強度ftk=2.47 MPa)，其根部截面應力不會超限，該截面并非塔柱施工過程中的應力控制截面。

3.1.2 中塔柱施工階段分析

在無橫撐支撐條件下，上塔柱施工至18號節段時，在中塔柱根部處產生最大拉應力，最大拉應力值為9.03 MPa(實體單元算得最大主拉應力為8.22 MPa)。

在橋塔施工全過程中，中塔柱塔底截面拉應力見圖5，在中塔柱至12號塊后，中塔柱塔底截面拉應力均大于C50混凝土的抗拉強度(ftk=2.47 MPa)，可見中塔柱根部截面在塔柱施工過程中應重點監控，并且需要在中塔柱施工過程中增加橫向臨時支撐去保證中塔柱根部截面應力不超過抗拉強度的限值。

3.2 中塔柱施工的橫撐頂推力設置

為了保證施工過程中塔柱的安全，在距離下橫梁頂部17 m及33 m處共設置兩道鋼管橫撐，通過施加水平力來限制中塔柱根部的拉應力。結合已有經驗，以保證中塔柱根部截面拉應力不高于1 MPa為目標，來設計橫撐的頂推力。

隨著中塔柱的伸長，根部拉應力逐漸增加。當中塔柱施工至12號塊時，中塔柱根部驗算截面的拉應力為1.41 MPa，因此在爬模施工至12號節段時，應在預定下橫撐的位置施加400 kN的頂推力，以保證中塔柱根部外側混凝土的拉應力小于設計允許值，進一步的，后續各施工階段中上、下橫撐應逐漸調整頂推力，以保證結構應力安全(見圖6)。

中橫梁施工完后，塔柱形成兩層閉合框架，如果此時不再施加頂推力，在上塔柱剩余施工階段的過程中，中塔柱根部驗算截面拉應力均小于1 MPa。

中塔柱及上塔柱各施工階段所需的橫撐頂推力及應力對照情況見表1。

表1 中塔柱及上塔柱施工過程中頂推力的設計表

表1中:壓應力為負值，拉應力為正值，施加橫撐頂推后，塔柱施工過程中，中塔柱各截面最大拉應力都控制在1 MPa以下，如圖7～圖9所示(拉應力為正，壓應力為負)。

4 結語

結合施工方案，對塔柱施工過程的安全和線性變換展開計算分析。采用主動橫撐的方式，即在中塔柱施工到一定階段，通過橫向支撐施加水平力的方式調整塔上應力和位移，以保證施工過程最不利截面(中塔柱根部)外側拉應力小于設計值;并通過計算在施加外頂力后塔柱的位移情況，為施工過程設置塔柱預偏提供參考，以保證塔柱的成塔線型。

具體結論如下:

1)下塔柱在施工的過程中，根部截面應力最大拉應力為0.38 MPa，不會超限。2)中塔柱施工過程中，根部截面應力最大拉應力達9 MPa，已經超限，需要采用輔助措施來保證施工過程的塔柱安全。3)根據塔柱施工方案，對橫撐支撐力進行優化，給出一組頂推力建議值。該組建議值可使整個施工過程塔柱拉應力控制在1 MPa內。

［1］ 焉學永，張念來，歐陽鋼，等.安慶長江大橋索塔中塔柱施工技術［J］.中外公路，2004(6):65-68.

［2］ 侯彥明，高敏杰，王宏暢.灌河斜拉橋索塔中塔柱主動橫撐結構的優化設計［J］.公路交通技術，2009(1):57-60.

［3］ 許佳平.武漢市金橋大道快速通道斜拉橋主塔施工研究［J］.交通科技，2011(3):10-13.

［4］ 余定軍，王吉英.斜拉橋鉆石形主塔下橫梁與塔柱異步施工技術［J］.公路，2010(11):7-11.