桃花峪黃河大橋主塔施工優化計算分析及應用

周小勇、楊梅枝、周童

（1.湖南湘實工程科技有限公司，湖南 長沙 410505；2.湖南雅康和一醫藥有限公司，湖南 長沙 410505）

1 工程概況

武西高速桃花峪黃河大橋是自錨式懸索橋，主橋采用扁平鋼箱梁形式加勁梁，加勁梁采用單箱三室截面形式，主纜采用平面布置在鋼箱梁兩側。

橋梁主塔為門式塔結構，包括上下游兩側塔柱、頂部和底部橫梁、塔底座和塔冠。 橋塔高度為133.56m。塔柱截面采用單箱單室形式，主塔橫橋向呈圓端型，如圖1 所示。

圖1 主塔立面圖

2 施工工藝

根據主塔結構情況，主塔塔柱按每節段6m 采用液壓爬模自帶爬架施工。底部橫梁采用落地支架方案施工，頂部橫梁采用型鋼托架方案施工。施工步驟為：承臺施工—塔底座施工—主塔底實體段施工—液壓爬模安裝—下塔柱分節澆筑—主塔施工至下橫梁以上8m 左右—支架法分兩次施工下橫梁—逐段澆筑塔柱混凝土至塔頂—托架法分兩次澆筑上橫梁—施工塔冠[1]。

3 主塔施工優化計算分析

采用有限元軟件Midas 模擬主塔施工全過程，采用梁單元模擬，在橫梁與塔柱連接處采用釋放梁端約束模擬鉸接，橫撐與橫梁采用彈性連接模擬其支撐作用[2]。

根據計算分析結果確定，考慮施工過程收縮徐變完成時，主塔橫橋向及豎向位移、塔柱施工過程中橫撐及連接系的最大最小軸力，以做后續施工監控過程中的指導性數據，如表1、表2 所示。

表1 考慮施工過程時收縮徐變完成時（成橋10年）主塔橫橋向及豎向位移數據表

表2 塔柱施工過程中橫撐及連接系的最大最小軸力

表1續表

4 主塔施工優化后施工監控

由于以下三種因素：一是主塔基礎存在一定的沉降，二是主塔為鋼筋混凝土結構，存在收縮徐變，三是主纜將通過主索鞍給塔頂傳遞較大的壓力，將使得塔頂標高在成橋后相當長時間內逐漸降低直至趨于穩定[3]。

因此，塔柱施工過程中的監控重點為塔柱下橫梁及塔頂預抬高量的計算，并在塔柱關鍵截面預埋應變傳感器。而預抬高量的計算須以塔結構混凝土收縮徐變影響的有關參數的收集與整理、塔底沉降觀測資料的收集為基礎。

4.1 塔結構混凝土收縮、徐變影響的有關參數的收集

在每個塔距離承臺頂面25m 處和塔頂主索鞍底面截面各選1 個點，安裝固定棱鏡，進行標高的長期觀測，同時記錄日期、氣溫及橋塔混凝土溫度、具體工況等相關信息。觀測工況為橋塔施工至該截面時、主塔施工每澆筑2 段后、橋塔施工完畢時、每一個比較明確的受力工況結束時、每一個比較明確的受力工況每隔10h。

4.2 塔底沉降觀測資料的收集

在每個承臺以上10m 處布置一個標高永久觀測點，用精密水準儀觀測其標高變化。永久觀測點的布設方法參照規范，埋設時間為對應位置混凝土澆筑完畢后第十天。測量工況為主塔每個節段澆筑完畢后直至封頂前。通過對實際施工過程中塔底截面標高變化的測試與分析，獲取塔底沉降的時變曲線，提出塔底沉降值變化的時變預測曲線[4]。

4.3 主塔底部橫梁及塔頂預高量的計算

在獲取了收縮徐變及沉降觀測數據后，可以建立主塔及基礎的有限元模型，先初定收縮、徐變及沉降的相關參數，然后考慮進行施工過程的有限元仿真計算，計算結果與實測值比較，修正相關參數，直至吻合。然后在此基礎上，算到成橋十年后，確定出主塔下橫梁及塔頂所需的預抬高量作為相關位置的標高控制值。

4.4 塔柱應變與溫度場測試斷面的選擇、測點布置與測試工況

4.4.1 應變監控

考慮以下兩個因素：一是塔梁交界處為塔柱截面的變化點；二是主塔根部一般為彎矩最大截面。所以選取塔梁交界附近（A 截面）、塔根附近（B 截面）及塔柱下橫梁縱橋向中心截面（C 截面）為塔柱應變測試截面，見圖2。

圖2 應變布置示意圖

4.4.2 溫度監控

選擇A 應變測試斷面同時作為溫度場測試斷面，布設溫度場測點。測點布置見圖3，截面中心及邊緣的溫度計將采用光纖光柵型溫度元件（9 個），其余8個采用熱敏電阻型溫度元件，埋設時間為對應位置混凝土澆筑前鋼筋綁扎完畢后。

圖3 溫度測點布置示意圖

每個季節選擇有代表性的天氣進行24h 連續觀測，每1h 觀測一次。根據測試結果，將非線性溫度場放入仿真計算程序中，得到考慮最不利荷載和主塔最不利溫度場時的主塔應力分布[5]。

5 主塔施工控制成果

5.1 主塔應力

在主塔施工相應工況下進行應力測量，實測值與理論計算值相差較小，滿足設計要求。

5.2 主塔線性

在每節主塔施工完成后進行橫向坐標測量，主塔竣工橫向軸線坐標最大差值為6mm，滿足設計要求，如表3 所示。

表3 塔柱竣工后軸線偏差實測表（單位：m）

表3續表

6 結語

在桃花峪黃河大橋的主塔施工中，針對過程進行了詳盡的優化仿真計算，同時連續監測大橋主塔施工過程的結構應變、位移變化情況，為施工提供了可靠的技術保證。采用液壓自爬模施工時，通過采用有效的施工控制措施，保證了施工階段結構的安全及成橋狀態下結構的線形、內力等滿足設計要求。通過理論數據與實際施工數據分析比較，表明運用仿真優化計算模型對梁橋主塔施工過程進行優化計算是可行的，計算結果也很好地指導了后續施工的具體操作。實踐證明，本橋主塔施工過程中，采取的施工監控措施是合理及有效的，對同型橋梁主塔施工具有借鑒意義。