千米級懸索橋塔柱橫撐施工技術(shù)與仿真分析

陳 敏

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361021）

0 引言

當(dāng)建設(shè)千米級大跨度橋梁時(shí)，懸索橋往往成為首選[1]，為了滿足懸索橋所要求的垂跨比，跨度千米級的懸索橋，橋塔高度往往會達(dá)到百米級別[2]。而橫撐的設(shè)置會對塔柱受力有較大的影響[3]，為確保橋塔在施工過程中的安全與合理，有必要對塔柱橫撐施工技術(shù)與仿真分析進(jìn)行研究。吳凌峰[4]指出橋塔是大跨度橋梁的重要受力構(gòu)件，隨著施工高度的增加，變形增大，對塔柱根部的受力將產(chǎn)生不利影響。向?qū)W建[5]對果子溝大橋橋塔施工過程進(jìn)行分析，指出需要對橋塔進(jìn)行施工控制，才可保證塔柱線形應(yīng)力和穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)與施工要求。

本文依托新田長江大橋?yàn)橹骺?020 m 雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，橋塔采用門式框架結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。對其塔柱橫撐施工技術(shù)與仿真分析進(jìn)行研究，建立了主塔整體有限元模型并進(jìn)行安全性驗(yàn)算，所得施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可為同類橋梁塔柱橫撐施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

新田長江大橋全長約1.7 公里，主橋采用主跨1020 米雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，北塔柱上游側(cè)高177.5 米，下游側(cè)高161.5 米，南塔柱高均為177.5 米，主塔單肢塔柱基礎(chǔ)采用18×18 米的矩形承臺，下設(shè)9 根直徑3 米的灌注樁。

索塔采用簡潔的門型塔，設(shè)置上、下兩道橫梁。索塔由塔柱、橫梁組成鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。索塔塔柱總高169.5m，其中上塔柱高115.5m（下橫梁頂至主索鞍底），下塔柱高54.0m（下橫梁頂至塔座頂），為使索塔線性柔順，索塔設(shè)置直徑0.5m 圓弧倒角，提升景觀效果。（索塔高度不包含鞍罩部分）

索塔兩塔柱橫橋向內(nèi)傾，下橫梁頂為斜率變化點(diǎn)，上塔柱內(nèi)、外側(cè)斜率均為1/29.737，下塔柱外側(cè)斜率為1/16.285，內(nèi)側(cè)斜率為1/29.737，順橋向上塔柱保持不變，下塔柱斜率為1/54.000。上塔柱為等截面結(jié)構(gòu)，截面尺寸為8.0（順橋向）×6.0m（橫橋向）；下塔柱為變截面結(jié)構(gòu)，下橫梁頂線性變化至塔底10.0m（順橋向）×7.5m（橫橋向）。索塔下塔柱底部5.0m 范圍設(shè)置實(shí)心段，上塔柱頂部設(shè)置4.5m 的實(shí)心段。

2 塔柱橫撐設(shè)計(jì)及安裝

2.1 塔柱結(jié)構(gòu)形式

塔柱采用箱式結(jié)構(gòu)，上塔柱壁厚為1.0m，下塔柱壁厚1.2m，塔柱與橫梁相交處壁厚增加為1.6m。為降低索塔內(nèi)外溫差，改善通風(fēng)狀況，在塔柱橫橋向內(nèi)、外側(cè)塔壁沿中線處均設(shè)置通風(fēng)管。通風(fēng)管采用φ7.5cm 的PVC 管作為通氣孔，通氣孔沿塔高度按5m 間距布置，通風(fēng)孔由內(nèi)向外向下傾斜5%。為便于通行和檢修維護(hù)，塔柱在橋面處、塔內(nèi)隔板及上、下橫梁頂面均設(shè)有人孔，塔柱、橫梁、塔內(nèi)隔板的人孔均相互連通。

塔柱根部混凝土截面應(yīng)力是控制水平橫撐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，水平橫撐間距是塔柱懸臂施工過程中，塔柱各截面不產(chǎn)生拉應(yīng)力的最大懸臂高度，該高度還要滿足施工工藝及施工空間要求。

2.2 塔柱水平橫撐設(shè)計(jì)

為了保證對主塔的彎矩及應(yīng)力控制，經(jīng)計(jì)算在主塔施工過程中應(yīng)設(shè)置3道水平橫撐，下橫梁不單獨(dú)設(shè)置橫撐，上橫梁設(shè)置3 道水平橫撐，第1 道水平橫撐距下橫梁頂13m，第2 道水平橫撐距第1 道水平橫撐40m，第3 道水平橫撐距第2 道水平橫撐40m。橫撐采用2zφ1000mm×12mm 鋼管，在橫撐位置相應(yīng)節(jié)段施工完成且滿足相應(yīng)工藝的構(gòu)造要求后即安裝橫撐，水平橫撐位置見下圖1。本方案水平橫撐的設(shè)計(jì)主要滿足塔柱施工階段應(yīng)力水平的控制，水平橫撐最終具體要求以監(jiān)控單位的要求為準(zhǔn)。

圖1 類似工程水平橫撐

2.3 塔柱水平橫撐施工

2.3.1 安裝施工

塔柱水平橫撐安裝前，兩塔柱內(nèi)側(cè)先安裝施工操作平臺和施工通道，然后安裝錨板、支座，最后利用塔吊吊裝水平支撐。水平支撐定好位后用千斤頂頂升至設(shè)計(jì)噸位，焊接連接構(gòu)件固定。

2.3.2 水平頂推力施加

根據(jù)監(jiān)控單位的最終結(jié)果，確定是否施加頂推力，以及施加頂推力的大小。如需施加頂推力，則采用液壓千斤頂在水平橫撐一端同步分級施加。水平鋼管施加力的同時(shí)應(yīng)觀測水平橫撐的撓度和塔柱的變形情況，頂力滿足要求后，停止施加力，用連接型鋼將鋼管與橫撐支座焊接固定，然后千斤頂回油、卸落。

2.3.3 水平橫撐拆除

水平橫撐系統(tǒng)拆除采用塔吊配以卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行。橫撐系統(tǒng)拆除時(shí)先拆剪刀撐、走道欄桿，后拆除鋼管。鋼管拆除時(shí)，分段割除連接型鋼，逐步釋放鋼管內(nèi)力，待連接型鋼全部割除后切割固結(jié)端連接，而后用塔吊和卷揚(yáng)機(jī)起吊鋼管。

水平橫撐拆除順序：先放松水平支撐力→拆除水平聯(lián)桿→拆除水平鋼管→拆除支座、錨板和牛腿。

下橫梁施工完成且張拉完畢后，即可拆除其下水平橫撐系統(tǒng)；上橫梁施工完成且張拉完畢后，可拆除剩余全部水平橫撐系統(tǒng)。

3 仿真分析

下塔柱段不單獨(dú)設(shè)置橫撐，上塔柱段設(shè)置三道橫撐，橫撐采用兩根φ 1000mm×12mm 鋼管，在橫撐位置相應(yīng)節(jié)段施工完成后立即安裝橫撐。

3.1 計(jì)算參數(shù)

3.1.1 荷載統(tǒng)計(jì)

1.風(fēng)荷載

萬州地區(qū)10年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓ω0=0.2kN/m2。

距地面10m 處風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：ωk=μzμsω0=1.0×1.4×0.2=0.28kN/m2

2.主塔塔柱自重荷載

塔柱混凝土荷載取26kN/m3。

3.橫梁施工時(shí)托架荷載

橫梁托架荷載計(jì)算情況如下圖2 所示。

圖2 上橫梁托架荷載

3.1.2 塔柱截面特性

1.下塔柱底部標(biāo)準(zhǔn)斷面參數(shù)：A=36.2m2，Wx=7.13×1010mm3。

2.下塔柱上部標(biāo)準(zhǔn)斷面參數(shù)：A=27.8m2，Wx=4.07×1010mm3。

3.上塔柱標(biāo)準(zhǔn)斷面參數(shù)：A=24.0m2，Wx=3.73×1010mm3。

3.2 計(jì)算模型及荷載

采用MIDAS CIVIL 軟件對主塔整體建模計(jì)算，計(jì)算模型見下圖3。

圖3 主塔整體模型

3.3 計(jì)算分析

主塔橫撐設(shè)計(jì)分五個(gè)工況，如下概況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

工況一：塔柱施工至下橫梁以上。

由計(jì)算結(jié)果得出，主塔彎矩M=1.21×105kN·m，主塔軸力Fx=6.49×104kN。

工況二：塔柱下橫梁施工完成，塔柱施工至可安裝第一道橫撐位置。

由計(jì)算結(jié)果得出，主塔彎矩M=2.1×104kN·m，主塔軸力

工況三：塔柱施工至可安裝第二道橫撐位置，未安裝第二道橫撐。

由計(jì)算結(jié)果得出，主塔彎矩M=4.23×104kN·m，主塔軸力Fx=4.08×104kN。鋼管內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為45.3N/mm2＜215N/mm2，強(qiáng)度滿足要求。

工況四：塔柱施工至可安裝第三道橫撐位置，未安裝第三道橫撐。

由計(jì)算結(jié)果得出，主塔彎矩M=4.05×104kN·m，主塔軸力Fx=6.95×104kN。鋼管內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為60.3N/mm2＜215N/mm2，

工況五：塔柱施工上橫梁，已安裝第三道橫撐。

由計(jì)算結(jié)果得出，主塔彎矩M=6.56×104kN·m，主塔軸力Fx=9.69×104kN。鋼管內(nèi)支撐最大組合應(yīng)力為53.9N/mm2＜215N/mm2，強(qiáng)度滿足要求。Fx=2.6×104kN。強(qiáng)度滿足要求。

施工完下橫梁后，上塔塔柱固結(jié)點(diǎn)取下橫梁位置。

3.4 各工況混凝土塔柱應(yīng)力計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，工況1-工況5 時(shí)塔柱截面邊緣應(yīng)力外緣分別為-0.09Mpa、-0.56 Mpa、-0.66 Mpa、-1.91 Mpa、-2.43 Mpa，內(nèi)緣分別為-3.49 Mpa、-1.64 Mpa、-2.74 Mpa、-3.89 Mpa、-5.65 Mpa。

4 結(jié)論

（1）計(jì)算結(jié)果說明，塔柱在各施工工況下內(nèi)外側(cè)混凝土均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，塔柱橫撐鋼管在各施工工況下強(qiáng)度均滿足要求。

（2）本橋塔柱共設(shè)置三道橫撐，橫撐應(yīng)在塔柱對應(yīng)節(jié)段施工完成后及時(shí)安裝，橫撐預(yù)頂力由施工監(jiān)控單位根據(jù)塔柱線型控制給出，并聽從監(jiān)控單位指令施加預(yù)頂力。

（3）新田長江大橋塔柱橫撐施工技術(shù)目前已成功應(yīng)用，實(shí)際效果良好。可為以后類似的工程提供新的思路，具有較強(qiáng)的借鑒和指導(dǎo)價(jià)值。