人字形橋塔-橫撐體系受力分析及優化布置方案比選

許世猛

(中能建路橋工程有限公司,天津 300041)

0 引言

隨著斜拉橋、懸索橋的出現,人們對橋塔施工的探索也逐漸展開。現有研究成果及設計資料多側重于橋梁橫梁支撐體系的設計及驗算,針對支撐體系技術方案及設計要點的橫向對比分析研究尚不多見。本研究結合具體橋例,對3種方案相同支撐體系的受力特點及技術特征進行對比分析,總結要點,為橋塔橫梁施工支撐體系的設計及優化提供參考。

1 工程概況

某橋主塔采用C55鋼筋混凝土結構,索塔采用異型索塔,橫橋向呈人字形,從上至下分別為塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱、塔座(采用C40砼)等部分。橋塔承臺以上高度為102.749 m,其中塔冠高5.3 m,上塔柱高45.549 m,中塔柱高28.442 m,下塔柱高21.458 m,塔座高2 m。

主塔為曲面線型,為變化橫截面,線型控制難度大,施工精度要求高。橋塔澆筑過程中橫撐布設難點主要包括對主塔線形及結構應力的控制,根據施工進度安排,主塔施工歷經夏季高溫多雨天氣、冬季嚴寒天氣等極端天氣,受力影響因素多。

2 橋塔-橫撐體系的力學模型

2.1 橋塔-橫撐體系的組成

橋塔-橫撐體系總體可分為支點穩定構件、承重分配構件、可調節局部加固構件等。對于同步頂升澆筑工況,兩主塔可滿足互為支點條件,即位移與所需反力相近,故在此條件下兩主塔與豎撐一起成為橫撐的支點穩定構件。由于體系簡單,所需受力相差不大,橫撐作為承重分配構件只需水平安裝即可使體系滿足穩定條件。局部加固構件包括橫撐主塔相接處的鋼筋網、鋼板、牛腿、三角楔塊等,相近兩橫撐間腹桿、豎撐與橫撐相接處加勁肋,豎撐與地面相接處預埋鋼筋混凝土構件及相應卡扣。

2.2 有限元模型參數

利用軟件Midas civil 2021建立模型,采用梁單元,模型包含1557個節點、193個單元。主塔部分采用C55混凝土,橫撐選擇規格為1020 mm×10 mm。考慮兩主塔相會后豎向受力引起切向變形較少,故主要計算相會前階段。

主塔塔底處用固結模擬塔基作用,橫撐與主塔牛腿焊接處以橫撐與主塔節點固結模擬實際受力,橫撐與豎撐相交位置以支座代為受力。自重考慮鋼筋取系數1.04,模板重考慮施工圖紙與冬季施工保暖設備取兩側主塔相會前70 t單側加載。考慮鋼筋對剛度影響,根據圖紙按面積矩放大系數1.09,抗彎慣性矩放大系數1.12進行估算。橫撐預推力分別以節點荷載、溫度荷載、預加力手段等進行模擬對比,收縮徐變按照JTG 3362-18《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》進行設置,風載根據《公路橋梁抗風設計規范》JTG/T 3360-01-2018中要求計算。

3 橋塔-橫撐體系的受力分析

3.1 橋塔-橫撐體系的方案設計

橫撐的目的是降低兩下塔柱相會前內收,防止傾斜塔柱開裂。該體系方案設計原則是橫撐加入體系前,該體系已經接近但未達到應力、穩定極限狀態。橫撐加入體系后,使體系接近但不達到背離體系發展方向的極限狀態,使橫撐作用達到最大效果。根據受力結果并按照《鋼結構設計標準》考慮壓桿穩定確定橫撐初始力。3個支撐方案如圖1所示,橫撐設計內力與位置詳見表1,其中位置是距承臺頂面的距離。

表1 各方案橫撐軸力設計

3.2 典型計算結果

以方案一為例,依據上述有限元模型,確定典型計算工況為：工況一橫撐1安裝前、工況二橫撐2安裝前、工況三橫撐3安裝前、工況四第14節段澆筑完成后。相應的應力及位移計算結果如圖2～圖9所示。

圖3 工況二應力結果

圖4 工況三應力結果

圖5 工況四應力結果

圖6 工況一位移結果

圖7 工況二位移結果

圖8 工況三位移結果

圖9 工況四位移結果

3.3 對比分析

對線形與應力的控制是重要的內容,故對主塔在理論結果中提取正在澆筑節段、已澆筑完成節段及主塔澆筑完成后該節段最大位移、已澆筑節段最大應力及其位置隨施工進程的變化曲線。3個方案的計算結果分別如圖10～圖15所示。

圖10 方案一位移結果

圖11 方案二位移結果

圖12 方案三位移結果

圖13 方案一應力結果

圖14 方案二應力結果

圖15 方案三應力結果

施工過程中最大應力要求小于容許應力,防止混凝土開裂。最大應力所在位置是為了方便應力監測,控制施工危險位置的數量。但隨著橫撐數量高度的增加,施工安全隱患也隨之增加,故有了橫撐組數與高度指標。由于橫撐架設高度2 m以上的為高空作業,擬采用橫撐高度表示施工風險。位移指標主要基于線形控制要求,正在澆筑節段、已澆筑完成節段及主塔澆筑完成后該節段最大位移3條曲線越相近方案越優。匯總3個方案的計算結果,指標對比情況詳見表2。

表2 各方案指標對比情況

方案一中的第一根橫撐位置較低,增加豎桿穩定性[1]。線形影響隨施工進程波動上升,可控性增加。計算應力最大位置較少,便于布置監測。缺點是第一根橫撐后期補力對其強度穩定性提出了更高要求,對于3個推力位點,拉應力抑制手段有效但有限。最大拉應力隨后期線形變化波動較大,對監測可靠性與應力調整手段有更高要求。

方案二中有4根橫撐,應力可調性增強,降低了施工過程的最大拉應力。線形影響隨施工進程波動上升,可控性增加。下側橫撐位置較低,顯著增加了豎桿穩定性,但4根橫撐所需成本更大。線形波動上升,對測量與控制精度有要求。計算應力最大位置增多,對實時監測反饋有更高要求。

方案三的線形變化最為平緩,計算應力最大位置較少,便于布置監測。缺點是第一根橫撐位置較高,對豎桿穩定性與施工安全有更高要求。線形變化劇烈節段少但處于施工后期,對調控精度有更高要求。

對比3個方案發現,方案一施工更安全,監測更直觀,線形與應力調控更簡單,更具可行性。

4 工程實例驗證及結論

為了驗證上述分析結果,對該工程進行應力實測。橋塔施工采用頂升托架同步施工,對橫撐受力進行實時監測。受限于現場條件,應力測點位置距承臺9.51 m,傳感器布置在該位置處的鋼筋位點,如圖16所示。按照施工工序,實測結果與理論計算結果如圖17、圖18所示。

圖16 應力與位移監測位點

圖17 9.51 m外側應力實測與計算對比

圖18 9.51 m內側應力實測與計算對比

由圖17、圖18可知,計算值與實測值隨工序的趨勢完全一致,數值較為接近。說明計算模型是合理可信的。數值偏差的主要原因有兩個：一是實測值的采集時間,即在節段澆筑時,實測初始測值起伏變化較大,節段澆筑完成后應力發展趨勢平穩。二是當上側有橫撐受力時,橫撐與橫撐下側塔柱要重新進行力的分配。

通過上述分析得到如下結論：曲線橋塔在澆筑過程中必須考慮重力、溫度對其線形的影響,通過設置預拱度和橫撐等方式,確保成橋線形符合設計要求。橋塔橫梁施工支撐方案要進行優化設計,利用位移和應力的綜合影響確定合理的支撐方案。該橋塔-橫撐體系穩定性與施工可行性滿足實際需求,可為該橋塔的順利修建提供技術支撐。