超高寶瓶形斜拉橋橋塔被動拉桿及主動橫撐模擬計算

摘要 索塔作為斜拉橋主要受力構件之一，其施工質量直接影響橋梁的使用壽命。索塔施工臨時被動拉桿及主動橫撐既保證了施工的安全性和穩定性，又保障了整體線形指標。文章依托于新市金沙江大橋，為防止中、下傾斜塔柱根部截面混凝土處于不良應力狀態而導致混凝土開裂，確保索塔全過程施工安全可靠、質量優良，采用Midas Civil 2021建立的索塔有限元模型進行模擬計算和優化，分析索塔下橫梁與主塔同步施工、中橫梁與主塔采用塔梁異步施工的受力特征。結果表明，施工中混凝土最大拉、壓應力分別為0.7 MPa和2.7 MPa，下塔柱和中塔柱橫向最大位移分別為8.9 mm和9.2 mm，計算結果均符合規范要求。

關鍵詞 公路斜拉橋；塔柱；被動拉桿；主動橫撐；有限元

中圖分類號 U443.38 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0067-03

0 引言

斜拉橋跨越能力大，主塔往往較高，外形造型獨特，跨江、跨河施工現場環境復雜，特別是風的影響大。采用液壓自爬模懸臂施工難度高，主塔向外和向內傾斜，懸臂施工過程中會在塔根產生彎矩，使主塔產生橫向位移和內應力，從而影響結構使用年限。為限制拉應力和變形位移不超出設計和規范要求，根據主塔施工節段劃分，在兩塔肢之間的一定高度范圍內設計臨時結構措施以平衡因外荷載（液壓爬模自重、風荷載等）和主塔偏心荷載引起的水平分力。被動拉桿和主動橫撐[1]設計時應遵循內力和變形雙控原則，并考慮溫度的變化及時調整對拉力和頂推力的大小[2]。

1 工程概況

新市金沙江大橋[3]位于昭通市綏江支線上，依次跨越G353線、金沙江、G213線，跨徑組成為3 m×30 m T梁+（340+680+340）m鋼桁梁+16×30 m T梁，半漂浮體系，設抗風和縱向阻尼器；斜拉索采用1 860 MPa鋼絞線，192根斜拉索，單根索最長370 m，呈扇形布置；全長1 867 m，其中主橋長1 288 m，橋面寬度為25.5 m；

主塔采用C50鋼筋預應力混凝土結構，兩主塔分別高290.16 m和297.51 m，塔柱采用空心矩形截面，下塔柱呈“V”形，中塔柱呈“A”形。

2 主塔施工步驟

橋塔施工共劃分50個節段（下塔柱為～號節段，中塔柱為～號節段，上塔柱～號節段），橋塔節段劃分如圖1所示。

主塔采用液壓自爬模施工，下橫梁采用支架法與主塔同步施工技術，中橫梁采用支架法與主塔異步施工技術，施工工況如表1所示。

3 荷載及參數

3.1 主塔自重荷載

主塔自重荷載（混凝土、鋼筋、勁性骨架等）按實際重量取值，由模型計入。

3.2 爬模荷載

外模為鋼模板150 kg/m2，平臺100 kg/m2，機位1.2噸/個，下塔柱、中塔柱和上塔柱爬模單肢分別布置14個機位、12個機位和8個機位，則爬模重量分別為102 t、99.4 t和94.6 t。

3.3 風荷載

橫撐計算時僅考慮極大風荷載（10級，設計風速為28.4 m/s）時的受力。

根據《公路橋梁抗風設計規范》[4]，按以下公式計算：

風壓：

?1 020×12 mm鋼管風荷載：

?609×16 mm鋼管風荷載：

鋼管風荷載按線荷載加載。

3.4 施工荷載

施工人員荷載標準值為1 kN/m2。

4 計算模型

主塔下的塔柱和中塔柱，在爬模時處于懸臂施工狀態，建立的施工計算模型如圖2所示。主塔根部固結，主塔與橫撐分別用梁單元模擬，被動對拉桿使用僅受拉桁架單元模擬，而主動鋼管的橫撐對頂力則通過單元溫度荷載試算確定，同時考慮主塔混凝土的收縮、彈性壓縮量及升溫20 ℃、降溫20 ℃的橫撐溫度應力。

5 模擬計算結果

寶瓶形主塔結構特點是隨著施工進度的增加，受自重、偏心矩、對拉力、對頂力等影響，主塔豎向位移不斷累積，下塔柱和中塔柱根部應力也在不斷變化，橫向位移是模擬分析中的重點，即控制主塔線形，橫向位移控制在±10 mm范圍內，?s15.2鋼絞線對拉力和?1 020 mm×12 mm、?609 mm×16 mm鋼管[5]對頂力如表2所示；設計時結合現場安裝橫撐時的實際天氣情況，考慮升降溫20 ℃工況，橫撐對頂力如表3所示；控制工況下塔柱受力及變形如表4所示。

主塔柱混凝土最大壓應力[6]，發生在工況55和56；最大拉應力，發生在工況37；主塔受力滿足規范要求。塔柱施工過程中，在工況38時主塔的單肢位移最大，最大值為9.2 mm。

6 結語

為了打造大橋品質工程，精確控制新市金沙江大橋主塔施工過程中各截面應力和變形，利用Midas Civil 2021建立有限元模型，對主塔施工全過程工況進行模擬分析，結論如下：

（1）下塔柱在設置被動拉桿后，塔柱拉應力及壓應力均有減小，塔柱橫向位移由向外傾斜轉為向內傾斜，最大值由?5.0 mm變至8.9 mm，變幅為13.9 mm。

（2）中塔柱在設置主動橫撐后，塔柱主要為受壓狀態，塔柱橫向位移由向內傾斜轉為向外傾斜，最大值由5.5 mm變至?9.2 mm，變幅為14.7 mm。

（3）整個主塔單肢橫向位移均小于10 mm，拉、壓應力均滿足設計和施工要求。

參考文獻

[1]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）： 53-56.

[2]林元培. 斜拉橋[M]. 北京：人民交通出版社， 2004.

[3]四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司， 四川新市金沙江大橋施工圖[Z]. 成都， 2020.

[4]公路橋梁抗風設計規范： JTG/T 3360-01—2018[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2019.

[5]易國良， 余紹賓．天津海河大橋主塔施工關鍵技術研究[J]. 工業建筑， 2012（S1）： 764-768.

[6]混凝土結構設計規范： GB 50010—2010[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2015.

收稿日期：2024-03-19

作者簡介：李黎龍（1983—），男，本科，高級工程師，研究方向：公路工程管理。

通信作者：夏明強（1984—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：公路工程施工。