鉆石形索塔主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)及施工過(guò)程分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.029文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0102-04

0 引言

斜拉橋因其承載能力突出、結(jié)構(gòu)體系多樣、造型美觀、材料利用率高、跨越能力強(qiáng)等突出特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于公路市政、跨江、跨海、跨高山峽谷等大中小跨徑橋梁中。斜拉橋索塔結(jié)構(gòu)形式豐富，通常有H形、倒丫形、鉆石形、A形、獨(dú)柱式、門(mén)式等。多數(shù)結(jié)構(gòu)形式的索塔因其索塔塔柱內(nèi)傾，在施工過(guò)程中通常需要在合適的位置設(shè)置一定數(shù)量的水平橫撐，來(lái)確保塔柱的線形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力始終處于安全狀態(tài)[1-2]。

目前，行業(yè)內(nèi)的國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)斜拉橋索塔的水平橫撐的設(shè)計(jì)、施工、布置方案及橫撐力等方面開(kāi)展了相關(guān)的研究。馬文榮等3通過(guò)計(jì)算模型對(duì)某在建斜拉橋的主動(dòng)橫撐位置和頂推力進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在減少1道橫撐的優(yōu)化方案下確保結(jié)構(gòu)的安全性。霰建平等4在鄂東長(zhǎng)江公路大橋中設(shè)置拉桿和主動(dòng)橫撐結(jié)構(gòu)，確保了該橋塔在施工過(guò)程中應(yīng)力的有效控制。安德柱以永寧黃河大橋主塔為依托，通過(guò)施工階段仿真提出了橫撐的設(shè)計(jì)方案，有效控制了大斜度主塔施工中的穩(wěn)定性。衛(wèi)軍等針對(duì)南寧青山大橋異形拱結(jié)構(gòu)橋塔提出了“橫撐 + 斜撐”的方案，有效提高了橋塔的線形控制精度。李毅基于雙向傾斜橋塔開(kāi)展了主動(dòng)橫撐設(shè)置方案、施工控制及誤差分析、拆除時(shí)機(jī)及工藝的系統(tǒng)研究，提出了主動(dòng)橫撐的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其預(yù)頂力的確定原則。徐青8以某曲面異形橋塔為對(duì)象提出了一套橫撐布設(shè)位置和數(shù)量的循環(huán)試算法，通過(guò)主動(dòng)調(diào)控內(nèi)力的方式實(shí)現(xiàn)了塔柱應(yīng)力的有效控制。嚴(yán)瑾9針對(duì)主動(dòng)橫撐的位置設(shè)置和橫撐力的計(jì)算進(jìn)行了研究，并將研究成果應(yīng)用于某獨(dú)塔斜拉橋主塔，有效降低了混凝土塔柱的拉應(yīng)力。趙全成等針對(duì)武漢青山大橋采用有限元模型確定了橫撐的對(duì)頂力及施工階段最大內(nèi)力，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后期拆除順序的研究。

目前針對(duì)斜拉橋索塔臨時(shí)橫撐的研究多著力于橫撐數(shù)量、位置及橫撐力的確定原則和算法、橫撐的拆除時(shí)機(jī)等方面，而對(duì)橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)及施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方面相對(duì)缺乏。因此，本文以某斜拉橋鉆石型索塔為工程背景，研究其主動(dòng)橫撐的布置方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)施工階段有限元模型對(duì)主動(dòng)橫撐力進(jìn)行優(yōu)化分析，并對(duì)索塔施工過(guò)程中主動(dòng)橫撐和塔柱的受力、成塔線形等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出鉆石型索塔主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)及施工集成技術(shù)，以期為后續(xù)同類(lèi)型索塔的臨時(shí)橫撐設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概述

1. 1 工程概況

某斜拉橋?yàn)橹骺?00m的獨(dú)塔空間雙索面混合梁斜拉橋，索塔為鉆石型混凝土結(jié)構(gòu)，塔高 202m ，塔柱混凝土采用 cos5 ，下橫梁混凝土采用C60。索塔從下至上分別為塔座、下塔柱、中塔柱和上塔柱，高度分別為 2.0m 41.1m、101.3m、57.6m，索塔塔柱共分為36個(gè)節(jié)段，索塔的結(jié)構(gòu)布置及節(jié)段劃分如圖1所示。

塔座采用矩形實(shí)心截面，斷面尺寸從下往上由17m×39m （縱橋向 × 橫橋向）漸變至 13m×35m 下塔柱分為上、下兩段，下段高度為 13.8m ，斷面為單箱雙室矩形結(jié)構(gòu)，尺寸從下往上由1 10m×32m×1.8m 縱橋向 × 橫橋向 × 厚度）漸變至9.759 m×45 659 m×2m ；上段高度為27.3m，采用雙肢截面，為滿足景觀要求在塔柱內(nèi)側(cè)分出三級(jí)臺(tái)階。下橫梁位于中、下塔柱之間，其中心高度為7m，頂面設(shè)雙向 2% 的橫坡，底面采用直徑70m的圓弧向塔柱過(guò)渡。中塔柱采用單箱單室截面，其直線段尺寸從下往上由8. 808m×8m×1m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度）漸變至7. 057m×6.869m×1m 上塔柱分為上、下兩段，上塔柱下段高26.3m，分左右兩肢且兩肢塔柱之間采用圓弧段進(jìn)行連接；上塔柱上段高 31.3m ，采用單箱雙室矩形截面，尺寸從下向上由7.048 m× 18.486 m×1 m（縱橋向 × 橫橋向 × 厚度）漸變至6.

圖1鉆石形索塔結(jié)構(gòu)布置及節(jié)段劃分示意圖

1.2總體施工工藝

根據(jù)索塔下部空間曲面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，塔座采用普通模板法現(xiàn)澆施工，下塔柱采用翻模法現(xiàn)澆施工，中、上塔柱采用液壓爬模法逐節(jié)段進(jìn)行施工，下橫梁根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用落地鋼管支架法一次澆筑施工，下橫梁橫向預(yù)應(yīng)力筋分2次張拉完成。

2索塔主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)研究

2.1主動(dòng)橫撐布置方案

圖2索塔主動(dòng)橫撐結(jié)構(gòu)立面布置圖

根據(jù)文獻(xiàn)[5]6相關(guān)研究成果，索塔主動(dòng)橫撐布置位置和數(shù)量設(shè)置時(shí)應(yīng)綜合考慮以下要點(diǎn)：（1）在逐節(jié)段施工過(guò)程中，塔柱各截面內(nèi)外側(cè)在自重、施工荷載、風(fēng)荷載及溫度等荷載的綜合作用下，不出現(xiàn)因應(yīng)力超限而開(kāi)裂或者壓碎的情況；（2）一定數(shù)量的主動(dòng)橫撐設(shè)置后，能有效控制和調(diào)節(jié)塔柱線形，確保成塔后塔柱線形平順且線形誤差在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。根據(jù)鉆石形索塔的結(jié)構(gòu)尺寸和施工工藝初步建立索塔施工階段有限元模型，對(duì)主動(dòng)橫撐的位置進(jìn)行試算及優(yōu)化分析，最終得出該索塔共需設(shè)置3道主動(dòng)橫撐，分別設(shè)置在高程87.75m、113.75m、139.75m的位置，分別對(duì)應(yīng)塔柱第14、18、23節(jié)段。主動(dòng)橫撐立面布置如圖2所示。

2.2主動(dòng)橫撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)施工階段有限元模型的系統(tǒng)計(jì)算，綜合考慮施工期的安全性、工效及經(jīng)濟(jì)性等因素，鉆石形索塔在其施工全過(guò)程中需要設(shè)置3道主動(dòng)橫撐，第 1～2 道主動(dòng)橫撐采用2根 ?1000mm×12 mm的鋼管，鋼管兩端分別設(shè)置2道 ?630mm×8mm 的鋼管作為斜撐以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其中第1道主動(dòng)橫撐的鋼管之間設(shè)置2道225a作為橫向連接系；第3道主動(dòng)橫撐采用2根 ?1000mm× 16mm 的鋼管，鋼管兩端不設(shè)置斜撐，主動(dòng)橫撐鋼管與混凝土塔柱均通過(guò)預(yù)埋件進(jìn)行連接，第1～3道主動(dòng)橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3主動(dòng)橫撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3索塔主動(dòng)橫撐施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1主動(dòng)橫撐施工工序

索塔3道主動(dòng)橫撐均在橋址附近場(chǎng)地將水平橫撐、斜撐等構(gòu)件加工焊接為整體，然后利用塔吊將每道水平橫撐整體吊裝至相應(yīng)節(jié)段塔肢內(nèi)側(cè)牛腿上，安裝千斤頂?shù)巾斖莆恢?，施加頂推力，待頂推到位后，先將水平橫撐與塔肢預(yù)埋件焊接，再將斜撐與塔肢預(yù)埋件焊接（采用嵌補(bǔ)焊接工藝）。鉆石形索塔主動(dòng)橫撐具體施工工序如表1所示。

表1鉆石形索塔主動(dòng)橫撐施工工序表

3.2主動(dòng)橫撐施工階段仿真模型

根據(jù)鉆石形索塔的施工工序，采用有限元仿真分析軟件對(duì)應(yīng)建立索塔施工階段精細(xì)化有限元模型，如圖4所示。塔柱、橫梁均采用梁?jiǎn)卧M，主動(dòng)橫撐采用桁架單元模擬，主動(dòng)橫撐與塔柱之間的連接采用彈性連接中的剛性約束模擬，主動(dòng)橫撐采用施加溫度荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)橫撐力的施加。

圖4索塔施工階段有限元模型圖

3.3主動(dòng)橫撐力優(yōu)化分析

利用施工階段精細(xì)化有限元模型對(duì)3道主動(dòng)橫撐的橫撐力進(jìn)行比選和優(yōu)化分析，以索塔線形誤差較小和塔柱應(yīng)力具有較大的安全儲(chǔ)備為原則，得出各道主動(dòng)橫撐的橫撐力如表2所示。

表2各道主動(dòng)橫撐的橫撐力數(shù)值表

4索塔主動(dòng)橫撐施工過(guò)程分析

4.1主動(dòng)橫撐施工過(guò)程橫撐力分析

主動(dòng)橫撐施加橫撐力之后，在塔柱節(jié)段后續(xù)施工過(guò)程中，其橫撐力也是不斷變化的。通過(guò)鉆石形索塔施工階段精細(xì)化有限元模型的計(jì)算分析，得出3道主動(dòng)橫撐的橫撐力隨施工工況的變化趨勢(shì)分別如圖5至圖7所示，圖中的橫撐力負(fù)值均表示主動(dòng)橫撐的橫撐力為壓力。

圖5第1道主動(dòng)橫撐施工過(guò)程橫撐力變化曲線圖

圖6第2道主動(dòng)橫撐施工過(guò)程橫撐力變化曲線圖

圖7第3道主動(dòng)橫撐施工過(guò)程橫撐力變化曲線圖

由圖5至圖7可知：（1）3道主動(dòng)橫撐的橫撐力在各個(gè)工況下均為壓力，表明3道主動(dòng)橫撐在索塔施工全過(guò)程始終保持受壓狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)拉力；（2）第 1～2 道主動(dòng)橫撐安裝后，橫撐力均呈現(xiàn)先增大再減小然后再增大的趨勢(shì)，第1道主動(dòng)橫撐在工況23（塔柱20節(jié)段施工）階段下的橫撐力最大為-5435.8kN（壓力），第2道主動(dòng)橫撐在工況29（塔柱25節(jié)段施工）階段下的橫撐力最大為-7481.4kN（壓力）；（3）第3道主動(dòng)橫撐安裝后，橫撐力呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，其橫撐力在工況31（塔柱26節(jié)段施工）階段下最大，為-4526.4KN（壓力）；（4）第1～3 道主動(dòng)橫撐施工過(guò)程中最大壓應(yīng)力分別為-59.5MPa，-100.4MPa，-60.8MPa， 因此3道主動(dòng)橫撐在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。

4.2成塔線形及應(yīng)力分析

采用設(shè)置3道主動(dòng)橫撐并施加相應(yīng)橫撐力的方案完成索塔施工后，鉆石形索塔成塔后的橫橋向位移云圖、索塔結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力云圖分別如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9中計(jì)算結(jié)果可知：（1）成塔后，索塔塔柱橫橋向最大位移為 17.4mm ，塔頂橫向變形為0mm;（2）成塔后，索塔塔柱最大應(yīng)力均為負(fù)值，表明成塔后索塔塔柱均處于全截面受壓狀態(tài)，塔柱最大應(yīng)力為-4.7MPa （壓力），下橫梁最大應(yīng)力為 0.7MPa （拉力）。綜上，成塔后索塔的線形和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5結(jié)語(yǔ)

本文以某斜拉橋鉆石形索塔為依托，通過(guò)其施工階段精細(xì)化有限元模型開(kāi)展鉆石形索塔主動(dòng)橫撐布置方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及橫撐力的研究，進(jìn)行施工全過(guò)程主動(dòng)橫撐受力及索塔成塔效果的分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）該鉆石形索塔施工過(guò)程中需要設(shè)置3道主動(dòng)橫撐，橫撐力分別為2400KN、2600KN、3600KN，橫撐由2根 ?1000×12（16）mm 的鋼管、 ?630×8 mm斜撐及2[25a橫向連接系組成。

圖8鉆石形索塔成塔后橫橋向位移云圖

圖9鉆石形索塔成塔后最大應(yīng)力云圖

（2）在索塔施工過(guò)程中，第 1～3 道主動(dòng)橫撐最大橫撐力分別為-5435.8kN、-7481.4kN、-4526.4KN（壓力），最大壓應(yīng)力分別為 -59.5MPa，-100.4MPa -60.8MPa ，分別出現(xiàn)在工況23（塔柱20節(jié)段施工）、工況29（塔柱25節(jié)段施工）、工況31（塔柱26節(jié)段施工）。

（3）成塔后，索塔塔柱橫橋向最大位移為 17.4mm 塔柱最大應(yīng)力為 -4.7MPa （壓力），下橫梁最大應(yīng)力為0.7MPa （拉力）。表明采用該主動(dòng)橫撐設(shè)計(jì)及橫撐力方案施工后，鉆石形索塔線形及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

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