康志田 （中國(guó)中鐵四局集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 前言

斜拉橋主要由索塔、主梁及斜拉索三個(gè)部分構(gòu)成，索塔是其中最核心的構(gòu)件，索塔施工的安全質(zhì)量是斜拉橋建造過(guò)程中的關(guān)鍵。斜拉橋索塔常用的形式有A形、倒Y形、H形等，部分塔柱軸線與豎直方向成一定角度；在斜柱的施工過(guò)程中，受自重作用影響，斜柱根部將產(chǎn)生較大彎矩，使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力；隨著塔柱高度的增加，塔柱懸臂長(zhǎng)度不斷增大，彎矩和拉應(yīng)力也不斷增大，如不施加有效措施降低彎矩、拉應(yīng)力，將會(huì)嚴(yán)重威脅到斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全和施工質(zhì)量[1-2]。

目前針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的解決思路[3-5]是，在塔柱上設(shè)置臨時(shí)支撐（對(duì)拉桿或水平橫撐）以抵抗塔柱自重的水平分力，從而降低塔柱受力和彎矩值；臨時(shí)支撐與塔柱構(gòu)成臨時(shí)整體框架，增強(qiáng)了整體的穩(wěn)定性和安全性[6]。為保證上下橫梁施工安全質(zhì)量，橫梁支架必須具備較大的剛、強(qiáng)度，其對(duì)塔柱施工安全穩(wěn)定性也起到了增強(qiáng)作用，而臨時(shí)支撐的初步設(shè)計(jì)通常未考慮橫梁支架的加固作用，造成工序繁瑣、效率降低，成本提高。本文擬以徐鹽鐵路工程新洋港斜拉橋索塔施工為例，通過(guò)對(duì)索塔施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析忽略上下橫梁支架的連接加固作用下的塔柱結(jié)構(gòu)受力結(jié)果，在此基礎(chǔ)上提出斜拉橋索塔施工臨時(shí)支撐和橫梁支架優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

徐鹽鐵路工程跨新洋港斜拉橋索塔采用H形花瓶式混凝土塔，由塔座、下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱六部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。塔高為128.5m，其中下塔柱高25.0m，中塔柱高56.0m，上塔柱高42.0m；下橫梁高4.5m，上橫梁高4.0m，均采用單箱單室截面。

圖1 橋塔結(jié)構(gòu)示意圖

塔柱除起步段外，均采用爬升模板法逐段連續(xù)施工，每段混凝土塔柱澆筑高度控制在4-6m范圍之內(nèi)，基礎(chǔ)面應(yīng)鑿毛清洗，保證新老混凝土接縫質(zhì)量。在實(shí)際施工期間，為避免塔柱因產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力而發(fā)生破壞，施工過(guò)程中在塔身設(shè)置對(duì)拉桿和橫撐，初步方案見(jiàn)表1。等塔柱施工完成后，拆除拉桿與橫撐。方案布置如圖2所示。

臨時(shí)支撐布置初步方案 表1

為對(duì)塔柱臨時(shí)支撐進(jìn)行可行性驗(yàn)算并優(yōu)化設(shè)計(jì)，需對(duì)索塔施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，提取表征塔柱施工質(zhì)量安全的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析。本文采用大型商業(yè)有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行三維有限元計(jì)算復(fù)核。

圖2 臨時(shí)支撐位置示意圖

2 施工模擬有限元計(jì)算分析

索塔斜柱受自重和施工荷載作用會(huì)造成彎矩、應(yīng)力增大，可將單肢斜柱看做懸臂梁結(jié)構(gòu)[7]，由梁理論可知，索塔斜柱最大彎矩、應(yīng)力發(fā)生在懸臂梁根部，即下塔柱底部或中塔柱底部。下橫梁澆筑之前，下塔柱為懸臂梁結(jié)構(gòu)，最大拉應(yīng)力發(fā)生在下塔柱底部；下橫梁澆筑后、上橫梁澆筑前，中塔柱為懸臂梁結(jié)構(gòu)，最大拉應(yīng)力發(fā)生在下塔柱底部；而上塔柱為豎直形態(tài)，不產(chǎn)生水平分力，塔柱處于受壓狀態(tài)，彎矩及拉應(yīng)力變化可忽略不計(jì)，故對(duì)上塔柱施工過(guò)程中塔柱結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性不作分析。

2.1 施工模擬建模

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大、發(fā)展成熟的有限元數(shù)值模擬軟件，擁有豐富的單元庫(kù)和各種類(lèi)型的材料模型庫(kù)，可以真實(shí)模擬多種典型工程材料的性能，如混凝土、鋼結(jié)構(gòu)和巖土材料等，在土木、水利和交通領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。不考慮上下橫梁支架的連接加固，采用ABAQUS軟件對(duì)橋塔塔柱、上下橫梁和臨時(shí)支撐進(jìn)行建模，生成高質(zhì)量的實(shí)體單元與梁?jiǎn)卧?。其中，塔柱混凝土單元以六面體實(shí)體單元為主，局部五面體單元過(guò)渡，橫梁支架和拉桿橫撐使用兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。為提高計(jì)算精度，所有單元尺寸控制在1m以?xún)?nèi)。建立模型如圖3所示。

2.2 材料參數(shù)取值與加載

根據(jù)工程資料，結(jié)合橋塔結(jié)構(gòu)特征與分析重點(diǎn)，有限元模型采用彈性模型。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

有限元模型計(jì)算材料參數(shù) 表1

計(jì)算考慮荷載包括施工每層澆筑的混凝土重力、爬模施工荷載，拉桿拉力與橫撐推力等。施工每階段澆筑施加混凝土重力。爬模荷載根據(jù)以往同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)，每根塔柱施加800kN。

圖3 主塔有限元模型示意圖

2.3 施工工況模擬

針對(duì)橋塔施工過(guò)程中塔柱應(yīng)力情況、拉桿橫撐設(shè)計(jì)情況，工況模擬塔柱完整施工過(guò)程，根據(jù)初步方案按步驟添加混凝土塊與橫梁及施加對(duì)拉桿、主動(dòng)橫撐力。施工過(guò)程模擬共分為23個(gè)分析步，具體說(shuō)明見(jiàn)表3。

橋塔施工計(jì)算分析步 表2

2.4 結(jié)果分析

利用ABAQUS軟件仿真模擬計(jì)算索塔施工過(guò)程，為評(píng)價(jià)索塔結(jié)構(gòu)受力安全穩(wěn)定性，提取索塔施工過(guò)程中塔柱的最大拉應(yīng)力進(jìn)行分析，得到各施工步驟最大應(yīng)力變化情況如圖4所示。

圖4 初步方案塔柱最大拉應(yīng)力變化曲線

由圖8可以看出，塔柱最大拉應(yīng)力隨著施工步的推進(jìn)呈現(xiàn)出圍繞0應(yīng)力的波動(dòng)形態(tài)；施工步驟4、7、12、15、18、21后，塔柱的最大豎向拉應(yīng)力有明顯降低，說(shuō)明臨時(shí)支撐可以有效降低塔柱中下塔柱底部的彎矩，增強(qiáng)了塔柱結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性。施工步驟10添加下橫梁支架、澆筑下橫梁時(shí)，下塔柱底部豎向拉應(yīng)力達(dá)到了最大值0.1MPa；當(dāng)上橫梁施工完成后，中塔柱底部以拉應(yīng)力為主，最大值大約0.18MPa；總體上，塔柱施工最大拉應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于C50混凝土的許用應(yīng)力為1.8MPa，塔柱安全、穩(wěn)定性較高。

3 臨時(shí)支撐和橫梁支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原理分析

一方面，臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)的核心在于斜塔柱根部混凝土截面拉應(yīng)力是否能控制在合理的數(shù)值范圍內(nèi)，內(nèi)容主要主要包括臨時(shí)支撐位置的選取、預(yù)應(yīng)力的大小和橫撐結(jié)構(gòu)的選定。臨時(shí)支撐與塔柱固結(jié)在一起構(gòu)成臨時(shí)穩(wěn)定框架，確保索塔在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

通過(guò)上述模擬分析可知，在不考慮上下橫梁支架對(duì)塔柱的連接加固作用情況下，初步方案應(yīng)力安全系數(shù)為10，塔柱安全性、穩(wěn)定性較高，但工序繁瑣，效率低、成本高，某種意義上推遲了塔柱施工工期。

另一方面，為了滿足上下橫梁施工要求，上下橫梁支架本身具有較強(qiáng)的剛強(qiáng)度，且其主要鋼構(gòu)件以固定支座方式與塔柱進(jìn)行了穩(wěn)固的連接，與塔柱構(gòu)成了臨時(shí)穩(wěn)定框架，同樣增強(qiáng)了索塔施工過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性，在施工模擬計(jì)算中不宜忽略。因此如果考慮上下橫梁支架對(duì)塔柱的連接加固作用，臨時(shí)支撐方案存在更優(yōu)化的情況。

3.2 拉桿及橫撐的優(yōu)化方案

主動(dòng)橫撐使用的千斤頂標(biāo)定頂推力為100t，取0.8許用系數(shù)，施工最大頂推力為80t，即800kN；對(duì)拉桿張拉使用的千斤頂額定張拉力為50t，張拉4根Ф32mm精軋螺紋鋼，可提供200t對(duì)拉力，取0.9許用系數(shù)，施工最大張拉力為180t，即1800kN。

以降低下塔柱、中塔柱底部混凝土豎向拉應(yīng)力，取安全系數(shù)為3，豎向拉應(yīng)力按不超過(guò)0.6MPa進(jìn)行控制，作優(yōu)化如下。

①增加上下橫梁支架與塔柱連接加固作用，以降低中下塔柱底部出現(xiàn)的彎矩和拉應(yīng)力。計(jì)算過(guò)程中對(duì)橫梁支架與塔柱混凝土的結(jié)合采用嵌入單元技術(shù)命令強(qiáng)制將其與混凝土協(xié)調(diào)變形。

②取消對(duì)拉桿2；將對(duì)拉桿1位置上移一層增大力臂，即在3號(hào)混凝土塊澆筑完成時(shí)預(yù)埋拉桿孔，在4號(hào)混凝土塊澆筑完成后進(jìn)行張拉；對(duì)拉桿1的拉力由最初的1200kN提高到1800kN。

③取消橫撐1、4，并將主動(dòng)橫撐2下移至8#段頂部，橫撐2在9號(hào)段混凝土澆筑后橫撐施工，同時(shí)推力由500kN提高到800kN。

得到臨時(shí)支撐優(yōu)化布置方案見(jiàn)表4。

臨時(shí)支撐優(yōu)化布置方案 表3

圖5 優(yōu)化后拉桿橫撐布置示意圖

3.3 優(yōu)化施工模擬結(jié)果分析

優(yōu)化方案在對(duì)索塔施工全過(guò)程數(shù)值模擬時(shí)，考慮上下橫梁支架與塔柱連接加固作用，使上下橫梁支架與塔柱協(xié)調(diào)受力變形。得到結(jié)果分析如下。

3.3.1 橫梁支架結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性分析

上、下橫梁支架的安全穩(wěn)定性的驗(yàn)算，即要求每根鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求（包括壓桿穩(wěn)定），進(jìn)一步地支架各部分應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力值。

下橫梁支架主要由底部直徑720mm的支撐鋼管、雙拼工字鋼斜撐、H型鋼、工字鋼、槽鋼與頂部鋼板組成。下橫梁支架施工過(guò)程中最大位移云圖、組合應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示，結(jié)果顯示：下支架豎向位移最大值出現(xiàn)于頂部槽鋼中間位置，約為4.1mm，在變形允許范圍內(nèi)。整體最大應(yīng)力為44.6MPa，出現(xiàn)在主梁端部；其余鋼構(gòu)件，包括鋼管、型鋼、槽鋼、鋼板等，應(yīng)力均在0～40MPa之間。支架應(yīng)力均低于允許應(yīng)力，穩(wěn)定性滿足要求。

圖6 下橫梁支架位移云圖

圖7 下橫梁支架組合應(yīng)力云圖

上橫梁支架主要由底部斜撐鋼管、H型鋼、工字鋼、槽鋼與頂部鋼板組成。下橫梁支架施工過(guò)程中最大位移云圖、組合應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示，結(jié)果顯示：上支架豎向位移最大值出現(xiàn)在大梁中部，約為5.4mm，在變形允許范圍之內(nèi)；支架整體最大應(yīng)力42.7MPa，出現(xiàn)在中部斜撐鋼管端部；主梁（H型鋼）應(yīng)力最大24.4MPa；其余構(gòu)件應(yīng)力均在0～40MPa。支架應(yīng)力均低于許用應(yīng)力，穩(wěn)定性滿足要求。

圖8 上橫梁支架位移云圖

圖9 上橫梁支架組合應(yīng)力云圖

3.3.2 塔柱結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述優(yōu)化方案采用軟件模擬計(jì)算索塔施工過(guò)程，得到塔柱最大拉應(yīng)力變化曲線如圖9所示?？梢钥闯觯菏┕げ襟E6（添加下橫梁參與計(jì)算）、20（添加上橫梁參與計(jì)算）后，塔柱的最大豎向拉應(yīng)力明顯降低，說(shuō)明上下橫梁支架同樣可以增強(qiáng)了塔柱結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性。

對(duì)比優(yōu)化前后的塔柱應(yīng)力值，塔柱的最大拉應(yīng)力均發(fā)生在上橫梁澆筑時(shí)，優(yōu)化方案最大拉應(yīng)力值為0.27MPa，雖然大于初步方案的拉應(yīng)力值，但在允許應(yīng)力0.6MPa之內(nèi)，滿足安全穩(wěn)定性要求。

圖10 優(yōu)化前后最大拉應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

①考慮上下橫梁支架與塔柱連接加固作用，使上下橫梁支架與塔柱協(xié)調(diào)受力變形，根據(jù)優(yōu)化方案對(duì)塔柱施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，中下塔柱底部最大拉應(yīng)力值及支架組合應(yīng)力、變形值均在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明優(yōu)化方案滿足安全穩(wěn)定性要求。

②塔柱施工中添加上、下橫梁支架并參與計(jì)算后，塔柱的最大豎向拉應(yīng)力有增幅明顯降低，說(shuō)明設(shè)置上下橫梁支架增強(qiáng)了塔柱結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性。

③對(duì)比優(yōu)化方案和原始方案的數(shù)值模擬結(jié)果，塔柱的最大拉應(yīng)力均發(fā)生在上橫梁澆筑時(shí)，優(yōu)化方案最大拉應(yīng)力值大于初步方案的拉應(yīng)力值，但在允許應(yīng)力之內(nèi)，滿足安全穩(wěn)定性要求。優(yōu)化方案有簡(jiǎn)化施工工序、提高施工效率、縮短施工工期的優(yōu)點(diǎn)，可為類(lèi)似工程施工提供借鑒。