吳凌峰

(西南交通大學土木工程學院,四川成都 100191)

橋塔是大跨度橋梁的重要受力構件。對于高度大，塔柱傾斜的橋塔來說，在施工過程中，裸塔處于傾斜懸臂狀態(tài)，隨著施工高度的增加，塔肢在自重、爬模及風等荷載作用下產(chǎn)生變形，對塔柱根部的受力產(chǎn)生不利影響。為保證塔柱在各個施工階段截面應力在規(guī)定的范圍內(nèi)，以及使橋塔在施工過程中的變形和橋塔的成橋線形能夠滿足設計要求，需要對橋塔進行施工控制[1-2]。目前普遍采用的做法是：在傾斜的塔柱之間設置一定數(shù)量的主動橫撐控制橋塔內(nèi)力，同時設置橫向預偏量確保橋塔線形[3-4]。

1 工程概述

新田長江大橋主橋為(247+1 020+280) m的雙塔單跨鋼箱梁懸索橋(圖1)。兩岸索塔均采用門式框架結構，塔柱為普通鋼筋混凝土結構，橫梁為預應力混凝土結構，高峰岸塔柱上游側高177.5 m,下游側高161.5 m，新田岸塔柱高均為177.5 m，兩岸錨碇均采用重力式錨碇。

圖1 新田長江大橋主橋立面布置(單位：cm)

2 橋塔施工方案及有限元建模

2.1 塔柱施工方案

塔柱采用液壓爬模施工，液壓爬模標準節(jié)段高度6 m，通過對塔柱節(jié)段劃分優(yōu)化后，最終將上游側塔柱劃分為30節(jié)，下游側塔柱劃分為27節(jié)(圖2)。為確保施工階段的橋塔應力和施工完成后橋塔的線形，采用設置主動橫撐的方式對橋塔施工進行控制。臨時橫撐布置方案對施工安全進行和橋塔應力合理分布起著關鍵作用[5]。

2.2 有限元建模

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋塔模型，根據(jù)橋塔實際施工過程進行結構離散化，塔柱、橫梁及支撐體系均用梁單元模擬，采用切線初始位移法正裝計算，計算模型如圖3所示。橋塔施工階段的荷載包括自重、橫梁的預應力荷載、施工臨時荷載以及橫撐的主動頂撐力，同時考慮溫度荷載和風荷載。根據(jù)橋塔的施工過程在有限元計算中共劃分為43個計算工況。

圖2 高峰岸橋塔立面布置和澆筑節(jié)段劃分

圖3 高峰岸橋塔有限元模型

3 主動橫撐方案比選

3.1 主動橫撐方案

在橋塔與橫撐形成的時變體系中，結構體系本身和施工荷載都在不斷變化，不同的施工路徑也改變著體系的邊界和約束條件，導致結構的內(nèi)力和變形不斷地重新分布[7-8]。針對新田長江大橋高峰岸橋塔，為控制施工過程中橋塔塔柱的變形和應力，結合現(xiàn)場實際，擬定三種主動橫撐方案：各方案的橫撐布置高度相同，每道橫撐均采用2根φ800×10 mm的水平鋼管；與方案二相比，方案一采用不同的橫撐初始頂撐力，方案三采用了不同橫撐頂撐時機，具體參數(shù)見表1，以此來研究橫撐初始頂撐力和頂撐時機對橋塔施工變形和應力的影響(圖4)。

圖4 高峰岸橋塔橫撐布置方案(單位:m)

3.2 塔柱位移

三種橫撐方案下，橋塔施工完成塔柱最大橫向位移值見表2。由表2可知：相同的橋塔施工方案，適當增加初始橫撐頂撐力可以改善塔柱內(nèi)傾情況，但不宜過大，以免塔柱外傾位移過大；相同的初始橫撐頂撐力，橫撐的頂撐時機對塔柱橫向位移影響較大，在下橫梁施工前，頂撐第二道橫撐，能有效控制塔柱的內(nèi)傾位移。綜上，從控制塔柱的橫向位移的角度，方案二為較好的選擇。

表1 高峰岸橋塔三種橫撐方案

3.3 塔底應力

三種橫撐方案下，橋塔施工過程中關鍵階段的塔底應力情況如圖5所示。由圖5可知：三種方案在施工過程中塔底均未出現(xiàn)拉應力，且壓應力均控制在22.4 MPa內(nèi)；方案一和方案三塔底內(nèi)外側應力差較大，均大于2 MPa，方案二塔底應力分布較為均勻,應力差控制在1 MPa左右。綜上所述，適當增大橫撐初始頂撐力以及選擇合理的頂撐時機(在橫梁施工前頂撐橫梁附近的橫撐)，可以有效控制施工過程中塔底的應力差。因此，從控制塔底應力的角度看，方案二為較好的選擇。

(b)方案二塔底應力

(c)方案三塔底應力

(d)三種方案塔底內(nèi)外應力差

3.4 橫撐內(nèi)力

三種方案在施工過程中出現(xiàn)的最大橫撐力見表3。三種方案在施工過程中均未出現(xiàn)拉力，橫撐始終處于受壓狀態(tài)，最大橫撐力出現(xiàn)在方案二中的第二道橫撐，此時橫撐的應力為74.2 MPa，在規(guī)范容許值范圍內(nèi)。通過計算，三種方案橫撐的強度和穩(wěn)定性都滿足要求。

表3 施工過程中最大橫撐力 kN

4 下橫梁施工方案研究

懸索橋橋塔下橫梁構造復雜，容易開裂，又是受力的關鍵部位，施工質量的好壞直接決定了橋塔的使用功能[6]。

4.1 下橫梁施工方案

上下橫梁均采用托架+型鋼主梁+盤扣支架的支架系統(tǒng)(圖6)現(xiàn)澆施工，塔梁異步施工，待爬模爬架爬升至下橫梁之上時開始下橫梁的施工。針對新田長江大橋，擬定了兩種下橫梁施工方案：

方案1：采用兩次澆注、一次張拉的施工工藝。先澆筑1/2下橫梁，待混凝土強度達到80 %，再開始澆筑上半部分，等后澆部分混凝土強度到達80 % 以上時張拉全部的預應力束。

方案2：采用兩次澆注、兩次張拉的施工工藝。先澆筑1/2下橫梁，待混凝土強度達到80 % 以上時先張拉下橫梁底層10束預應力束，張拉完畢再開始澆筑上半部分，等后澆部分混凝土強度到達80 %以上時張拉余下的預應力束。

圖6 下橫梁支架立面

4.2 下橫梁應力

限于篇幅，本文僅列出施工過程中受力最不利階段的應力計算結果，該階段為澆筑下橫梁上半部分，此時，下橫梁上半部分的重量由下半部分和支架共同承受。該階段下橫梁應力計算結果見圖7、圖8，由圖可知：方案一下橫梁出現(xiàn)了1.71 MPa拉應力，拉應力超出了規(guī)范限值，混凝土將會發(fā)生開裂；方案二下橫梁全部處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應力，最大壓應力值為6.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖7 方案一下橫梁應力計算結果(單位：MPa)

圖8 方案二下橫梁應力計算結果(單位：MPa)

5 結論

本文以新田長江大橋為研究背景，針對高峰岸橋塔，提出三種臨時橫撐方案，兩種下橫梁施工方案，分別進行了塔柱的位移、應力分析以及下橫梁應力分析，以選擇合理的臨時橫撐方案及下橫梁施工方案。通過分析對比，得出以下結論：

(1)三種臨時橫撐方案下，橋塔的位移和應力都能滿足要求，從控制橋塔位移和內(nèi)力的角度，方案二將是一個更合理的選擇。

(2)適當增大橫撐初始頂撐力以及選擇合理的頂撐時機(在橫梁施工前頂撐橫梁附近的橫撐)，可以有效控制施工過程中塔底的應力差，使塔底受力更均勻。

(3)兩次澆筑，兩次張拉的施工方案，可以使得下橫梁下半部分受上半部分荷載時不出現(xiàn)拉應力，保證混凝土不出現(xiàn)開裂，并有較大潛力來應付溫度下降所產(chǎn)生的彎矩；同時可以減小下橫梁支架的受力，節(jié)約支架的成本，降低工程造價。