李 文

(寧德市交通投資集團(tuán)有限公司，寧德 352100)

1 引言

斜拉橋具有承載能力高、跨越能力強的特點，在大跨徑橋梁建造過程中，斜拉橋具有良好的競爭力。隨著橋梁技術(shù)的進(jìn)步， 對斜拉橋結(jié)構(gòu)體系及受力性能設(shè)計的相關(guān)研究已經(jīng)日趨成熟， 同樣對于斜拉橋的施工工藝和施工技術(shù)也積累了較為豐富的實踐經(jīng)驗[1-2]。

橋塔是斜拉橋的重要組成構(gòu)件， 也是斜拉橋承載的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。 目前，大跨徑橋塔多采用A 型、倒Y 型、鉆石型、花瓶型等雙肢結(jié)構(gòu)形式，在下塔柱及中塔柱區(qū)段在橫橋向處于分肢狀態(tài)，通過下橫梁連接；在上塔柱合并于一體或通過中橫梁及上橫梁連接。 分肢塔柱施工過程中斜度較大，受自重和施工臨時荷載影響，塔柱根部和下橫梁最外側(cè)處產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成不利工況[3]。 在塔柱合攏封頂時的內(nèi)力狀態(tài)與橋塔施工過程中臨時水平支撐的設(shè)置與調(diào)整密切相關(guān)。 且塔柱在施工過程中形成的內(nèi)力狀態(tài)在其封頂后是不可調(diào)整的， 故如何獲得塔柱封頂時的最合理狀態(tài)，對橋塔施工意義重大[4-5]。

目前關(guān)于橋塔施工的相關(guān)研究主要集中在塔柱施工的總體工藝，塔柱模板系統(tǒng)及施工質(zhì)量控制等方面[6-7]。對于分肢塔柱在施工過程中如何設(shè)置水平臨時支撐的研究相對較少， 在施工方案制定中塔柱臨時支撐的設(shè)計也較為隨意， 導(dǎo)致了應(yīng)力控制不佳或施工臨時措施費用過高的情況。針對這一技術(shù)問題，本文以沙埕灣跨海大橋為依托， 對塔柱施工過程中水平臨時支撐的優(yōu)化問題進(jìn)行研究，以提出合理的支撐方案，并建立塔柱水平支撐的優(yōu)化方法。

2 工程概述

沙埕灣跨海大橋主橋跨越竹甲鼻至青嶼之間的水域， 兩個主塔基礎(chǔ)均座落于海灣岸上。 主橋跨徑布置為(49+58+61)+535+(198+60)=961 m，如圖1 所示。 大橋主跨跨徑為535 m，采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)；大樁號側(cè)邊跨跨越能力要求高，該側(cè)邊跨采用與主跨相同的鋼箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑為258 m，邊中跨比為0.482；小樁號側(cè)邊跨跨越能力要求小，故在邊跨側(cè)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑為168 m，邊中跨比為0.314。 通過兩側(cè)邊跨的不對稱布置，充分發(fā)揮了鋼梁跨越能力強的特點，節(jié)約了橋梁的總體造價。

圖1 沙埕灣跨海大橋總體布置圖(單位：cm)

主橋采用半漂浮體系， 索塔處設(shè)置豎向球形支座和橫向限位支座，北跨設(shè)置2 個輔助墩，南邊設(shè)置1 個輔助墩，輔助墩設(shè)置雙向活動支座，南、北過渡墩均設(shè)單向(縱向)活動支座，在索塔主梁連接處設(shè)置縱向限位擋塊和阻尼限位裝置。

索塔采用花瓶型索塔， 斷面為空心箱形， 包括樁基礎(chǔ)、承臺、塔座、塔柱、橫梁、塔冠、裝飾塊、鋼錨梁及鋼牛腿等，采用C50 海工混凝土。 北索塔塔座底面高程8.010 m，塔底面高程10.010 m，塔頂高程197.410 m，索塔總高度189.400 m， 南索塔塔座底面高程7.955 m， 塔底面高程9.955 m，塔頂高程200.155 m，索塔總高度192.200 m。 下橫梁梁高7.0 m，寬度9.5 m，壁厚1.0 m；中、上橫梁梁高4.8 m，寬度7.6 m，壁厚0.9 m。 索塔橫梁及上塔柱斜拉索錨固區(qū)為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁縱向鋼筋均錨固于塔柱內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼束錨固于塔柱外側(cè)，采用塑料波紋管，真空輔助壓漿，深埋錨工藝，其他部分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 主塔施工工藝

3.1 主塔施工工藝

本項目兩側(cè)橋塔的總高度略有不同， 在設(shè)計時以下橫梁以上構(gòu)造相同為原則， 通過下塔塔柱高度變化進(jìn)行調(diào)整，以南塔為例，塔柱的主要尺寸構(gòu)造如圖2(a)。 在施工期間中、上塔柱采用同樣的分節(jié)形式進(jìn)行分段施工，下塔柱南塔(大樁號側(cè))分為11 節(jié)，北塔下塔柱施工分為10節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)分節(jié)長度為4.5 m，如圖2(b)。中塔柱施工分為20節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)分節(jié)長度為4.5 m，上塔柱施工分節(jié)為13 節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)分節(jié)長度為4.5 m。

圖2 南塔構(gòu)造與施工分節(jié)示意圖(單位：cm)

以南塔為例， 第1 節(jié)段使用液壓爬模模板并搭設(shè)施工腳手架作為外操作平臺。在首節(jié)完成后，安裝液壓爬模承重平臺及上爬架，第2 節(jié)段可進(jìn)行爬模施工。第2 節(jié)施工完成后安裝軌道，爬升架體，安裝平臺，進(jìn)行下塔柱各節(jié)段的爬模施工。下橫梁分為兩層，分別對應(yīng)第10、11 節(jié)同步澆筑。第9 節(jié)混凝土澆筑完成后拆除爬模架體，安裝下橫梁支架牛腿、主橫梁、貝雷梁，鋪設(shè)分配梁和底模后同步進(jìn)行下橫梁第一層和塔柱第10 節(jié)施工。橫梁第二層和塔柱第11 節(jié)施工完成后， 利用第11 節(jié)段頂口的預(yù)埋件安裝施工平臺，立模澆筑第12 節(jié)段混凝土。第12 節(jié)施工完成后安裝爬模系統(tǒng)， 完成爬模坡度轉(zhuǎn)換后中塔柱混凝土逐節(jié)施工。中上塔柱的邊坡轉(zhuǎn)化不再拆除爬架系統(tǒng)，中、 上塔柱變坡點通過調(diào)整軌道角度適應(yīng)變坡點角度變化的要求。

索塔下橫梁支架采用落地支架， 中上橫梁均采用空中支架。

3.2 優(yōu)化前臨時支撐布置方案

原施工計劃中南塔下橫梁分兩層，分別與第10 節(jié)和11 節(jié)分兩側(cè)同時澆筑，在下塔柱施工過程中不設(shè)置水平拉桿。

南塔中塔柱施工過程中擬設(shè)置三道臨時水平支撐，第一道水平支撐對應(yīng)高程為標(biāo)高75.11 m， 位于第16 節(jié)段，在第17 節(jié)施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動施加頂推力4429 kN。第二道位于標(biāo)高96.81 m ，位于第21節(jié)段，在第22 節(jié)施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動施加頂推力3680 kN。 第三道位于標(biāo)高118.51 m，位于第26 節(jié)段，在第27 節(jié)施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動施加頂推力3448 kN。

4 塔柱臨時支撐優(yōu)化分析

4.1 臨時支撐優(yōu)化原則

大跨徑斜拉橋的橋塔在橫橋向一般采用分肢結(jié)構(gòu)，因斜度較大，在施工過程中受自重和施工臨時荷載影響，塔柱根部和下橫梁最外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成不利工況，需要通過臨時拉桿或撐桿的設(shè)置形成多點框架結(jié)構(gòu)， 調(diào)整主塔在施工過程中及成橋狀態(tài)的內(nèi)力狀態(tài)， 防止混凝土出現(xiàn)受拉破壞和裂縫。 如何進(jìn)行塔柱施工過程臨時支撐的設(shè)置是橋塔施工過程中需要解決的主要問題之一。

臨時拉桿及支撐設(shè)置應(yīng)滿足以下目的： 一是保證在施工過程中塔柱各斷面的出現(xiàn)的最大應(yīng)力及位移可滿足要求。 對于混凝土塔柱在施工過程中塔柱自身的變形相對較小，一般以斷面應(yīng)力控制，根據(jù)以往類似工程的相關(guān)經(jīng)驗， 可按照塔柱各斷面出現(xiàn)的拉應(yīng)力不超過1 MPa[8](C50 混凝土抗拉強度設(shè)計值為1.89 MPa) 作為水平支撐設(shè)置的原則之一。 二是塔柱施工完成后可達(dá)到理想的內(nèi)力狀態(tài)。塔柱的受力是以承壓為主，塔柱的內(nèi)力一般按照橋塔一次成型控制內(nèi)力， 臨時支撐的塔柱控制斷面的內(nèi)力應(yīng)盡量與一次成型的內(nèi)力狀態(tài)相近。

基于上述優(yōu)化原則， 可先按照不設(shè)置臨時支撐進(jìn)行各施工工序的力學(xué)性能分析， 確定在下橫梁施工前塔柱各斷面應(yīng)力是否超限， 在塔柱應(yīng)力超限對應(yīng)的工況前安裝水平拉桿，水平拉桿的內(nèi)力以塔根彎矩盡量小為原則，完成水平拉桿優(yōu)化。

中塔柱撐桿安裝以無撐桿狀態(tài)進(jìn)行各節(jié)段施工過程受力狀態(tài)的計算，在斷面拉應(yīng)力超限前設(shè)置水平支撐，在中塔柱合攏前下橫梁位置塔柱的彎矩盡量小。

4.2 臨時拉桿優(yōu)化

橋塔施工原方案不設(shè)置水平拉桿， 在實際施工過程中為了提高施工效率，縮短施工周期，采用塔柱與橫梁異步施工的方式進(jìn)行下橫梁施工。結(jié)合異步施工的變化，對下塔柱過程中的水平拉桿設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化。 在塔柱施工過程中塔根部應(yīng)力控制斷面為P1 點(圖2b)所在位置，在中塔柱施工過程中在下橫梁以上位置的應(yīng)力控制點位置為下橫梁最外側(cè)，即P3 點(圖2b)。 在不考慮下橫梁及臨時水平支撐的作用時在各施工工況下3 個控制點的應(yīng)力隨著施工步驟的變化的邊跨如圖3 所示。

圖3 臨時支撐優(yōu)化流程示意

從圖3 中可知，在不設(shè)置水平拉桿時施工至9 號節(jié)段時塔柱根部內(nèi)側(cè)點p1 處拉應(yīng)力超過了1 MPa，因此在施工至9 號節(jié)段時應(yīng)該在8 號塊位置設(shè)置水平拉桿。 根據(jù)拉桿構(gòu)造可設(shè)置拉桿水平力5000 kN， 在拉桿張拉后施工至15 號節(jié)段時塔根部內(nèi)側(cè)點p1 處拉應(yīng)力又超過了1 MPa。 而中塔柱不設(shè)置水平支撐時， 當(dāng)塔柱施工至19號節(jié)段時， 塔柱下橫梁外側(cè)點P3 的拉應(yīng)力超過1 MPa。綜合塔根截面和上橫梁截面的內(nèi)力變化情況可知， 本橋在下塔柱施工過程中應(yīng)設(shè)置水平拉桿， 拉桿力可控制在5000 kN。 下橫梁與橋塔進(jìn)行異步施工時，塔柱在施工15號節(jié)段前應(yīng)該完成下橫梁施工。

4.3 臨時撐桿優(yōu)化

在下橫梁施工后塔柱在下橫梁位置外側(cè)點P3 成為在塔柱施工過程中拉應(yīng)力最大位置， 且為塔柱施工過程中的控制性斷面。 p3 點的拉應(yīng)力隨著施工節(jié)段施工的變化情況如圖4 所示。

從圖4 可知， 在下橫梁施工完成后， 當(dāng)節(jié)段施工至20 號節(jié)段時，塔柱外側(cè)點p3 處拉應(yīng)力超過了1 MPa。 因此， 在施工至20 號節(jié)段時應(yīng)該在19 號塊位置設(shè)置水平支撐。 可設(shè)置第一道支撐的水平力為4000 kN，在第一道支撐施加后， 施工至23 號節(jié)段時塔柱外側(cè)點p3 處拉應(yīng)力又超過了1 MPa。 因此，在施工至23 號節(jié)段時應(yīng)該在22 號節(jié)段位置設(shè)置第二道水平支撐，第二道水平支撐力可按照4500 kN 施加。 在第二道支撐施加后，施工至28號節(jié)段時塔柱外側(cè)點p3 處拉應(yīng)力又超過了1 MPa。 故在施工至27 號節(jié)段時應(yīng)該在26 號節(jié)段位置設(shè)置第三道水平支撐，第三道水平支撐力可按照5000 kN 施加。在第三道支撐施加后索塔施工至中橫梁之前p3 點處的拉應(yīng)力均超過1 MPa，但在上塔柱施工時p3 點的拉應(yīng)力增長很快，故應(yīng)該將中橫梁與上塔柱進(jìn)行同步澆筑，避免在上塔柱施工過程中導(dǎo)致p3 點應(yīng)力超限。

圖4 臨時撐桿優(yōu)化

5 結(jié)語

本文以沙埕灣跨為大橋為背景對超大跨徑斜拉橋橋塔施工過程中臨時支撐設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化分析， 得到以下結(jié)論：

(1)塔柱施工過程水平臨時支撐的設(shè)置應(yīng)以控制斷面拉應(yīng)力不超過控制標(biāo)準(zhǔn)為主要依據(jù)， 并盡量使其成型時的內(nèi)力與一次落架施工塔柱的內(nèi)力接近。

(2)通過無支撐狀態(tài)下控制點應(yīng)力變化曲線可準(zhǔn)確得到水平臨時支撐設(shè)置的位置及工況， 以支撐構(gòu)造強度確定合理支撐力，依次得到各水平拉桿的位置與內(nèi)力。

(3)沙埕灣大橋應(yīng)在下塔柱設(shè)置一道水平拉桿，中塔柱設(shè)置三道臨時支撐可滿足塔柱施工過程的受力要求，下橫梁之后對于塔柱施工階段異步施工不應(yīng)滯后超過4個節(jié)段，中橫梁與上塔柱應(yīng)同步澆筑。