王達(dá)，系祖俊

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

組合梁斜拉橋以其良好的力學(xué)性能和優(yōu)美的造型已成為大跨度橋梁具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型，曲線形橋塔更能體現(xiàn)橋梁優(yōu)美的造型。由于曲線形橋塔塔柱橫向傾斜，塔柱節(jié)段自重及施工臨時(shí)荷載與塔柱軸線不重合，塔柱會(huì)產(chǎn)生較大橫向彎矩，若不采取有效措施，在施工階段塔柱根部易出現(xiàn)拉應(yīng)力及較大偏位，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)容許值時(shí)索塔有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。為改善索塔在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)，可在下塔柱設(shè)置對(duì)拉力、中上塔柱設(shè)置臨時(shí)橫撐，臨時(shí)橫撐與塔柱固結(jié)，形成框架結(jié)構(gòu)，以平衡橫橋向彎矩，增強(qiáng)塔柱的穩(wěn)定性。

1 工程概況

宜賓市鹽坪壩長(zhǎng)江大橋?yàn)殡p塔空間雙索面組合梁斜拉橋，跨徑為(193+480+193)m，邊跨為預(yù)應(yīng)力砼梁，中跨為邊鋼箱組合梁。橋塔總高182.922 m，橋面以上高128.6 m。橋塔采用空心箱形斷面，下塔柱尺寸由8.5 m(橫橋向)×11 m(順橋向)變化到6 m×11 m，塔壁厚1.6 m；中塔柱尺寸由6 m×11 m變化到6 m×7 m，塔壁厚度由1.6 m變化到1.3 m；上塔柱尺寸為6 m×7 m，塔壁厚1.3 m。橋塔采用C55砼，為預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，在塔柱內(nèi)部設(shè)置5組19φs15.20預(yù)應(yīng)力鋼束。索塔采用曲線鉆石形，塔柱輪廓由2段圓弧線組成，下塔柱外傾，中上塔柱內(nèi)傾，圓弧線在下橫梁處相切；下塔柱外側(cè)半徑162.875 m，內(nèi)側(cè)半徑159.322 m；中上塔柱外側(cè)半徑376 m，內(nèi)側(cè)半徑370 m。

2 “橫撐-對(duì)拉”設(shè)計(jì)原則

2.1 索塔應(yīng)力控制

下塔柱在施工期為外傾懸臂結(jié)構(gòu)，塔柱內(nèi)側(cè)受拉，通過(guò)在下塔柱設(shè)置對(duì)拉力，在減小下塔柱根部拉應(yīng)力的同時(shí)，提供更多壓應(yīng)力儲(chǔ)備；中上塔柱橫撐與對(duì)拉設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于中塔柱底部截面應(yīng)力控制，對(duì)于雙向傾斜橋塔，在2段圓弧相切處截面外側(cè)將產(chǎn)生最大拉應(yīng)力?？紤]自重、施工臨時(shí)荷載等因素對(duì)索塔的影響，采取如下拉應(yīng)力控制原則：

(1)

式中：σ為控制截面受拉邊緣計(jì)算拉應(yīng)力；Mx、My分別為順橋向、橫橋向自重及施工臨時(shí)荷載引起的彎矩；yx、yy分別為順橋向、橫橋向截面中性軸到受拉邊緣的距離；Ix、Iy分別為塔柱根部橫橋向、順橋向截面慣性矩；N為自重、施工臨時(shí)荷載在塔柱根部引起的軸力；A為塔柱根部控制截面面積；K為安全系數(shù)；R為砼極限拉應(yīng)力。

2.2 索塔變形控制

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，墩高H≤30 m時(shí)，其傾斜度不得大于H/1 500，且不大于20 mm；H>30 m時(shí)，傾斜度不得大于H/3 000，且不大于30 mm。

2.3 “橫撐-對(duì)拉”設(shè)置原則

因索塔剛度較大，索塔自重和施工荷載所產(chǎn)生的變形量較小，橫撐與對(duì)拉設(shè)計(jì)原則應(yīng)以應(yīng)力控制為主、變形控制為輔。臨時(shí)橫撐選用鋼管橫撐，采用被動(dòng)橫撐與主動(dòng)橫撐結(jié)合，并輔以對(duì)拉措施，改善橋塔應(yīng)力。在塔柱出現(xiàn)拉應(yīng)力前設(shè)置橫撐與對(duì)拉，保證能抵消下一節(jié)段不良應(yīng)力的影響。

3 鋼管橫撐設(shè)計(jì)位置及分析計(jì)算

采用有限元計(jì)算軟件MIDAD/Civil建立索塔模型(見(jiàn)圖1)，共計(jì)30個(gè)爬模施工階段，按照施工方案建立索塔施工階段，模擬索塔施工過(guò)程。

圖1 橋塔有限元模型

3.1 下塔柱對(duì)拉力設(shè)計(jì)分析

下塔柱根部砼截面應(yīng)力是整個(gè)下塔柱施工的關(guān)鍵控制因素。在施工到5#節(jié)段時(shí)，下塔柱根部截面內(nèi)側(cè)產(chǎn)生0.58 MPa拉應(yīng)力，9#節(jié)段(下塔柱頂)拉應(yīng)力達(dá)到2.0 MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，C55砼的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.89 N/mm2，應(yīng)在施工完4#節(jié)段時(shí)設(shè)置對(duì)拉力。4#節(jié)段施工完成后，在距離承臺(tái)頂24 m處設(shè)置6 000 kN對(duì)拉力，以抵消附加彎矩對(duì)索塔的不利影響。以塔底截面應(yīng)力和當(dāng)前節(jié)段位移為參考，變化情況見(jiàn)表1。

表1 下塔柱應(yīng)力及位移變化對(duì)比

下塔柱設(shè)置對(duì)拉力后，根部位置處截面內(nèi)側(cè)由0.58 MPa拉應(yīng)力減小為0.60 MPa壓應(yīng)力，且內(nèi)外側(cè)應(yīng)力接近；下塔柱施工完成后，根部截面拉應(yīng)力顯著減小，由1.95 MPa減小至0.70 MPa，可由預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋克服，最大壓應(yīng)力有所減??；而4#節(jié)段橫橋向累計(jì)位移由外傾0.90 mm減小至內(nèi)傾1.57 mm，下塔柱頂累計(jì)位移10 mm，可滿足線形要求，施加對(duì)拉力可達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 中塔柱橫撐設(shè)計(jì)分析

鋼管橫撐以保證塔柱根部截面拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求為原則。同一橫撐需選用2根尺寸規(guī)格相同的鋼管，通過(guò)在2根鋼管之間設(shè)置水平型鋼平聯(lián)保持鋼管穩(wěn)定。

橫撐安裝后，上部新澆砼自重和臨時(shí)荷載對(duì)橫撐處截面應(yīng)力影響較大。以新安裝橫撐位置處截面應(yīng)力為控制目標(biāo)確定下一橫撐位置高度，并以此類推確定其余橫撐位置。中塔柱根部應(yīng)力變化見(jiàn)圖2。由圖2可知：施工至16#節(jié)段時(shí)，根部截面外側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力；施工至18#節(jié)段時(shí)，塔底截面產(chǎn)生0.36 MPa拉應(yīng)力。根據(jù)索塔應(yīng)力控制原則，將橫撐設(shè)置在16#節(jié)段。

圖2 中塔柱根部應(yīng)力曲線(無(wú)橫撐)

在避讓爬模工作空間的前提下，在16#節(jié)段距離下橫梁中心40.6 m高度處設(shè)置第1道鋼管橫撐。考察在后續(xù)節(jié)段施工時(shí)第1道橫撐位置處截面應(yīng)力變化情況，確定第2道橫撐位置(見(jiàn)圖3)。由圖3可知：施工至20#節(jié)段時(shí)，第1道橫撐位置處截面外側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力；施工至22#節(jié)段時(shí)，拉應(yīng)力達(dá)到0.7 MPa。因此，在施工完第20#節(jié)段后，距離下橫梁中心55.3 m處設(shè)置第2道鋼管橫撐。

圖3 第1道橫撐截面應(yīng)力曲線

以上述橫撐布置為原則，在后續(xù)施工節(jié)段繼續(xù)考察新增橫撐處截面應(yīng)力情況，提出中上塔柱橫撐設(shè)計(jì)方案。在24#節(jié)段距離下橫梁中心80.5 m處設(shè)置第3道橫撐；在28#節(jié)段(塔柱合龍段)距離下橫梁中心102.5 m處設(shè)置第4道橫撐，并進(jìn)行頂推。經(jīng)有限元計(jì)算模擬，分析頂推前后控制截面應(yīng)力和附加彎矩?cái)?shù)值，確定頂推力大小為3 000 kN。

通過(guò)建立中上塔柱鋼管橫撐施工階段有限元模型，對(duì)中上塔柱控制截面應(yīng)力變化和塔頂橫向位移進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：中上塔柱設(shè)置臨時(shí)橫撐措施后，下塔柱由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力儲(chǔ)備增大；中塔柱內(nèi)外側(cè)均受壓，上塔柱頂內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差減小，塔頂位移減小至13 mm，滿足線形要求。

表2 橋塔應(yīng)力及位移變化對(duì)比

3.3 鋼管橫撐穩(wěn)定性驗(yàn)算

在塔頂節(jié)段施工完成后，各橫撐軸向壓力如下：第1道橫撐111.4 MPa，第2道橫撐91.6 MPa，第3道橫撐75.8 MPa，第4道橫撐9.7 MPa。為確保鋼管橫撐設(shè)置效果及施工安全性，對(duì)鋼管剛度及整體穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算分析。以第1道橫撐為例，鋼管的慣性矩為：

鋼管截面回轉(zhuǎn)半徑為：

鋼管長(zhǎng)細(xì)比為：

由軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)表查得鋼管穩(wěn)定性系數(shù)φ=0.891，根據(jù)GB 50017—2017，軸壓構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算公式為：

同樣驗(yàn)證第2道橫撐，得：

第3道橫撐為：

第4道橫撐為：

4道鋼管橫撐的穩(wěn)定性均滿足要求。

4 結(jié)論

(1)下塔柱對(duì)拉力的設(shè)置以塔肢根部截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力為原則，通過(guò)計(jì)算節(jié)段自重及臨時(shí)荷載所產(chǎn)生的附加彎矩確定對(duì)拉力數(shù)值。

(2)中塔柱被動(dòng)鋼管橫撐的安裝以塔柱根部和前一橫撐安裝位置處截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力為原則，采用被動(dòng)撐與主動(dòng)撐結(jié)合，能有效改善橋塔受力，防止橋塔出現(xiàn)較大偏位。

(3)采用有限元軟件模擬分析橋塔施工，以應(yīng)力為控制目標(biāo)確定橫撐及對(duì)拉的位置和數(shù)值大小，對(duì)橋塔施工具有一定指導(dǎo)意義。