關(guān)鍵詞：超高混凝土橋塔；水平橫撐；主動橫撐力；全截面受壓；成塔效果中圖分類號：U448.25 文獻標(biāo)識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.029文章編號：1673-4874（2025）03-0101-04

0 引言

懸索橋因其結(jié)構(gòu)跨越能力強、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)輕盈、材料利用率高、經(jīng)濟性及抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點在高原山區(qū)、公路市政、跨?？缃髽蛑械玫綇V泛應(yīng)用。懸索橋索塔結(jié)構(gòu)有H形、獨柱形、人字形、門字形等多種樣式，且其索塔塔柱通常呈現(xiàn)內(nèi)傾狀。索塔在施工過程中，在結(jié)構(gòu)自重、支架及模板等各種施工荷載作用下，隨著塔柱施工高度的增加，塔柱線形呈現(xiàn)變形增大而導(dǎo)致整體線形控制困難，塔柱外側(cè)應(yīng)力通常壓應(yīng)力減小甚至逐漸出現(xiàn)拉應(yīng)力而導(dǎo)致索塔結(jié)構(gòu)面臨開裂的風(fēng)險。因此，為了改善塔柱受力，在索塔施工過程中通常會在塔柱之間設(shè)置多道水平橫撐，從而優(yōu)化塔柱在施工過程中的變形和受力狀態(tài)。

目前國內(nèi)學(xué)者針對索塔水平橫撐開展了較多方面的研究。賀玖龍[1針對斜拉橋異形索塔線形及內(nèi)力的關(guān)鍵影響因素進行了分析，在此基礎(chǔ)上，對異形索塔的3道水平臨時橫撐的作用效果進行研究，提出了水平橫撐影響索塔施工控制的關(guān)鍵參數(shù)。方哲形等2以雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋一一舟岱跨海大橋鉆石形橋塔為依托，對其異形索塔臨時橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究，并分析了臨時橫撐安裝后索塔受力性能的改善情況。吳朝明3針對花江峽谷大橋索塔的主動橫撐設(shè)計及受力進行了系統(tǒng)研究和分析。李毅4以某雙向傾斜橋塔為背景，開展了主動橫撐設(shè)置方案、拆除時機及工藝的全面研究，提出了主動橫撐的設(shè)計原則、橫撐施工及拆除時應(yīng)重點關(guān)注的要點。嚴謹為研究主動橫撐的施工控制關(guān)鍵因素，以某獨塔斜拉橋主塔為依托，對主動橫撐的結(jié)構(gòu)布置及橫撐力進行了細致地分析比選，提出了一套橫撐設(shè)計的優(yōu)化方案，有效控制了施工過程中主塔結(jié)構(gòu)的受力。馬文榮等以某斜拉橋A形橋塔為對象，通過施工階段有限元模型分析和比選了主動橫撐的設(shè)置高程及頂撐力，優(yōu)化后的主動橫撐方案在確保塔柱受力安全的同時有效降低了施工成本。賽志毅等基于懸索橋內(nèi)傾式橋塔分別采用實體單元、桿系梁單元對主動橫撐進行仿真模擬，提出了實體單元和桿系梁單元的計算誤差及其各自的適用范圍，為橫撐結(jié)構(gòu)的仿真分析提供了有效的參考。當(dāng)前針對索塔水平橫撐的研究大多傾向于常規(guī)性結(jié)構(gòu)和異形結(jié)構(gòu)橋塔，主要圍繞橫撐結(jié)構(gòu)的計算方法、設(shè)計參數(shù)等方面，而對于超高混凝土索塔水平橫撐的施工技術(shù)及計算分析相對缺乏。因此，本文以某懸索橋超高混凝土索塔為工程對象，研究其水平橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計及布置，對其主動橫撐力的設(shè)置進行優(yōu)化分析，對該方案下施工全過程的索塔、水平橫撐及成塔效果進行了系統(tǒng)研究，形成了一套超高混凝土索塔水平橫撐施工關(guān)鍵技術(shù)，以期為后續(xù)同類型超高索塔結(jié)構(gòu)的施工提供一定的參考和依據(jù)。

1工程概況

某懸索橋為世界上最大高度的跨海大橋，橋面距離海面高度為 92m ，采用雙塔三跨鋼箱梁懸索橋結(jié)構(gòu)。其索塔為門式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總高度為 270m ，索塔塔柱及橫梁均采用C55混凝土，塔柱之間設(shè)置下、中、上共3道橫梁，塔柱分為塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱，高度分別為 7.5m，113m，70.5m，79m， 索塔共劃分為48個節(jié)段（不含塔冠）。索塔結(jié)構(gòu)布置及節(jié)段劃分如圖1所示。

索塔上中下塔柱斷面均為八邊形結(jié)構(gòu)，下塔柱斷面尺寸從下向上由 16m×13.5m×5m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度方向）漸變至12 m×8.5m×2.5m ，中上塔柱斷面尺寸從下向上由 12m×8.5m×2.5m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度方向）漸變至1 2m×7.5m×1.6m ，上橫梁采用帶凹槽的矩形截面，根部斷面尺寸為 12m×10.4m （寬 × 高），跨中斷面尺寸為8. ，端部及跨中的挖斷面分別為 5.7m×6.6m.5.7m×3.7n 寬 × 高），上部凹槽高 1.2m ，厚度為 10.5m. 。中、下橫梁斷面均為矩形截面，中橫梁斷面尺寸從根部到跨中由 12m×13.6m （寬 × 高）漸變到 7.5m×8.5m ，下橫梁斷面尺寸從根部到跨中由 14.7m×16m 寬 × 高）漸變到 10.3m×13m

2索塔水平橫撐設(shè)計

2.1水平橫撐布置原則

索塔水平橫撐根據(jù)其受力特征分為被動橫撐和主動橫撐，其中被動橫撐通常適用于中低高度、塔柱傾角較小的索塔，主動橫撐適用于各種高度和各種塔柱傾角的索塔。因此，此處針對超高混凝土索塔采用主動水平橫撐結(jié)構(gòu)。主動水平橫撐位置布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)綜合考慮以下原則：（1塔柱在各種懸臂施工狀態(tài)下，塔柱根部混凝土截面在各種施工荷載及自重荷載作用下不出現(xiàn)因拉應(yīng)力超標(biāo)而產(chǎn)生裂紋的情況；（2）塔柱在懸臂施工狀態(tài)下塔柱軸線偏位均在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)；（3）主動橫撐通常應(yīng)按照剛度大、數(shù)量少、穩(wěn)定性好、同一道橫撐的材料斷面優(yōu)先采用相同型號材料、安裝及拆除便捷的原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇。

2.2水平橫撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮該超高混凝土索塔的塔高、塔柱傾斜度、截面剛度及強度、施工臨時荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等因素，經(jīng)過初步計算分析，該索塔在施工過程中需設(shè)置5道主動水平橫撐，5道主動水平橫撐分別設(shè)置在塔柱57.25m、100.00m、154.75m、178.00m、220.00m的高度位置處，如圖2所示。每道水平橫撐均采用2根?1000mm×10m m的鋼管組成，鋼管與混凝土塔柱通過預(yù)埋件進行連接，以第1道水平橫撐為例，水平橫撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖3所示。

3索塔水平橫撐施工關(guān)鍵參數(shù)研究

3.1水平橫撐施工工序

索塔塔柱總體采用智能液壓爬模法進行施工，下橫梁采用支架法滯后于塔柱節(jié)段進行施工，中、上橫梁采用桁片托架法施工。水平橫撐最長為42.9m，分成2個節(jié)段運輸至現(xiàn)場后在現(xiàn)場進行拼裝，然后將拼裝好的水平橫撐用塔吊吊裝至設(shè)計位置，然后安裝2臺千斤頂，對水平橫撐進行頂推施工；當(dāng)每道水平橫撐的橫撐力頂推至設(shè)計值后，對水平橫撐進行焊接鎖定和固定，最后卸下千斤頂，完成水平橫撐的安裝。索塔各道主動水平橫撐的具體施工工序如表1所示。

3.2施工階段有限元模型

根據(jù)索塔施工各塔柱節(jié)段、水平橫撐的施工工序及索塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，采用有限元仿真軟件對索塔施工過程進行詳細模擬分析，建立索塔施工階段有限元模型如圖4所示。索塔塔柱、橫梁、支架均采用梁單元模擬，水平橫撐采用桁架單元模擬，塔柱與水平橫撐之間的連接采用剛性連接進行模擬。

利用索塔施工階段有限元模型，基于塔柱受力性能最優(yōu)、塔柱施工過程中線形及成塔線形平順及縱橫向軸偏最小的原則對5道主動水平橫撐的橫撐力進行綜合比選分析，得出各道水平橫撐的主動橫撐力如表2所示。

3.3橫撐力計算分析

4.1水平橫撐施工過程受力分析

4水平橫撐施工過程計算分析

水平橫撐安裝后，橫撐力會隨著索塔施工過程而不斷變化。通過索塔施工階段有限元模型，分別對5道水平橫撐的內(nèi)力進行計算分析，得出各道水平橫撐的橫撐內(nèi)力隨施工過程的變化分別如圖5至圖9所示。

由圖5至圖9的計算結(jié)果可知：

（1）該索塔的5道水平橫撐在索塔施工過程中內(nèi)力始終為負值，表明水平橫撐在施工階段是始終處于受壓狀態(tài)。

（2）第1道水平橫撐在施工全過程中最大內(nèi)力為-3093.0kN ，出現(xiàn)在工況28（塔柱25節(jié)段施工）階段；第2道水平橫撐在整個施工過程中最大內(nèi)力為 -4520.01kN 出現(xiàn)在工況39（塔柱25節(jié)段施工）階段；第3道水平橫撐在整個施工過程中最大內(nèi)力為-8163.7KN，出現(xiàn)在工況69（中、上橫梁剩余預(yù)應(yīng)力張拉）階段；第4道水平橫撐在整個施工過程中最大內(nèi)力為-8115.5KN，出現(xiàn)在工況69（中、上橫梁剩余預(yù)應(yīng)力張拉）階段；第5道水平橫撐在整個施工過程中最大內(nèi)力為-1756.6KN，出現(xiàn)在工況62（拆除中橫梁支架）階段。

（3）水平橫撐施工過程中最大壓應(yīng)力為 -82.9MPa 因此，水平橫撐在施工過程中結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

4.2 成塔效果分析

超高混凝土索塔采用5道主動水平橫撐并施加相應(yīng)的主動橫撐力。施工完成后，塔柱的應(yīng)力如圖10所示，塔柱的橫向變形如圖11所示。