钻石形斜拉桥主塔的施工横撑设计

段瑞芳 陈芮 杨欣

(1.陕西通宇公路研究所，陕西西安 710064;2.西安公路研究院，陕西西安 710054;3.陕西省公路勘察设计院，陕西西安 710068)

0 引言

斜拉桥钻石形主塔中塔柱倾斜向上而且存在很大的斜率，中塔柱在大斜率状态下由自重和施工荷载等产生的水平分力在中塔柱根部形成较大的弯矩，使中塔柱根部外侧混凝土出现较大的拉应力而引起开裂，且成塔后中塔柱内侧压应力严重超出设计要求，从而影响索塔使用寿命。因而需在施工过程中设置一定的支撑来减少水平分力的影响，使施工附加应力控制在设计允许范围内［1］。

为消除倾斜塔柱根部混凝土的不良应力状态，需在施工过程中，在两塔肢间设置一定数量的水平横向支撑来减少水平分力的影响，使施工附加应力控制在设计允许范围内。早期普遍采用的方法是在两塔肢间设置被动力横撑，即在中塔柱施工到一定高度后，在两塔肢间设置横撑，与塔柱临时固结，被动消除后续施工对中塔柱根部的不利影响。但这种方式并不能完全消除横撑设置前施工产生的不利影响，因此在成塔水平横撑解除后，中塔柱根部的残余应力仍然很大。为避免这一不利情况，采用主动横撑的方式效果较好，即在中塔柱施工到一定阶段，通过横向支撑施加主动水平力来抵消由于中塔柱倾斜产生的水平分力，使中塔柱根部外侧混凝土的拉应力小于设计允许值，以避免根部混凝土产生较大的残余应力甚至裂缝［2］。

而本文以某斜拉桥的钻石形桥塔为研究对象，通过有限元分析了下、中塔柱的根部应力，设计了中塔柱横撑的位置和顶推力，为这一类钻石形桥塔的横撑设计提出了一种思路。

1 施工横撑的设计思路

主塔的大斜率在悬臂状态下由自重和施工荷载等在塔柱根部形成较大的偏心弯矩，设置一定数量的水平支撑，并施加主动支撑力来尽量减少水平分力的影响，使施工阶段的附加应力控制在允许范围内，是一种有效的施工控制措施。主动横撑的设计包括横撑位置、主动力和横撑结构的选定。由于塔柱根部截面应力控制是整个塔柱施工方案设计中的控制关键，应根据塔柱根部在悬臂浇筑过程中自重、温度、收缩徐变、支撑主动力、施工荷载作用下，应力刚好满足要求的最大悬臂高度再扣除一定的高度(主要考虑爬模工作空间并结合塔吊和电梯附墙位置)来确定横撑位置［3］。

在下塔柱施工过程中，最不利截面为下塔柱的根部，下横梁施工完成后，中塔柱施工采用主动横撑的方法以保证中塔柱根部外侧混凝土的拉应力小于设计允许值，避免根部混凝土产生较大的残余应力甚至裂缝。本文按施工单位提供的横撑方案，通过优化横撑顶推力，以保证中塔柱根部控制截面的拉应力小于1 MPa，从而确保施工过程中塔柱的安全。

2 工程应用

钻石形斜拉桥主塔，塔高度较大，混凝土数量多，施工难度较大，通常采用爬模施工，横梁采用支架法施工(见图1)。

1)计算参数。塔柱材料为C50混凝土，其弹性模量和容重为E=3.45 ×104，γc=26 kN/m3;横撑钢管:壁厚 10 mm，直径为800 mm。

2)作用荷载。a.塔柱在其自重下作用。b.计入重力二阶效应分析。

3)计算模型。有限元模型采用梁单元建模，模型共分为64个节点，69个单元。分析塔柱的施工过程，共分为22个施工阶段:第1个施工阶段为下塔柱翻模施工，对应塔柱1节段～4节段;第2个施工阶段为下横梁的施工，对应塔柱5节段以及下横梁;第3～15施工阶段为对应塔柱的6节段～18节段爬模施工;第16阶段为中横梁的施工;第17～19阶段为塔柱19节段～21节段的施工;第20阶段为上横梁施工;第21阶段为22节段的施工。

计算模型如图2所示，边界条件约束支架底部全部为6个自由度。塔柱模型如图3所示。

3 计算内容

3.1 塔柱应力验算

3.1.1 下塔柱施工阶段分析

下塔柱施工于最大悬臂工况时，在塔柱根部处产生最大拉应力，最大拉应力值为0.38 MPa(实体单元算得最大主拉应力为0.25 MPa)。

在后续桥塔施工过程中，下塔柱塔底截面拉应力的变化见图4，可见在主塔施工过程中下塔柱根部截面拉应力小于1 MPa(C50混凝土的抗拉设计强度ftk=2.47 MPa)，其根部截面应力不会超限，该截面并非塔柱施工过程中的应力控制截面。

3.1.2 中塔柱施工阶段分析

在无横撑支撑条件下，上塔柱施工至18号节段时，在中塔柱根部处产生最大拉应力，最大拉应力值为9.03 MPa(实体单元算得最大主拉应力为8.22 MPa)。

在桥塔施工全过程中，中塔柱塔底截面拉应力见图5，在中塔柱至12号块后，中塔柱塔底截面拉应力均大于C50混凝土的抗拉强度(ftk=2.47 MPa)，可见中塔柱根部截面在塔柱施工过程中应重点监控，并且需要在中塔柱施工过程中增加横向临时支撑去保证中塔柱根部截面应力不超过抗拉强度的限值。

3.2 中塔柱施工的横撑顶推力设置

为了保证施工过程中塔柱的安全，在距离下横梁顶部17 m及33 m处共设置两道钢管横撑，通过施加水平力来限制中塔柱根部的拉应力。结合已有经验，以保证中塔柱根部截面拉应力不高于1 MPa为目标，来设计横撑的顶推力。

随着中塔柱的伸长，根部拉应力逐渐增加。当中塔柱施工至12号块时，中塔柱根部验算截面的拉应力为1.41 MPa，因此在爬模施工至12号节段时，应在预定下横撑的位置施加400 kN的顶推力，以保证中塔柱根部外侧混凝土的拉应力小于设计允许值，进一步的，后续各施工阶段中上、下横撑应逐渐调整顶推力，以保证结构应力安全(见图6)。

中横梁施工完后，塔柱形成两层闭合框架，如果此时不再施加顶推力，在上塔柱剩余施工阶段的过程中，中塔柱根部验算截面拉应力均小于1 MPa。

中塔柱及上塔柱各施工阶段所需的横撑顶推力及应力对照情况见表1。

表1 中塔柱及上塔柱施工过程中顶推力的设计表

表1中:压应力为负值，拉应力为正值，施加横撑顶推后，塔柱施工过程中，中塔柱各截面最大拉应力都控制在1 MPa以下，如图7～图9所示(拉应力为正，压应力为负)。

4 结语

结合施工方案，对塔柱施工过程的安全和线性变换展开计算分析。采用主动横撑的方式，即在中塔柱施工到一定阶段，通过横向支撑施加水平力的方式调整塔上应力和位移，以保证施工过程最不利截面(中塔柱根部)外侧拉应力小于设计值;并通过计算在施加外顶力后塔柱的位移情况，为施工过程设置塔柱预偏提供参考，以保证塔柱的成塔线型。

具体结论如下:

1)下塔柱在施工的过程中，根部截面应力最大拉应力为0.38 MPa，不会超限。2)中塔柱施工过程中，根部截面应力最大拉应力达9 MPa，已经超限，需要采用辅助措施来保证施工过程的塔柱安全。3)根据塔柱施工方案，对横撑支撑力进行优化，给出一组顶推力建议值。该组建议值可使整个施工过程塔柱拉应力控制在1 MPa内。

［1］ 焉学永，张念来，欧阳钢，等.安庆长江大桥索塔中塔柱施工技术［J］.中外公路，2004(6):65-68.

［2］ 侯彦明，高敏杰，王宏畅.灌河斜拉桥索塔中塔柱主动横撑结构的优化设计［J］.公路交通技术，2009(1):57-60.

［3］ 许佳平.武汉市金桥大道快速通道斜拉桥主塔施工研究［J］.交通科技，2011(3):10-13.

［4］ 余定军，王吉英.斜拉桥钻石形主塔下横梁与塔柱异步施工技术［J］.公路，2010(11):7-11.