某斜拉桥双向倾斜桥塔主动横撑设计及施工控制

2014-04-07杜民清

河南科技 2014年20期

杜民清

（1.中国海洋大学，山东青岛 266100；2.德州市规划局，山东德州 253000）

1 前言

斜拉桥又被称作斜张桥，它是一种由多主塔和钢缆组成并支撑桥面的桥梁，由索塔、主梁、斜拉索组成，它是一种拉索体系，是以拉索受拉和索塔受压为主的桥梁。索塔型式有A 型、H型等，其材料包括混凝土和钢。斜拉桥是由承弯的梁体、受拉的索和承压的塔共同组合起来的结构体系，拉索的作用是在主梁内增加弹性支承，能使梁体内的弯矩减小，既节约材料，又能减轻结构重量。另外，斜拉桥相对于悬索桥，具有抗风性，其拉索的预应力能调整主梁的内力，使主梁的内力分布均匀，因此更加具有科学性和实用性。

斜拉桥是现代桥梁工程中经常采用的一种施工方案，它属于拉索体系，因为它比梁式桥的跨越能力更大，所以斜拉桥是大跨度桥梁的最主要桥型。截止到目前，我国已建成各种类型的斜拉桥100 多座，其中跨径大于200m 的就有55 座，特别是上世纪九十年代初建成的上海南浦大桥，因其主跨超过400m，开创了我国斜拉桥大跨度的先河。到现在，我国已成为世界上拥有斜拉桥最多的国家。

在桥梁工程中，斜拉桥主动横撑的设计及施工方法相关的参考文献或资料较少。基于此，本文以某双向倾斜桥塔斜拉桥为例，对其主动横撑的设计与施工、顶推力的确定等问题进行研究，这对桥梁工程的研究与发展有参考意义。

2 斜拉桥主动横撑的设计方案

2.1 设置主动横撑的原则和方法

由于A 形塔的塔柱横向向内倾斜，在施工过程中，桥梁的自重和施工荷载等会使塔柱根部出现弯矩，这样会使塔柱产生横向位移，外来的拉应力也会导致混凝土开裂。要解决这一问题，最好的方法就是设置主动横撑。主动横撑设置的目的是对塔柱的变形和应力进行双控，在便于施工的前提下，达到工程标准的成塔状态。主动横撑的位置与塔柱的施工工艺息息相关。主动横撑采用的结构通常是横向钢管结构，横撑分段与塔柱固结在一起形成框架。此时还要用千斤顶对中塔柱内侧塔壁施加预顶力，因为横撑本身刚度和强度较大，这样能克服中塔柱施工过程中因自重和施工荷载而引起附加应力的积累。

桥塔自重及施工荷载的横桥向作用力是双向倾斜桥塔施工中需要重点考虑的对象，此外，无索区塔柱段还要考虑顺桥向作用。中塔柱根部是顺桥向作用的附加拉应力最不利位置，所以顶推第1 道主动横撑并浇筑混凝土后，其对中塔柱根部截面影响就小了。第2 道横撑的位置需考虑轴向压应力和双向附加拉应力这两种力是否在第1 道横撑的截面处超限，如果超限，则应考虑设置临时拉索或临时支撑等结构。

2.2 主动横撑预顶力的确定原则及方案

主动横撑预顶力的确定要遵循内力控制为主、变形控制为辅的原则。其预顶力不宜过大，避免塔柱在横撑处出现横桥向位移。因此，准确实现理论预顶力是顶推控制方案中的重点和难点，其操作过程如下：

（1）严格把好原材料质量关。主动横撑的材料首先要刚度大，所选用的钢管是≥Q235 钢，单个横撑截面用规格相同的2个钢管布置。横撑的刚度必须要满足施工过程中的受力需要，同时该钢管的稳定性还要达到工程规定的标准范围。

（2）正确合理使用千斤顶。在施工现场，必须使用安全系数高、顶推吨位大、操作方便快捷的油压千斤顶，如果千斤顶持力效果差，就会对工程不利。因此，在操作中，把油压千斤顶顶推到位后，再用型钢在顶推位置焊接固定，如果焊接变形，则应通过试验得到所需补偿的超顶力。

3 某斜拉桥横撑施工工程实例

3.1 工程简介

某斜拉桥其主梁为钢－混组合结构，采用双索面斜拉桥方案，为墩、塔、梁固结体系。桥面上桥桥塔高108m，横桥向为A 字型，桥塔向边跨侧倾斜75°左右，顺桥向为变截面独塔。该斜拉桥主跨侧设置14 对拉索，边跨侧设置10 对拉索，这些斜拉索固定于主梁横梁的位置。其中，主跨侧拉索间距为13.1m，梁上斜拉索间距为9.2m。桥塔的中塔柱采用薄壁箱形截面，塔轴线顺桥向夹角为78°左右，横桥向夹角为84°。中塔柱高89m，根部尺寸为11×4.8m，线性渐变至桥塔汇合处，规格为6.10m×4.8m，壁厚顺桥向1.3m、横桥向为1.1m。

3.2 横撑设置方案

在对斜拉桥的相关数据进行详细计算后，得出以下横撑设置方案：在桥塔承台24m 处增设第1 道主动横撑，施加预顶力为2 415Kn；在桥塔承台35m 处增设第2 道主动横撑，施加预顶力为1 870Kn；在桥塔承台60m 处增设第3 道主动横撑，施加预顶力为1 790Kn；在桥塔承台94m 处即合拢处增设第4 道被动支承。每道横撑采用2 根810mm×15mm 钢管，并在每道横撑之间布置均匀的3 支应变计，用来监控顶推过程中及横撑工作期间的应力变化。

3.3 主动横撑的施工

主动横撑的施工首先用油压千斤顶顶推，然后用3 组双拼工字钢在顶推端两侧法兰中间进行焊接固定，本文将以第3 道横撑为例对主动横撑进行分析。横撑的单根钢管长度是11m，补偿焊接收缩变形的超顶力ΔF＝－645Kn，横撑工作期间平均环境温度为16℃，顶推第3 道横撑时环境温度为21℃，通过计算得出了温度影响预顶力调整值ΔF′＝81Kn。

此时第3 道横撑单根钢管工作预顶力F′＝F0＋ΔF′＝-854Kn。即使在同一根钢管上，3 只应变传感器读数也有很大差别，而且这种变化无规律。钢管偏心受压是造成这种变化的主要原因，偏心受压是由钢管和塔柱预埋钢板焊接、固定用型钢焊接不均匀造成的。所以在横撑设置的施工过程中，不但施工上要精益求精，还要合理地布设横撑应变传感器，这样可以减少施工过程中的不利情况。

3.4 主动横撑施工中的问题剖析

工作时间的长短与横撑顶推的温度对主动横撑的影响较大。如果横撑料和规格均相同，在温度相等的情况下，其内力影响值也相等。横撑的内力变化值随着中塔柱根部的横撑约束刚度的增大而变大。反之，内力影响值也会随着横撑约束刚度的减小而变小。另外，横撑材料也是影响内力值变化的因素，用于横撑的材料是Q235 钢材，钢材对温度的敏感度较高，因此横撑的内力值变化会很大。要把这一影响降低到最小限度，就要对横撑本身进行浅色涂装或进行洒水降温等。对于横撑的施工截面，要做到防止横撑钢管严重偏心受压失稳或连接焊缝断裂。

在施工过程中，由于测量精度原因，两片法兰之间放置的型钢应用锤击方式进行，以增加预顶力。在无索区桥塔施工过程中，对于横撑的设置应综合考虑，是疏是密，要从施工成本和是否对施工有利的角度考虑，做到合理设置横撑。如果横桥向弯矩产生的拉应力过大，应适当增加横撑数量进行布置；如果顺桥向弯矩产生的拉应力过大，应设置临时拉索。无论是横桥向还是顺桥向弯矩拉力过大，均可在塔柱不利位置加配竖向预应力钢束。对于混凝土的浇筑，特别是在桥塔中塔柱根部、合拢处等关键位置，应严格按照施工规范施工，防止产生非受力裂缝。

4 拆除横撑的施工要点

主动横撑的设置很重要，同样对主动横撑拆除时机的把握也很重要，拆除时机需根据工程实践来掌握。如果塔柱施工工期长，应在中塔柱合拢后拆除，避免温度变化对横撑内力造成影响。合拢后拆除也要考虑塔柱合拢处局部的预应力，因为横撑拆除后塔柱横向的刚度会下降，使合拢处拉应力增加。上塔柱的横撑要在施工1、2 节段后再拆除。双向倾斜桥塔的斜拉桥横撑的拆除，要考虑斜拉索的张拉值。在中塔柱的合拢处，由于索力的竖向分量在中塔柱根部产生的压应力储备往往远小于成桥状态，此时如果拆除横撑，就会造成2 个方向自重和施工荷载叠加，会增大中塔柱根部拉应力值，容易出现受力裂缝。此时对横撑的拆除就要考虑塔柱合拢处、中塔柱根部拉应力值是否容许，符合要求方可拆除，否则不能贸然处理。