A型索塔施工应力分析及应对技术

孙旭东

【摘 要】本文通过对某斜拉桥塔柱施工的实例计算分析索塔施工初应力，并采取水平拉杆、横向支撑的形式进行消除，通过多种方式的分析计算分别确定应力值，有效避免索塔因初应力引起的不良现象。

【关键词】A型索塔；施工应力；分析；应对技术

1 概述

某斜拉桥7号索塔为A型索塔，索塔高121.5m，设两道横系梁，索塔分为上塔柱和下塔柱两部分，其混凝土设计标号均为C50。索塔采用箱形截面，塔柱双向变坡。

上塔柱横桥向宽3.5m，顺桥向宽5～8m，塔高76m；下塔柱横桥向宽4～8m，顺桥向宽8～9米，下塔柱高为40.5m。索塔上横梁为实心截面，高2～2.5m，箱宽7.5m；索塔下横梁为箱型截面，箱高2.5～5m，箱宽7.5m，顶、底板厚度0.6m，腹板厚1.2米。

2 总体施工方案

本桥A型索塔由下塔柱、下横梁、上塔柱和上橫梁四部分组成。施工总体顺序为下塔柱→下横梁→上塔柱→上横梁。下塔柱和上塔柱采用翻模法施工。下横梁采用钢管柱支承，搭设万能杆件桁架梁承托的梁柱组合式落地支架施工。上横梁采用型钢托架支承，万能杆件桁架梁承托的现浇施工。在下塔柱施工至一定高度后施加一定横向拉应力，在下横梁施工完成后撤出。上塔柱在施工至一定高度后施加横向水平支撑，在上横梁完成后撤出。

3 下塔柱拉杆计算分析

本桥索塔下塔柱为倒八字形，在处于悬臂施工状态（即塔柱横梁未施工完成）时，其自重和施工荷载等在塔柱横截面上会形成弯矩，可能会导致塔柱薄弱截面（如下塔柱根部）边缘混凝土出现较大的拉应力而开裂，且成塔后压应力超出设计要求。为消除倾斜塔柱薄弱截面混凝土的不良应力状态，在施工过程中，设置拉杆形成反弯矩，抵消自重等产生的弯矩，以避免残余应力和裂缝。

3.1 计算条件

以高塔为例，下塔柱高40.5m，倾斜率高塔为4.154：1。施工节段划分为10段（2.25+8×4.5+2.25），所有节段均采用翻模工艺施工。

截面混凝土应力公式：

σ=（M/ I）y-M/A ≤Ri（拉应力为正，压应力为负）

式中：σ为截面边缘混凝土的计算应力；I为截面惯性矩；y为截面中性轴到边缘的距离；A为截面面积；Ri为控制应力，必须小于塔柱C50混凝土的抗拉设计应力，取Ri=1.0MPa。

塔柱作用力分析：

①已经浇筑的塔柱重力，混凝土重度25kN/m?。

②施工荷载。翻模（包括作用在模板上的施工荷载）按300kN 考虑，为竖直方向荷载，其作用点位于已浇筑段混凝土顶面以下约1.2m。

③浇筑下横梁第一级时，下横梁支架对塔柱的作用力。由于采用直板牛腿，作用力方向垂直向下。该位置钢管进行局部加强。

④主动拉杆作用力，水平方向。设拉杆主动力为F，则拉杆产生的弯矩为M=F×H。截面模量暂不考虑钢筋的作用，将其作为应力储备。

3.2 不设主动拉杆各工况塔肢根部截面应力分析

下塔柱根部在内塔壁向上收分，故底部截面比中间截面要强一些，同时计算根部截面和2号段底部截面。

3.2.1 施工工况分析

共分11个工况进行分析，分别是：3号段完成后翻模升到4号段时、4号段完成后翻模升到5号段时、……、9号段完成后翻模升到10号段时、拆除塔肢模板、安装下横梁支架并浇筑下横梁第一级混凝土、第一级混凝土达到85%强度后并张拉部分底板预应力、浇筑下横梁第二级混凝土。

3.2.2计算模型

采用结构力学求解器计算塔肢的内力和位移。各单元轴线为塔肢重心线。塔肢底端设为固结。塔肢重力按竖向的指向单元的均布荷载沿单元垂直方向分布。施工荷载和支架作用力作为集中力作用到相应位置。结构计算见下页图1。

由于下横梁底板预应力的张拉，工况9及以后，内塔肢根部截面内、外边缘的拉应力比之前最大应力要小，故不需计算，计算结果如表1所示：

3.3主动拉杆结构的设计计算

3.3.1 主动拉杆设置原则如下

（1）确保能消除消除倾斜塔柱薄弱截面混凝土的不良应力状态；

（2）设置位置合理，便于施工操作，同时不对后续施工造成不良影响。

3.3.2拉杆主动拉力计算

由表2的计算结果可以看出，在工况3即及浇注5节段混凝土时，塔肢根部内边缘的截面拉应力已经大于1MPa，故需要在浇注5节段混凝土前设置拉杆并施加拉力，以确保后续施工的安全，又因为施工标准节段为4.5m，为了施工方便起见，在9m处设置拉杆，较为合理，同时后续拉杆也均为9m一道，便于施工操作。

σ1=My/I=Fhy/I（拉应力为正，压应力为负）

式中：h、y、I等参数均为固定值，设置拉杆时塔柱底面应力由主动拉力产生的塔肢底面应力和不加主动拉杆时各工况塔肢底面应力叠加而成。

计算后得到拉杆力经取整后为2000kN。

3.4主动拉杆结构验算力学模型如图1所示，计算结果见表2。

由上表可知

最大拉应力为：0.347MPa≤1MPa，满足要求；

其水平方向位移远大于垂直方向位，水平方向最大位移：3.48mm≤H/3000=40500mm/3000=13.5mm，满足要求。

4 上塔柱横撑计算分析

上塔柱呈“八”字型，倾斜率高塔为7.6：1，随着塔柱混凝土的爬升，塔柱自由悬臂长度逐渐增大，塔身在混凝土自重、施工荷载、风载及日照温差等作用下，在上塔柱外侧根部产生很大的拉应力。为确保塔柱施工节段的稳定，控制其变形，消除上塔柱根部的施工初应力，在上塔柱双肢间需要设水平主动横撑。为了合理的设置水平主动横撑，以达到消除上塔柱根部的施工初应力，同时不至于因为水平主动横撑力过大而导致上塔柱根部内侧产生拉应力，需要对设置主动横撑力的大小进行计算。这里采用专业结构分析软件midas/civil建立索塔模型进行分析，所要达到的合理状态为上塔柱的根部内外侧应力在各阶段施加主动横撑后应大致相等，并同为压应力。主动横撑采用杆系结构，刚度设置为无限大，即在受力后不发生形变，而后根据杆的轴力对主动横撑力取整，去掉无限刚度系杆单元，在同样的位置对索塔施加取整后的主动横撑力，计算上塔柱根部的应力是否符合要求。

上塔柱主动横撑以10m设置一道，其模型及计算结果如图2所示：

由上图的计算结果可以得出上塔柱的水平主动横撑力如下表：

为确保施加主动应力后能达到预期效果，在上塔柱根部埋设应力测试元件，用以监测施加主动横撑前后上塔柱根部的应力，其布置如图3所示，布置2个测试断面，共8个测点。

为判断施加水平主动横撑的效果，现取第一道水平主动横撑施加前后上塔柱根部的应力监测结果为例加以分析，见表4。

数据显示，实测结果与理论计算相吻合，误差在传感器测量误差范围内，由数据可看出上塔柱根部外侧最大拉应力为0.215MPa，满足结构安全施工要求。当加第一道横撑后，根部全截面受压，说明施加横撑力后，有效地改善了结构受力，并给后续节段施工提供了足够的安全储备。

5 结语

通过文中介绍的两种计算方式，均能够准确计算A型索塔在施工过程中出现的应力，采用主动拉杆或水平横向支撑的形式有效抵消了施工应力，并付诸于施工实践中，确保了A型索塔的质量符合设计及规范要求。

参考文献：

【1】田克平.公路桥涵施工技术规范[S].北京.人民交通出版社.2011

【2】陈明宪.斜拉桥建造技术[M].北京.人民交通大学出版社.2003

【3】鲁军良.苏村坝大桥A型索塔施工技术[J].重庆.公路交通技术杂志社.2010