混合梁斜拉桥索塔与下横梁异步施工控制分析

陈月萍，张建飞，胡强圣

(安庆职业技术学院 建筑工程系，安徽 安庆 246000)



混合梁斜拉桥索塔与下横梁异步施工控制分析

陈月萍，张建飞，胡强圣

(安庆职业技术学院 建筑工程系，安徽 安庆 246000)

摘要：某特大桥索塔采用钻石型混凝土索塔，索塔总高度为177.91 m，在下塔柱与中塔柱相交位置设置一道下横梁。施工中塔柱与下横梁采用异步施工，即先将中塔柱施工到第二节段再进行下横梁施工。期间，索塔会出现悬臂状态，故索塔的薄弱截面易出现拉应力，这在桥梁施工中是要避免的，为此，先通过模拟分析异步施工过程对索塔的影响，给出相应的施工控制措施。

关键词：混合梁斜拉桥；索塔；异步施工；主动支撑；施工阶段

1工程概况

某特大桥主桥设计桥型为钢箱混合梁斜拉桥，全长909.10 m，中心里程DK18+354.33m。主桥共设两个索塔，南北方向布置，主跨468.00 m，索塔设计形式为钻石型塔，如图1。

索塔塔柱包括：塔顶装饰段，上塔柱，中塔柱(包含中、下塔柱连接段)。下塔柱和下横梁，采用C50混凝土。塔柱底面标高为4.500 m，塔顶标高为182.410 m，索塔总高度为177.91 m，其中，塔顶装饰段为1.50 m，上塔柱为62.91 m，中塔柱高为86.09 m，下塔柱高为27.41 m，如图2。

图1混合梁斜拉桥立面布置图(单位：m)

2施工方法介绍

在下横梁未施工之前，索塔的左右塔肢没有横向联系，如本工程索塔施工到第7、第8施工节段，即索塔与下横梁未形成框架体系。若索塔继续施工，索塔悬臂段的长度逐渐变大，这对索塔是极其不利的。索塔施工到一定长度有倾斜的悬臂状态时，索塔和横梁必须连成框架才能继续往上施工塔柱。索塔与下横梁施工的常用方法有：索塔与下横梁异步施工和索塔与下横梁同步施工。

2.1　索塔与下横梁异步施工

索塔与下横梁异步施工，有先施工索塔后施工下横梁和先施工下横梁后施工索塔两种方法：前者是指下塔柱施工的同时搭设下横梁支架，待索塔施工到一定高度时，索塔停止施工，浇筑下横梁，下横梁达到一定强度时即与索塔形成框架，索塔再继续施工；后者是指索塔未施工到下横梁位置时，下横梁已施工完毕且预留接头，待索塔施工到与下横梁高度一致时，索塔与下横梁一起浇筑，形成框架结构。本工程采用先施工索塔再施工下横梁的方法，如图3。

图2索塔施工节段划分示意图

2.2　索塔与下横梁同步施工

索塔与下横梁同步施工是指索塔施工到与下横梁高度相同时，将索塔与下横梁作为一个整体，同时搭设支架模板，整体浇筑混凝土。此法通常需分次进行同步浇筑，多个作业面不能同时展开。混凝土浇筑不易达到质量要求，且对下横梁支架要求高，需增加临时设施材料的费用。

3异步施工有限元模型建立

3.1　索塔施工阶段划分

施工分阶段施工, 其阶段划分情况为，下塔柱：6.000 m+3×4.470 m+3.500 m+4.500 m，共6个施工阶段；中塔柱：14×6.025 m，共14个施工阶段；上塔柱：3×6.025 m+3.644 m+7×6.130 m+1.500 m，共12个施工阶段，如图2。

3.2　模型建立

采用Midas Civil有限元分析软件建立索塔施工阶段模型，主动支撑采用桁架单元。本模型共90个节点，桁架单元有4个，梁单元有85个。塔底采用固结方式，中塔交汇处采用刚性连接，下横梁与索塔采用刚性连接。

3.3　荷载取值

荷载主要考虑索塔自重、爬模自重、拉杆预拉力、下横梁预应力和横向支撑主动力。下塔柱拉杆初拉力采用节点荷载模拟；建立模型时，利用钢管单元温度的变化产生的内力来模拟主动力，即钢管温度升高发生膨胀并产生内力，该内力作用在塔肢上形成主动力。原理如下：

F=ELAε

(1)

ε=α(T1-T2)

(2)

其中，α是在“材料”中输入的线性热膨胀系数，T1是初始温度，T2是结构的最终温度，F是主动力，E是弹性模量，A是主动支撑截面面积，L是主动支撑长度，ε是线应变。

3.4　索塔位移限值的确定

根据《路桥施工手册》，索塔在施工过程中的位移限值计算公式如下

(3)

式中，ΔN—塔的不平衡力，L—索塔高，EI—索塔截面抗弯刚度。

本工程中，塔的不平衡力取主动支撑力的最大值，大小为2 000 kN，取中塔柱截面惯性矩，大小为109.937 1 m4，C50混凝土弹性模量为3.45E5 MPa。将各数据代入，得出位移限值为10.1 mm。

4结果分析

4.1　下塔柱分析

未设拉杆时，下塔柱截面应力值和横桥向最大位移见表1。规定压应力为负、拉应力为正，位移向索塔内侧倾斜为负、位移向索塔外侧倾斜为正。

表1　未设拉杆下塔柱各阶段应力及位移

由表1应力结果可以看出，下塔柱施工到第5阶段时，下塔柱内侧截面开始出现拉应力，大小为 0.001 MPa，出现的拉应力是不允许的。故在第5施工阶段加设拉杆并对拉杆施加初始主动力，大小为1200 kN。主动力施加后，下塔柱各施工阶段的应力和横桥向最大位移见表2。拉杆采用12Φ15.24钢绞线，拉杆设置标高为27.41 m。

表2　设置拉杆后下塔柱各阶段应力及位移

加设拉杆后，索塔截面不出现拉应力，索塔的横桥向最大位移值有所减小，位移值都在限值范围内。可知，拉杆有效地改变了下塔柱施工过程中截面的应力状态，避免混凝土出现拉应力。

4.2　中塔柱分析

中塔柱施工到第9施工阶段索塔截面的应力情况见表3。

表3　中塔柱第7至第9施工阶段应力及位移情况

从表3可以看出，施工至第9节段时，中塔柱外侧出现拉应力，大小为0.003 MPa。在施工中这种情况是不允许的。为了避免中塔底外侧截面拉应力进一步扩大，在第9施工节段安装第一道主动支撑，对其施加2000 kN的力。索塔共设置4道主动支撑，其位置及各项建模参数见表4。各主动力施加后，中塔柱第10至第20施工阶段索塔的应力和位移见图4和图5。

表4　主动支撑参数

图4中塔柱第10至第20阶段应力值(MPa)

从图4可看出，主动支撑的施加，消除了拉应力，使大体积混凝土处于完全受压状态。从图5可知，索塔在各施工阶段的最大位移都小于10.1 mm，这有利于索塔线形的形成。

4.3　主动支撑拆除

待索塔施工完成后，混凝土达到一定强度，主动支撑从上到下依次拆除，主动力释放和拉杆的拆除对索塔截面应力与位移有所影响，见表5。

表5　拆除主动支撑及拉杆后索塔截面的应力位移

从表5可以看出，主动支撑及拉杆的拆除过程中索塔截面未出现拉应力，且塔柱变形处于允许范围内。故按照上述方式设置拉杆和主动支撑满足施工要求。

5结论

通过对某特大斜拉桥索塔与下横梁异步施工受力状态的分析，采用Midas有限元软件模拟异步施工过程，计算得出了索塔各施工阶段的截面应力和位移情况。结果表明，索塔与下横梁异步施工方法是可行的，在施工过程中设置拉杆和主动支撑能有效地改变索塔的应力状态，减小施工过程中索塔的变形，有利于索塔线形的形成。

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Stress Analysis of Asynchronous Construction of Pylon and Bottom End Rail of Hybrid Girder Cable-stayed Bridge

CHEN Yue-ping, ZHANG Jian-fei, HU Qiang-sheng

(Department of Building Engineering, Anqing Vocational and Technical College, Anqing 246000, China)

Abstract:A bridge is used with the diamond type concrete pylon, and its total height is 177.91 m. In the intersection position of the Middle-Pylon and the Down-Pylon is the bottom end rail. The construction method of the pylon and bottom end rail are asynchronous constructed, which is we put the middle-pylon into the second construction segment, and then go on the bottom end rail. During the period, pylon will appear cantilever state, so the weak section prone to tensile stress; it is to be avoided in the bridge construction. The purpose of this paper is to simulate asynchronous process, to analyze the influence to the tower, and to give the corresponding construction measures.

Key words:hybrid girder cable-stayed bridge, tower, asynchronous construction, active support, construction stage

中图分类号：U445 559

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2015)01-0046-04

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.013

作者简介：陈月萍，女，安徽潜山人，安庆职业技术学院建筑工程系副教授，高级工程师，主要从事施工技术与工程管理研究。

基金项目：中央财政支持的建筑技术实训基地项目(34113042613)和安徽省教育厅、财政厅支持的省级示范实验实训中心项目(20101474)。

收稿日期：2014-08-14