甬江铁路斜拉桥索塔塔梁同异步施工方法对比分析

胡晓东,陈　平

(中铁四局集团第二工程有限公司,江苏苏州　215131)



甬江铁路斜拉桥索塔塔梁同异步施工方法对比分析

胡晓东,陈平

(中铁四局集团第二工程有限公司,江苏苏州215131)

摘要：甬江特大桥为国内首座铁路大跨度钢箱混合梁斜拉桥,钻石形索塔高177.91 m。通过建立索塔与下横梁同、异步施工有限元模型,模拟分析同、异步施工对索塔受力状态及线形的影响。对比分析表明,同、异步施工的索塔受力及线形略有差异,均能满足设计要求,而异步施工较同步在工期上有较大优势。根据对比分析及南岸索塔工期滞后的实际情况,甬江特大桥南北岸索塔分别采用了塔梁异步与塔梁同步的施工方法,最后实现工期的同步,收到了良好的经济与社会效益。

关键词：铁路桥；斜拉桥；索塔；模拟分析；同步施工；异步施工

1概述

近年来，随着斜拉桥设计与施工技术的不断发展，塔柱的结构形式日趋多样化，主要有独柱形、双柱形、门形、H形、T形、A形、倒V形、倒Y形、钻石形等[1]。钻石形索塔在具有良好力学特性的同时，更能衬托出斜拉桥整体优美的建筑造型，已越来越多的应用于高塔、大跨斜拉桥的建设之中[2]。

钻石形索塔主要由塔柱及横梁两大部分组成；塔柱自下而上分为下塔柱、中塔柱及上塔柱，上塔柱顶端设有塔顶装饰段。下塔柱与中塔柱相接处设置下横梁，中塔柱合龙处设置上横梁。

根据塔柱与下横梁施工的先后顺序，索塔可分为两种施工方法，即索塔与下横梁同步施工及索塔与下横梁异步施工。在施工工艺上，采用塔梁同步施工的桥梁有武汉二七长江大桥、宜宾长江大桥等；采用塔梁异步施工的桥梁有苏通大桥、果子沟大桥、辽河特大桥等[3-4]。

为明确塔梁同、异步施工对索塔施工过程及成塔后受力条件、线形的影响，利用有限元分析软件，建立索塔同、异步施工阶段有限元计算模型，分别对塔身弯矩、轴力、控制截面应力、横桥向累计位移进行对比分析。结果表明，同、异步施工均能满足设计及施工要求，同时异步施工相比同步施工能缩短施工工期，取得良好的经济效益。

2工程概况

甬江左线特大桥主桥为铁路钢-混混合梁斜拉桥，索塔采用钻石形索塔，全高177.9 m。梁体全长909.1 m，主跨以468 m钢混混合梁跨越甬江，边跨以4跨混凝土箱梁作为锚固跨，孔跨布置为(53+50+50+66) m，见图1。

图1　主桥纵断面(单位：m)

下塔柱高27.41 m，单箱单室截面，两分离式外倾结构，截面尺寸由9 m×12.528 m线性缩至5.032 m×11.98 m。中塔柱高86.09 m，单箱单室截面，两分离式内倾结构，横桥向截面保持不变，顺桥向尺寸进一步缩至10.258 m。上塔柱高64.41 m，单箱双室截面，钢锚箱-预应力混凝土组合结构。下横梁采用等宽度变高截面，截面宽度10 m，高6～9.385 m，全预应力混凝土结构。

索塔外模采用全自动液压自爬模系统，内模采用组合钢模+液压爬模系统施工，塔柱共分33个施工节段。索塔结构及施工节段划分如图2所示。

图2　索塔结构及塔柱施工节段划分示意(单位：cm)

3塔梁同、异步施工方法

下横梁采用钢管贝雷梁支架体系施工，考虑到荷载分布及现场施工条件，共分两次浇筑。塔柱与下横梁同、异步施工不同点仅在于二者施工时间及空间的差异。以本桥为例，塔梁同步施工过程中，当下塔柱施工完成第5节段后，同步安装下横梁支撑系统，塔柱第6节与下横梁底部共同浇筑，塔柱第7节与下横梁顶部共同浇筑。塔梁异步施工过程中，下塔柱不间断施工至第9节后，开始施工下横梁，形成塔、梁交叉施工状态。下横梁施工完成后，索塔已施工至12节段。塔梁同、异步施工流程对比见图3(a)、图3(b)所示。

考虑到索塔下塔柱向外倾斜，中塔柱呈长悬臂、大角度内倾状态。施工过程中，自重及施工所产生的偏心荷载会在塔柱根部产生附加弯矩，严重影响索塔局部应力及整体线形。为改善索塔施工过程中的受力状态，在下塔柱增设拉杆，中塔柱设置横撑，并施加一定的主动力。主动拉杆采用4根Φ32 mm精轧螺纹钢，单道主动横撑采用3根φ530×10 mm钢管，对称布置。拉杆及主动横撑安装参数见表1。

表1　索塔主动拉、撑杆布置

4计算模型

为研究塔梁同、异步施工条件下，索塔受力条件及线形变化规律，采用MIDAS CIVIL 2010有限元分析软件，建立索塔施工阶段有限元模型，并对计算结果进行对比分析。同、异步施工有限元模型仅在塔梁施工的先后顺序上有所不同，其余施工条件如：施工周期、主动拉-撑杆安装位置、主动力大小及边界条件等均保持一致。

针对索塔受力条件及施工情况，对有限元模型进行如下处理：

(1)索塔主体均采用梁单元，主动支撑采用桁架单元建模；

(2)下塔柱拉杆主动力采用节点荷载，中塔柱撑杆主动力采用温度荷载模拟；

(3)考虑到承台及塔座尺寸相当大，建模分析时未建立基础模型，对塔柱底进行全固结处理。中塔柱顶端两节点与上塔柱底端节点刚性连接；

(4)索塔施工阶段荷载主要包括自重、爬模荷载主动力及预应力荷载；同时考虑混凝土收缩、徐变和弹性压缩。索塔有限元计算模型如图4所示。

图4　索塔施工阶段有限元计算模型

5有限元模拟分析结果

5.1　索塔内力对比分析

根据施工阶段有限元分析计算结果，索塔同、异步施工在成塔后的弯矩与轴力对比见图5、图6。

图5　同、异步施工塔身弯矩计算结果

图6　同、异步施工塔身轴力计算结果

图5表明：成塔后，同、异步施工中塔柱及下横梁弯矩变化规律基本相同，数值相差不大；采用异步施工下塔柱弯矩变化明显比同步施工增大，同步施工下塔柱根部承受负弯矩，异步施工下塔柱根部承受正弯矩，二者相差57 257 kN·m。

由图6可以看出：同、异步施工塔柱及下横梁轴力变化规律相同，数值相差不大。同步施工下塔柱根部轴力为179 203.1 kN，下横梁最大轴力为156 515.7 kN；异步施工下塔柱根部轴力为178 781.9 kN，下横梁最大轴力为159 211.3 kN。异步施工下横梁略大，同步施工下塔柱根部轴力略大。

5.2　索塔应力对比分析

随着索塔施工节段的不断增加，下塔柱及中塔柱根部截面控制应力也在不断积累。同、异步施工条件下，下塔柱根部截面内侧应力变化曲线如图7所示。曲线中显示的施工工况所对应的施工内容见表2。

表2　计算工况明细

图7　下塔柱根部截面内侧应力计算结果

由图7可以看出：同、异步施工下塔柱根部截面内侧应力变化规律大致相同，全过程基本处于受压状态，下横梁预应力张拉对应力影响明显。同步施工条件下，成塔阶段塔柱根部内侧压应力为-2.05 MPa；异步施工条件下，成塔阶段塔柱根部内侧压应力为-1.70 MPa，二者相差0.35 MPa。

中塔柱根部截面外侧应力变化曲线如图8所示。

图8　中塔柱根部截面外侧应力计算结果

图8表明：同、异步施工中塔柱根部截面外侧应力仅仅在初始阶段有所不同，后续施工阶段变化规律基本保持一致。由于异步长悬臂施工，截面外侧出现较小的拉应力，峰值为0.2 MPa。同步施工条件下，成塔阶段中塔柱根部外侧压应力为-0.78 MPa；异步施工条件下，成塔阶段中塔柱根部内侧压应力为-0.8 MPa，二者仅相差0.02 MPa。

5.3　索塔线形对比分析

钻石形索塔顺桥向对称，且构成整体，影响索塔线形的控制因素主要是横桥向位移。考虑索塔混凝土收缩、徐变及弹性压缩，同、异步施工条件下，索塔横桥向累计位移对比分析结果如图9所示。

图9　索塔横桥向累计位移变化曲线

图9表明：异步施工所产生的下塔柱+中塔柱悬臂状态，造成索塔施工至第9节时，索塔累计外倾，累计位移为-3.4 mm。同步施工至第9节时，受到下横梁的附加约束作用，索塔累计内倾，位移为3.57 mm，后续施工阶段，二者变化规律基本相同。成塔后，异步施工横向累计位移为12.68 mm；同步施工横向累计位移为22.05 mm。

6结论

(1)同、异步施工条件下，弯矩及轴力变化规律基本相同。同步法下塔柱根部承受负弯矩，下塔柱根部轴力略大；异步法下塔柱根部承受较大的正弯矩，下横梁轴力略大。下塔柱及中塔柱根部应力变化规律大致相同。同步法下塔柱根部内侧压应力较大，中塔柱根部外侧应力均处于受压状态；异步法下塔柱根部内侧压应力相对较小，中塔柱截面外侧出现较小拉应力。

(2)异步施工至第9节，索塔顶部自由端累计内倾；同步施工至第9节时，受到下横梁的附加约束作用，索塔顶部自由端累计外倾。成塔后，异步施工横桥向累计位移较小。

(3)索塔与下横梁同、异步方法施工的索塔受力及线形均能满足设计要求。

(4)塔梁同步施工，下横梁钢筋及预应力施工简便，整体性好，但塔柱模板需反复改造及安拆，受下横梁施工周期的影响，施工工期延长。塔梁异步施工，索塔与下横梁独立施工，相对干扰小，可缩减施工工期，但下横梁钢筋及预应力施工相对困难，预埋精度要求高。

(5)本桥北岸索塔采用同步施工，南岸因开工滞后采用了异步施工法，缩短了施工周期，实现了工期同步，取得了良好的经济效益与社会效益。

参考文献：

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Comparative Analysis of Synchronous and Asynchronous Construction of Tower and girder of Yongjiang Railway Cable Stayed Bridge HU Xiao-dong, Chen Ping

(The Second Engineering Co., Ltd of CTCE Group, Suzhou 215131, China)

Abstract：The extra-long bridge of Yongjiang River is a domestic first large-span railway cable-stayed bridge with hybrid girder and 177.91 m diamond-type tower. In order to analyze the impact of synchronous and asynchronous constructions of tower and girder on the stress state and linearity of the tower, a finite element model is established to simulate the entire construction process. The comparative analysis reveals that the stress and line of the tower resulted from the two construction methods are of some difference, and both methods meet design requirement, but the asynchronous construction method can save much time. According to the comparative analysis and the actual lagging of the south cable-tower, the south tower and the north tower employ synchronous and asynchronous construction methods respectively, and as a consequence, the synchronization of progress and good economic and social benefits are obtained.

Key words：Railway bridge; Cable-stayed bridge; Tower; Simulation analysis; Synchronous construction; Asynchronous construction

中图分类号：U448.27

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.019

文章编号：1004-2954(2016)02-0089-04

作者简介：胡晓东(1984—)，男，工程师，2006年毕业于兰州理工大学土木工程专业，工学学士，E-mail:hxd02300608@163.com。

基金项目：中国铁路总公司科技研发重点项目(2013G001-D)

收稿日期：2015-06-29； 修回日期：2015-07-04