湖北宜昌香溪河大桥5#主塔对拉系统及主动横撑施工设计计算

郭焕

摘要：香溪河大桥工程5#主塔采用爬模法施工，下塔柱拟采用拉杆进行对拉，中塔柱拟采用钢管作为横撑，并在施工过程中，采用千斤顶进行调整，通过这种办法保证施工过程中主塔的线性和应力均满足要求，本文采用midas civil模拟施工过程，确定拉杆预拉力和横撑预顶推力，并考虑温度对施工的影响。

Abstract： Xiangxi River Bridge project 5# main tower uses climbing formwork construction method， lower tower uses the pull system， the middle tower intends to use the steel pipe as the cross brace， and in the process of construction， the jack is used to adjust through this method to ensure linearity and stress of the main tower to meet the requirements. In this paper， the midas civil is used to simulate the construction process to determine the pre-tension of the pull rod and the pre-thrust of the transverse bracing， and the influence of temperature on the construction is considered.

关键词：斜拉桥；爬模施工；主塔；拉杆；水平横撑；midas civil计算；施工设计

Key words： cable-stayed bridge；climbing formwork construction；main tower；tie rod；horizontal bracing；midas civil calculation；construction design

中图分类号：U448.27 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0103-04

0 引言

倒Y形桥塔因其结构和拉索布置上的优越性，越来越多地为现代大跨径斜拉桥所使用，具有横向刚度大，但构造复杂，施工难度大的特点，主塔塔柱多用液压爬模法悬臂施工，悬臂施工会产生较大弯矩，使主塔产生偏位和应力，为确保主塔施工过程中的线型和内力满足要求，常使用拉杆施加拉力、主动横撑施加顶推力的方法进行调整，对拉系统和主动横撑设计时要遵循内力控制为主，变形控制为辅的原则，拉杆和主动横撑该如何设置，是否合理，初始拉力和顶推力的取值，均需要计算才能确定。本文采用midas civil对宜昌香溪河大桥5#主塔拉杆和主动横撑施工工况进行模拟，分析计算结果之后，可以得出结论：主塔通过合理设置拉杆和主动横撑，能够使塔柱的应力和变形量控制在规范要求之内。

1 工程概况

香溪河桥主桥采用主跨470m组合混合梁斜拉桥。其中主桥5#墩索塔采用倒Y形结构，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、上中塔柱连接段、中下塔柱连接段、下横梁及塔墩。主塔主体结构采用C50混凝土，索塔高167.6m（不包括塔墩），塔顶高程+343.92m，塔顶高程（塔墩顶高程）+176.32m，塔墩高25.32m，塔墩顶底高程（承台顶高程）+151.00m。横桥向下塔柱，高为40.8m；中塔柱外倾，高为82.8m；下塔柱内倾，高38m；上中塔柱连接段高7.5m，中下塔柱连接段高6.0m。中塔柱横桥向倾斜率为1/5.911，下塔柱内倾斜率1/4.837。外倾斜率1/6.970。

2 主塔施工方案

主塔采用液压爬模分节段施工，根据主塔结构尺寸及施工方案，如图1所示，主塔分31次浇筑完成，其中下塔柱分6次浇筑完成，每次浇筑高度5.9m（下横梁处5.562m），下横梁分2次浇筑完成，中塔柱分12次浇筑完成，每次浇筑高度5.9m（塔顶圆弧段4.427m），上塔柱分9次浇筑完成，每次浇筑高度4.33m～5.9m，每个施工节段12天。根据施工特点，下塔柱施工时设置1道拉杆，中塔柱施工时设置4道水平横撑。

①拉杆节段塔柱施工时，预埋拉杆孔道及钢管支撑预埋件，爬模爬升后，采用塔吊安装？准630mm钢撑杆，撑杆分两段安装，两段之间设置千斤顶，千斤顶预横撑之间暂时不顶紧。在塔柱预留孔内穿入钢绞线，按照设计张拉力要求张拉钢绞线，測量复核下塔柱线性，通过调节预张力调整下塔柱线性满足监控要求，将钢绞线拉杆锁定。最后启动撑杆之间千斤顶，将撑杆稍稍顶紧，并用钢楔块抄实。②横撑安装。横撑采用？准1000×10mm钢管，两端通过塔柱预埋件焊接，横撑由塔吊配合分两段安装，两段之间用千斤顶顶紧施加预顶力，以调节主塔塔柱线形，最后用钢楔块抄实。同一高度两根横撑钢管之间安装连接系。③横撑及拉杆拆除。下横梁施工完成后，拆除拉杆，利用千斤顶将钢绞线放张，用塔吊配合拆除撑管。中上塔柱合拢段施工完成，利用塔吊配合拆除横撑。

3 模型建立

采用midas civil有限元分析软件对主塔进行施工工况模拟分析，首先确定拉杆及主动横撑在安装时候主动施加拉力及顶推力数值，确定拉杆拉力及主动横撑顶推力后，添加拉杆及主动横撑重新进行施工阶段模拟分析。

塔柱采用梁单元建立模型，下塔柱根部固结，下横梁与主塔采用刚性连接，上塔柱塔顶圆弧段采用刚性连接模拟，拉杆采用索单元模拟，横撑采用只受压桁架单元模型。计算模型如图2所示。

主塔在施工过程中主要考虑的荷载有：①结构自重包括钢筋混凝土自重、钢锚梁重量。主塔塔柱钢筋混凝土容重为γ=26kN/m3。②施工阶段荷载，主要为爬模重量，单侧爬模重量取800kN。③温度荷载，按不考虑温度荷载、升温20℃、降温20℃三种情况下分别计算塔柱及横撑受力。④混凝土收缩徐变作用。⑤预应力荷载，下横梁施工需预应力张拉。

4 工况分析

根据主塔总体施工组织设计，按照实际施工情况建立施工阶段进行分析，荷载具体工况如表1所示。

5 计算结果

5.1 拉杆与拉力和横撑初始顶推力确定

为计算处拉杆初始拉力和横撑初始顶推力，在midas civil模型中将拉杆和横撑等效成约束（主要约束主塔内偏和外倾），计算出工况二、工况六、工况八、工况十、工况十二的反力，即为拉杆初始拉力和横撑初始顶推力。计算结果如下（括号内为过程中最大受力，正值代表拉力，负值代表压力）：

工况二（拉杆）：1258.8kN（6451.9kN）；工况六（第一道横撑）：-2436.1kN（-6791.4kN）；

工况八（第二道横撑）：-1772.6kN（-5636.0kN）；工况十（第三道横撑）：-1904.2kN（-3930.5kN）；

工况十二（第四道横撑）：-723.1kN（-1489.2kN）；

则：拉杆初始为：F=629.4kN；

第一道横撑初始顶推力为：N1=-1218.1kN；第二道横撑初始顶推力为：N2=-886.3kN；

第三道横撑初始顶推力为：N3=-952.1kN；第四道横撑初始顶推力为：N4=-361.6kN。

5.2 不考虑温度荷载，主塔应力和线形分析

根据得出的拉杆初始拉力和横撑的顶推力，在模型中在安装拉杆和横撑之前，在相应主塔节段位置以集中荷载的形式添加拉力和顶推力。计算结果如表2所示。

主塔柱混凝土在施工过程中最大压应力最大值为5.5MPa，小于C50允许压应力22.4MPa，下横梁处塔柱出现拉应力，最大为0.4MPa，小于C50允许拉应力1.83 MPa；下横梁在预应力张拉前应力为0.2MPa，小于C50允许拉应力1.83MPa，预应力张拉后最大压应力10.5MPa，小于C50允许压应力22.4MPa；拉杆最大拉力为2136.2kN，横撑钢管最大轴向压力为2186.7kN。

5.3 考虑拉杆和横撑升温20℃时，主塔应力和线形分析

当实际温度与钢管横撑初始安装温度有差别时，钢管横撑将产生温度荷载，且温度荷载作用对主塔及钢管受力影响较大。

当钢管横撑实际温度与初始安装温度相比，升温20℃时，考虑塔柱混凝土体积较大，受温度影响较小，计算假定塔柱温度不变，考虑钢管横撑升温对塔柱的影响。计算结果如表3所示。

主塔柱混凝土在施工过程中最大压应力最大值为6.3MPa，小于C50允许压应力22.4MPa，下横梁处塔柱出现拉应力，最大为0.4MPa，小于C50允许拉应力1.83 MPa；下横梁在预应力张拉前应力为0.2MPa，小于C50允许拉应力1.83MPa，预应力张拉后最大压应力10.1MPa，小于C50允许压应力22.4MPa；拉杆由于变形过大，已经失去对主塔约束作用，横撑钢管最大轴向压力为2562.8kN。

5.4 考虑拉杆和横撑降温20℃时，主塔应力和线形分析

当实际温度与钢管横撑初始安装温度有差别时，钢管横撑将产生温度荷载，且温度荷载作用对主塔及钢管受力影响较大。

当钢管横撑实际温度与初始安装温度相比，降温20℃时，考虑塔柱混凝土体积较大，受温度影响较小，计算假定塔柱温度不变，考虑钢管横撑升温对塔柱的影响。计算结果如表4所示。

主塔柱混凝土在施工过程中最大压应力最大值为5.7MPa，小于C50允许压应力22.4MPa，下横梁处塔柱出现拉应力，最大为0.3MPa，小于C50允许拉应力1.83MPa；下横梁在预应力张拉前应力为0.2MPa，小于C50允许拉应力1.83MPa，预应力张拉后最大压应力10.6MPa，小于C50允许压应力22.4MPa；拉杆最大拉力3571.2kN，横撑钢管最大轴向压力为1992.6kN。

5.5 计算结果对比

将不考虑温度荷载，升温20度，降温20度三种工况下计算的结果进行对比。主要对比内容为：主塔塔端偏移值，主塔柱应力值。通过对比，可以清楚了解温度变化对有主动横撑主塔施工的影响，计算结果如图3、图4所示。

由上述计算结果可知：主塔通过拉杆和主动横撑作用，塔端偏移量和塔柱应力明显减小，至下横梁施工时，塔柱顶端单侧向外倾斜为0.8mm；至塔顶圆弧段准备浇筑合龙时，塔柱顶端单侧向内倾斜为0.3mm；满足施工要求。

当温度升高时，塔柱端部明显外偏，塔柱应力明显增大，主要是因为，横撑的升温膨胀变形将塔柱向外侧塔柱顶，使塔柱根部弯矩增大。

当温度降低时，塔柱端部内偏，在工况四（拉杆拆除）之前，塔柱应力减小，之后应力略有增大，主要是因为上塔柱节段在横撑降温冷缩后向内偏，下塔柱与下横梁处弯矩增大。

根据结果不难看出，温度对于拉杆和横撑的内力影响很大，但不管是升温还是降温，通过拉杆和主动横撑，塔柱端部位置位移明显减小（尤其是在工况十三），塔柱应力也在合理范围之内，这可以充分說明，本桥5#墩主塔采用这种施工方案式可行的，拉杆和主动横撑的设置是合理的。

6 结语

湖北香溪河大桥5#主塔施工为消除塔柱在施工阶段因为倾斜产生的拉应力，在下塔柱设置拉杆和中塔柱进行临时水平横撑，该设计方案通过施工阶段分析，通过对比每个阶段主塔塔端偏移量和塔柱应力情况，充分证明了该方案的可行性和合理性，为后期索塔在施工过程的应力控制及线型控制，做好科学准备工作。本论文通过理论计算表明，倾斜主塔通过拉杆和水平横撑调整，可以较好的控制塔柱的线型，同时使其内力满足施工要求，对于后期施工起到指导性作用。通过对香溪河大桥5#主塔拉杆和水平横撑的设计计算，本文可以为今后类似的大斜度的主塔施工提供借鉴和理论参考价值。

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