大倾角塔柱施工过程分析控制

王 吉 翀

(大连理工大学土木工程建筑设计院有限公司,辽宁 大连 116024)

1 工程背景

上地斜拉桥桥塔为水滴形单塔实心钢筋混凝土结构，采用C55高性能混凝土。塔柱高99 m。下塔柱高11 m，主梁段高4.32 m，其余高6.68 m，上部3 m为横梁，下部3.68 m为整体箱形截面。其中横梁为预应力混凝土结构，布置了φ15-27钢束以抵抗中塔柱传来的竖向力。中塔柱高40 m，分为双斜柱，矩形变截面，截面横桥向长4.55 m，截面顺桥向宽为6.627 m～8.0 m线性变化，中塔柱与竖直线的夹角为22.72°。上塔柱高48 m，为拉索锚固区，上缘截面为5 m×6.6 m，下缘截面为6.627 m×14.748 m，直线+圆曲线变化。斜拉索在塔上交错锚固，小里程侧拉索(主跨拉索)锚固在索塔截面的中部，其锚槽尺寸为2.4 m×1.0 m；大里程侧拉索(边跨拉索)锚固在索塔截面的两侧，锚槽分别设置，尺寸为1.2 m×1.0 m，见图1，图2。

2 塔柱在施工过程中的特点

2.1 下塔柱的特点

本桥下塔柱的特点是普通钢筋布置较密，为了抵抗中塔柱传来的轴力预应力布置较多，导致混凝土浇筑过程中振捣比较困难。另外中塔柱及上塔柱施工时，在悬臂较大的情况下，下塔柱外缘容易出现拉应力。

2.2 中塔柱的特点

中塔柱施工是桥塔施工的关键，中塔柱的特点有：1)采用分节段爬模施工方法，施工过程中受力比成桥状态更危险，在塔柱合龙之前，施工过程相当于悬臂梁的浇筑过程；2)塔柱倾角大(中塔柱直线段与竖直线夹角达到22.72°)，中塔柱横桥向斜率达到1∶2.4；3)由于塔高较高又紧临铁路，无法搭设支架，塔柱的施工采用了液压爬模施工，爬升模板的工艺原理，是以建筑构造物的钢筋混凝土(塔柱或墩身)为承力的主体，通过附着于已完成的钢筋混凝土构造物上的爬升支架与大模板及爬升设备，使一方固定，另一方做相对运动，交替向上爬升，以完成模板的爬升、下降、就位，爬模加剧了塔柱的受力。为了保证塔柱施工过程的安全，在适当高度设置主动横撑及被动撑，减少悬臂根部的负弯矩。主动横撑就是在一定高度的中塔柱位置,通过千斤顶施加已经计算好的力，强迫已施工的中塔柱产生位移预偏；被动横撑就是在一定的高度贴着塔柱内面，随着塔柱施工限制塔柱内倾方向的位移；4)每一节段的模板控制坐标与爬模节段高度、模板重量及施工荷载及其他荷载的大小、横撑的数量、位置及支顶力等参数均有关系，计算较复杂，施工难度高。

2.3 上塔柱的特点

上塔柱为拉索锚固区，故对模板、劲性骨架以及索管定位精度要求高。为保证索管定位准确可在劲性骨架上增设一个辅助定位点进行坐标转换以完成定位。由于使用液压爬模系统，需要在塔柱上使用各种预埋件及对拉螺栓等局部构件，容易与塔柱内的钢筋相冲突，需要对爬模设施或原结构进行部分调整。

3 塔柱在施工过程中的计算

3.1 计算模型的建立

由以上的特点可以看出保证中塔柱在施工中的安全是塔柱施工的重点和难点。本文中笔者对塔柱建立了平面模型，进行塔柱整个施工过程的计算。采用MIDAS建立有限元模型，塔柱横撑及立柱均采用梁单元，横撑力由施加温度荷载来实现。模型中未计入塔柱中劲性骨架的影响，这是偏于安全的。

计算荷载有：塔柱自重、模板重量、爬模设备重量、风荷载、横撑梁端施顶力，混凝土的收缩徐变。由于钢材及钢筋混凝土的线膨胀系数比较接近，塔柱的整体升温产生的荷载很小可以忽略不计。施顶力的确定需考虑钢材的焊接引起的收缩导致应力损失。

3.2 横撑、立柱等位置及界面尺寸的确定

横撑位置的确定要通过反复多次的计算之后才能确定，横撑位置的确定要注意以下几点：1)横撑数量不能太多，横撑数量多虽然有利于控制施工中的线形和内力，但是由于约束较多，在拆除时将产生内力重分配，导致个别横撑内力过大、应力集中有可能产生屈服，给拆除工作带来危险和困难；2)横撑刚度不宜过大，刚度过大也会带来应力集中等问题，刚度过小不利于控制内力及位移且稳定性不好，需要进行严格的验算来确定横撑截面尺寸；3)横撑施顶力大小要适中，在塔柱施工过程中由于采用了横撑，悬臂根部内外侧都有可能出现拉应力使结构出现裂缝并破坏。经过多次计算分析，最终确定采用3道主动横撑及1道被动横撑，位置如图2所示。

横撑、立柱、连接其的缀条的截面尺寸需要通过整体计算确定其受力大小之后进行验算，验算内容包括强度验算，刚度验算，稳定验算。经过上述计算可得横撑、立柱、缀条型号及轴力。1号、3号、5号横撑为主动撑，1号、3号横撑采用12 mm壁厚直径800 mm的钢管，5号横撑采用12 mm壁厚直径600 mm的钢管，主要作用是改善塔柱受力及控制塔柱施工过程中的线形达到要求；8号横撑为被动撑，采用顶底板厚13 mm，腹板厚8 mm的工字钢，主要作用是为了方便塔柱合龙段施工，同时也起到减小塔柱内力控制线形的作用。立柱采用了12 mm壁厚直径600 mm的钢管。缀条采用100 mm×100 mm的角钢。表1给出了上地斜拉桥桥塔横撑、立柱构件参数，及危险工况下各部件的最大轴力与应力。

表1 上地斜拉桥桥塔横撑、立柱构件参数及危险工况计算结果

3.3 塔柱应力位移的计算及预拱度设置

计算的控制目标有两个：一是整个施工过程中在所有荷载组合作用下塔柱各界面应力不超过1.65 MPa；二是塔柱位移计线形在拆除所有辅助支撑后与设计状态吻合。

图3给出几个重要工况下的索塔应力计算图示，图中左侧为塔柱外缘应力，右侧为塔柱内缘应力，正值为拉应力。

整个索塔施工过程中最大应力出现在15号块件浇筑后，塔柱根部内侧拉应力达到了1.61 MPa。压应力始终很小，塔柱施工阶段拉应力控制在1.65 MPa以内，满足规范要求。

塔柱在浇筑过程中最大位移发生在8号块件浇筑后，最大位移为内倾15.9 mm。

塔柱预拱度的设置主要考虑混凝土的收缩徐变以及塔柱爬模施工过程中的变形值。横桥向及纵桥向预拱值考虑到成桥阶段，竖直方向预拱值考虑到成桥5年的收缩徐变，见表2。

表2 几个典型塔柱节段的预拱度设置 mm

4 结语

本文详细介绍了大倾角塔柱施工的重点、难点和施工过程中的控制方法，建立了有限元模型对塔柱施工过程进行了分析。在理论计算过程中，中、上塔柱施工阶段拉应力控制在1.65以内，横撑应力始终控制在75以内，在实际施工过程中，中上塔柱应力和横撑应力始终控制在理论容许值之下。通过计算及施工经验得出以下结论：

1)爬模施工在本桥桥塔施工中安全可行，但需要进行严格精确的计算。

2)大倾角塔柱在悬臂施工过程中应力变化较大，内外侧均有可能出现很大的拉应力。需要设置横撑或搭设支架来解决此问题，横撑的设置需要通过整体计算来对比确定，横撑及立柱尺寸需要进行杆件局部验算来确定。

3)考虑到内力重分布问题，主动撑数量不宜过多，也不宜过少或者刚度过大。

4)中塔柱施工是大倾角塔柱施工的重点及难点，塔柱拉应力控制及横撑应力均需要控制在规范允许的范围内。

上地斜拉桥桥塔在严格的施工控制和准确计算前提下，保证了塔柱施工过程的安全，按时完成施工任务，为以后同类型桥塔施工及计算分析具有一定参考价值。