斜拉桥拱形主塔施工过程分析与下横梁预应力张拉工序优化

2020-06-05杨智文来晓理黄飞鸿易壮鹏

中外公路 2020年2期

杨智文，来晓理，黄飞鸿，易壮鹏

(长沙理工大学土木工程学院, 湖南长沙 410114)

近年来，随着桥梁建设规模不断扩大，桥梁美学越来越受到重视。拱形主塔外形美观，具有较好的使用性能与受力特性，在中国城市斜拉桥中开始广泛采用。斜拉桥的关键传力体系为拉索系统，其将力传输至斜拉桥主塔，并通过桥梁基础结构传入地基中。斜拉桥主塔作为整个桥梁的关键受力结构，在桥梁设计和施工中至关重要。由于大跨度斜拉桥拱形主塔结构复杂，受外界因素干扰较大，施工难度较大，因此施工过程需重点关注。近几年有不少学者对此进行了研究，王凯对斜拉桥拱形桥塔施工工艺进行了较为详细概述；谢良等对索塔拱形变截面横梁施工做了较为详细的研究；凌李华对索塔横梁支架施工工序优化进行了比较详细的研究，以上研究表明：斜拉桥拱形塔施工全过程的应力安全值得关注，相关施工工序的优化与调整方面还有许多工作值得开展。中国拱形塔斜拉桥的建设正朝着更大跨径方向发展，但在施工过程控制方面仍缺乏相应的工程经验。

该文以韶关市曲江大道江湾大桥为工程背景，对拱形主塔的施工全过程进行模拟分析。为了保证主塔施工过程中的受力、变形结果的准确并处于安全范围内，采用Ansys 18.2和Midas/Civil 8.65软件建立拱形主塔的有限元模型并进行施工阶段的对比分析。

1 工程概况

江湾大桥主桥采用拱形独塔双索面混合梁斜拉桥，跨径组合33+102+183=318 m。拱形桥塔为预应力钢筋混凝土构件，下横梁布设44束预应力钢筋；距横梁顶5 m以上的塔柱部分采用C50混凝土，其抗拉强度设计值为1.89 MPa，横梁顶上端5 m范围以下的下塔柱与下横梁均采用钢纤维混凝土CF50，其中钢纤维混凝土CF50抗拉强度设计值根据现场情况取为2.85 MPa；塔柱顶部高程为165.274m，承台顶部高程为55.774 m，塔高109.5 m，桥面以上高92 m，塔上索距2.0 m。塔柱采用矩形断面，其中上塔柱采用空心箱形截面，下塔柱为增加防撞能力采用壁厚较厚的实心截面(图1)。

根据现场施工情况，采用节段施工法，自主塔承台顶部往上，将塔柱共分24层(图1)，下塔柱分为3层，上塔柱分为21层，每层高4.5 m，每4.5 m浇筑一次混凝土，下横梁与相连塔柱同步浇筑。根据拱形主塔实际施工过程，将其分为44个施工阶段(表1)，起点为承台顶部，每4.5 m为一层，塔柱每浇筑完一层混凝土就张拉该层预应力筋。该桥主塔在下塔柱、上塔柱、下横梁处都设置了预应力筋，下塔柱的预应力施加在塔柱内侧标高55.774～78.274 m范围内，上塔柱的预应力施加于塔顶内外两侧标高136.774～165.274 m，下横梁预应力施加在横梁外侧标高60.274～69.274 m。在拉索区塔柱横断面设置了环向预应力筋，对塔柱起局部加强作用。其中对于拱形塔来说，下横梁的预应力筋在成桥过程中给塔柱提供向内的拉力，该力与斜拉索索力往下的分量保持平衡，起到稳定塔柱的作用。

图1 江湾大桥主桥拱形主塔及施工节段划分(单位：cm)

2 有限元模型与施工全过程结果分析

2.1 有限元模型建立

分别采用Ansys和Midas软件建立拱形主塔有限元模型，如图2所示。在Ansys模型中，采用Beam4单元模拟塔柱和下横梁、横撑、支架，采用Link10单元模拟预应力钢筋，总共4 513个节点，8 144个单元。在Midas模型中，采用梁单元模拟塔柱和下横梁，横撑、支架采用φ820 mm×10 mm钢管支架模拟，总共249个节点，261个单元。两种软件索塔承受的索力用节点荷载等效代替。

表1 江湾大桥主塔施工阶段划分

图2 主塔有限元模型正视图

2.2 主塔施工过程计算分析

施工工序优化前各个施工阶段下Ansys和Midas软件的最大拉应力计算结果见表2。

通过对比各个施工阶段下Ansys和Midas的计算结果发现：所得内力、应力结果基本一致。在张拉下塔柱60.274～69.274 m之间(第2、3层)的预应力钢筋阶段，下塔柱出现了较大的拉应力(Ansys，2.28 MPa；Midas，2.76 MPa)，接近钢纤维混凝土CF50抗拉设计强度(2.85 MPa)，后续工况塔柱拉应力有所下降。直到张拉下横梁第2批预应力钢筋的施工阶段，下塔柱的根部外侧出现了接近钢纤维混凝土CF50抗拉设计强度的拉应力值(Ansys，2.66 MPa；Midas，2.42 MPa)。横梁顶5 m以上的塔柱在各工况下的最大拉应力(Ansys，1.56 MPa；Midas，1.87 MPa)均小于C50混凝土的抗拉强度设计值(1.89 MPa)。因此，施工全过程最大拉应力值均在混凝土抗拉强度设计值范围内，但下塔柱位置仍存在拉应力较大(指数值超过2 MPa)的区域，分布范围从承台顶端至塔柱底部预应力钢筋的顶端，此范围内采用的是钢纤维混凝土CF50。

Ansys最大压应力的计算结果为11.30 MPa，Midas最大压应力的计算结果为11.85 MPa，均小于普通混凝土C50和钢纤维混凝土CF50(混凝土的抗压强度标准值为50 MPa)的设计强度，压应力均处于安全范围。

整体上，下横梁预应力对塔柱会产生向内的拉力，斜拉索索力对塔柱会产生外倾的趋势，根据表2中施工阶段44的应力计算结果可知：下横梁预应力与斜拉索索力产生的主塔根部区域的应力在整体上是平衡的。由于斜拉索是主塔施工完成之后逐步施工，而在此之前下塔柱已经产生了较大的拉应力，故下横梁预应力筋的张拉工序存在进一步优化的空间。

3 预应力筋的张拉工序优化

拱形塔柱优化前的工序：预应力筋从承台顶部往上每4.5 m张拉一次，采用一端张拉；横梁预应力筋分两批张拉，采用两端张拉。结合表1、2和施工阶段40的计算结果(图3、4)，可知张拉完下横梁的第2批预应力筋后，塔柱根部外侧产生了较大的拉应力。下塔柱过大拉应力的产生是从施工阶段40张拉下横梁第2批预应力筋开始的，主塔结构在此之后一直处于较危险的状态，因此施工工序的优化应该以下横梁预应力筋的分批张拉为切入点。