一种非对称变截面斜塔斜拉桥主塔斜撑设计与施工

何丰瀚，李 明，彭章良

（1.南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳421001；2.中交四公局总承包分公司，北京100020）

有背索斜塔斜拉桥[1-3]，其结构受力形式更接近直塔斜拉桥，与直塔斜拉桥不同的是利用两侧索力的差异来平衡斜塔的自重，形成一个平衡体系，由于背索索力的作用，一般情况下有背索斜塔比无背索斜塔水平倾角更大。无索区段主塔施工中，受到斜塔塔身自重影响将在塔底产生倾覆力矩和较大的拉应力，并随着塔身的升高，塔柱顺桥向的倾覆力矩将进一步增加，为避免出现过大的裂缝，无索区段塔柱施工过程中必须分节段设置背向斜撑，采用千斤顶施加顶压平衡倾覆力矩[4-5]。本文重点探讨的是主塔施工节段中 11、13、17节段内背向斜撑的设计与施工技术。

本项目斜塔斜拉桥采用“琵琶”形斜向主塔，主塔塔身由上塔柱、下塔柱、横梁等组成，效果图见图1。主塔总高126m，塔身为箱形截面，顺桥向偏离铅垂面10°，倾向岸侧，共分29个施工节段，主塔施工节段划分图如图2所示。

图1 斜塔斜拉桥效果图

图2 主塔施工节段划分图

1 斜撑结构设计

1.1 支撑结构概况

背向支撑一共有三道，每道支撑都分为左右两个对称部分。每道支撑都由斜、竖向钢管，钢管间连接、分配梁以及支撑与桥塔连接的三角架组成。第一道斜撑顺桥向有三排，每排共有4根，左右八字形沿桥梁对称布置。第一道斜撑全部落在地面上，落于地面上的横桥向内侧斜撑距承台中心19.39m，外侧斜撑距内侧斜撑3m。第二、三道支撑落在主梁上，除未沿横桥向倾斜外，其余布置形式均与第一道支撑相似。三道背向支撑具体布置形式如图3所示。

图3 斜撑总体布置图

为利于斜撑反力传递到主梁现浇支架上，在钢管支撑柱脚点对应桥面位置的主梁箱室内设置内支撑。内支撑钢管数量、直径同外斜撑一一对应，内支撑中部设一道平联，下端与梁体内箱内底板预埋件焊牢固定，上端设置钢质卸落调节块。内支撑在梁体砼顶板浇筑后处于受力状态，整个斜支撑施工和使用过程，梁体现浇支架始终存在。搭设第二、三道斜撑（位于桥面上）时，要等到桥面混凝土强度达到100%方可进行。

1.2 支撑建模计算

1.2.1 模型建立

大量临时支撑结构文献[6]研究表明，建立临时支撑结构模型时，无需考虑全部荷载类型，故本节在针对临时支撑架模型添加荷载时不考虑振捣荷载、冲击荷载等。

将主动力、爬模荷载、自重、预应力、风荷载等各种荷载罗列并根据实际工况组合后运用Midas/Civil有限元分析软件，对支撑结构包括斜竖向钢管、钢管间连接和分配梁进行仿真建模[7]。结构自重均按照1.0倍进行加载，施工荷载则按线荷载或节点荷载进行加载，支撑整体模型图与应力图如图4、图5所示。

图4 斜撑整体模型图

图5 斜撑整体应力图

根据Midas/Civil计算得出：

第一、二、三道背向支撑斜、竖向钢管的最大轴力，背向支撑钢管的最大轴力以及最大组合应力均满足要求。

1.2.2 各节段支撑最大组合应力

随着施工过程的进行，支撑的内力也随之变化。第一道支撑各构件均在 13施工节段完成之后，第二道支撑未搭设之前这一阶段产生最大组合应力。第二道支撑各构件最大组合应力出现在 17节段施工完成之后，第三道支撑未搭设之前这一阶段。第三道支撑的各个构件最大组合应力出现在二张拉索3这一节段。通过计算三道支撑的最大组合应力均小于《公路钢结构桥涵设计规范》（JTG D64-2015）[8]所规定的钢材设计强度275MPa，满足要求。

1.2.3 斜、竖向钢管稳定性计算

φ800×10mm钢管在支撑搭设及整个桥塔施工阶段主要的内力包络图可以由Midas/Civil导出。

钢管最大计算长度L=5m，回转半径ix=279mm，长细比λ=17.9，稳定系数φ=0.978。

则稳定性验算：

按照《钢结构设计规范》[9]其稳定计算应力需满足以下公式：

（满足要求）。

（满足要求）。

γx=1.15，截面影响系数η=0.7，等效弯矩系数βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.4 钢管间连接稳定性计算

φ273×6.5mm钢管间连接在支撑搭设及整个桥塔施工阶段主要的内力包络图可以由Midas/Civil导出。

钢管最大计算长度L=4.7m，回转半径ix=94mm，长细比λ=50，稳定系数φ=0.881。

则稳定性验算：

按照《钢结构设计规范》[9]其稳定计算应力需满足以下公式：

（满足要求）。

（满足要求）。

γx=1.15，截面影响系数η=0.7，等效弯矩系数βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.5 整体稳定

临时支撑结构是施工阶段的主要构筑物之一，由于临时支撑结构失稳倒塌而引发的工程事故屡见不鲜。在所发生的事故当中，由于临时支撑结构的整体稳定性不符合要求而造成的问题最为突出[10-12]，因此整体稳定分析必不可少。第二、四、六阶失稳模态如图6、图7、图8所示，对应的临界荷载系数如表1所示。

图6 第二阶失稳模态

图7 第四阶失稳模态

图8 第六阶失稳模态

表1 各阶失稳对应的临界荷载系数

2 斜撑现场施工安装

2.1 测量放样

采用坐标法放样，首先根据设计图提供的坐标进行复核，确认准确性。然后利用全站仪精确放出地面（或桥面）柱脚中心位置，对应埋设预埋件。立柱安装前，在柱脚预埋件上放出钢管支撑的轮廓线，离边轮廓线30cm放一条辅助线，便于钢管施工过程垂直度检查。

2.2 钢管接长及安装

在后场完成钢管立柱、平联、纵联的加工制作。为便于安装，采用塔吊将分节好的管节逐根吊装组拼，并设置三面缆风绳临时稳定。第一节立柱安装前对立柱底口进行修边，并在埋件上用石笔提前画出立柱安装外轮廓线，立柱焊接前将立柱吊装至埋件处进行试拼，当立柱尺寸存在偏差时现场进行割除，安装过程中严格控制立柱底部焊缝宽度，确保焊接质量。立柱底部焊接完成后，使用t=12mm钢板进行加劲，确保立柱底口与预埋件完全连接。立柱对接焊接采用坡口焊，上端立柱开设45°坡口，焊接过程中利用内侧衬管作为内衬，确保焊接过程中熔透。接长一段用3kg垂球进行初测垂直度，满足要求后，用全站仪精确复核，合格后再进行焊死。同样方法，进行后续钢管接长施工。

立柱钢管对接焊缝施工示意图如图9所示。

图9 立柱钢管对接焊缝施工图

根据斜撑柱脚点的位置，放出内支撑脚点，再用塔吊将后场制作好的内支撑一一吊运组装，为便于拆除，内支撑顶端设置可调钢质卸落块，每根钢管顶端放置一个。将荷载试验合格的卸落块分别放置在每根钢管顶端，测量调整好高度位置，最后在卸落块顶部对应设置预埋件，浇筑箱梁顶板砼，内钢支撑处于受力状态。

2.3 塔端及梁端预埋件制作安装

塔端和梁端预埋件在后场制作，锚筋或型钢锚件应严格按照设计图加工和焊接。安装时，用全站仪在塔端对应位置放出中心点，预埋件端面与模板面间隔5mm，并在模板上用油漆标注清晰位置，拆模时便于查找，预埋件A上方设置三层钢筋网片，用于抗剪。梁端基础预埋件采用25mmHRB400螺纹钢筋，提前将其加工完毕预埋于主梁上，钢板厚度δ=30mm，根据预埋钢筋位置穿孔，并用固定螺纹套筒将钢板固定紧贴于主梁砼表面。

2.4 反力架及桩顶支架制作安装

塔柱反力架结构形式为三角撑，在后场分片加工，反力架横撑、斜撑应满焊。检验合格后，用塔吊分片提升到设计位置安装，满焊于墩身预埋件上。桩顶支架包括：桩顶横梁、桩顶纵梁、分配梁。由于塔吊提升能力受限，在后场先进行型钢加劲板的焊接施工，待所有加劲板焊接质量检验合格后，方可提升到位，进行型钢之间的组合焊接，型钢之间端头隔板满焊，翼缘板之间间隔点焊。

3 结论

本项目斜塔斜拉桥主塔高度达126m，在同类型桥梁中处于较高的水平。主塔的施工难度在整个桥梁中是最大的，同时也是工程量最多、危险系数最大的施工步骤。而本文重点探讨的主塔背向支撑是主塔施工中必不可少的临时支撑体系，也是整个主塔施工的技术核心所在。主塔斜撑的设计必须考虑诸多的影响因素，不仅要使支撑结构符合力学基本原理，同时也要把现场的施工环境考虑在内，以免出现实际与设计不符的情况，造成不必要的麻烦。