索塔下横梁分层浇筑施工过程计算与分析

徐登云，陈太雷

(1. 中国中铁四局集团有限公司，合肥 230023； 2. 南京工业大学交通运输工程学院，南京 210009)

索塔下横梁是受力的关键部位，施工方法不当容易出现裂缝，常用的索塔下横梁施工方法为一次浇筑法或分层浇筑法，分层浇筑法对支架及模板的要求明显降低[2-3]。第二层混凝土浇筑时，已浇筑的第一层混凝土与支架联合受力，第一层混凝土将承受一定的浇筑荷载[4-8]。第一层混凝土施工完成后，临时张拉下横梁部分结构预应力，可有效防止下横梁混凝土因收缩产生裂纹[9-10]。

在下横梁施工过程中，重点在于临时预应力的合理设定，若预应力张拉过大会导致横梁顶部混凝土受拉而引起开裂，张拉过小则达不到预期效果[11-12]。本研究结合桥梁实例，对索塔大跨度下横梁分层浇筑工艺进行施工阶段分析，着重研究下横梁与支架之间荷载分配情况及临时预应力张拉数量控制，并验证临时支架的可靠性，为类似桥梁临时结构设计及施工控制方法选用提供参考。

1 工程概况

某大桥主桥为预应力双边箱钢混组合梁斜拉桥结构体系，全长为840 m，主跨采用410 m钢混组合梁。双侧塔柱在顺桥向标高为71.73 m以上保持竖直，以下沿高度方向倾斜率为1∶60。上塔柱横桥向内侧呈竖直状态，外侧内倾，斜率为1∶50。中、上塔柱拉索锚固面壁厚为100 cm，其余均为90 cm；下塔柱壁厚均为150 cm，塔柱底部设2 m高实心段。

中、下塔柱连接处设有下横梁，采用单箱单室截面，横梁长为37 m、宽为7.5 m、高为5 m。下横梁顶部标高为48.73 m，底部距承台顶面高度为18.1 m，顶、底板厚为0.8 m，腹板壁厚为1.0 m，混凝土方量为897.2 m3。横梁内设34束Φs15.2-25钢绞线。索塔结构示意如图1所示。

2 下横梁施工

2.1 下横梁支架设计

该桥下横梁横桥向跨度为37.0 m，底部距承台顶面为18.1 m，考虑到设计特点及现场实际施工条件，采用落地式斜腿钢桁支架作为下横梁的临时支撑结构，支架横桥向布置形式如图2所示。

落地式斜腿钢桁支架主要由斜腿钢管立柱、横向连系梁、纵向分配梁、钢桁架、纵梁模板系统及边支点构成。其中，斜腿钢管立柱底端支立在既有承台上。顺桥向布设5排斜腿钢管立柱，钢桁架净高度为4.0 m，顺桥向布设4排钢桁架，两端支撑在边支点上，边支点采用预埋件形式与塔身连接，下横梁施工荷载通过边支点传递至索塔主体结构。钢桁架上弦杆在塔壁上设置顺桥向限位装置，防止钢桁架失稳。落地式斜腿钢桁支架顺桥向布置形式如图3所示。

2.2 下横梁施工方法

下横梁分两次浇筑施工，第一次浇筑自下横梁底部至顶板倒角下方，高度为3.7 m，混凝土浇筑方量为597.7 m3；第二次浇筑自交界面至下横梁顶部，高度为1.3 m，混凝土浇筑方量为299.5 m3。第一次混凝土浇筑完成后，张拉下横梁部分预应力。

采用上述方法施工，第二次浇筑的混凝土荷载将由落地式斜腿钢桁支架及第一次浇筑成型的下横梁构件共同承受，在协调变形的条件下对荷载进行重新分配，增加施工安全系数。

2.5.3 包封率和载药量 精密量取白藜芦醇DPPC脂质体粉雾剂10 mg，纯化水复溶，加入预先溶胀的葡聚糖凝胶G-25色谱柱中分离，顶部加纯化水洗脱，收集洗脱液，每管2 mL，分别加入无水乙醇定容至10 mL，参考“2.1.2”项色谱条件测定。计算包封率、载药量。

3 下横梁施工过程模拟分析

采用MIDAS Civil有限元分析软件，根据下横梁的施工步骤，建立施工阶段有限元模型，分析临时预应力在施工过程中的作用，确定现场实施方案。考虑到下横梁及支架边支点与塔柱相连，为充分模拟现场施工条件，建立“索塔-支架”整体有限元施工阶段模型。下横梁第一次浇筑的混凝土构件采用梁单元模拟，第二次浇筑的混凝土采用湿重荷载模拟。“索塔-支架”整体有限元施工阶段模型如图4所示。

3.1 临时预应力对支架受力影响分析

为研究临时预应力施加的大小对落地式斜腿钢桁支架承受荷载的影响，下横梁第一次浇筑完成并达到龄期后，分别对下横梁不张拉预应力及对称张拉2束、3束和4束预应力的情况进行施工阶段分析，以落地式斜腿钢桁支架底部支端反力合力、双侧塔柱竖向力合力、下横梁跨中弯矩及下横梁跨中竖向位移为计算指标，施工阶段结构反力如表1所示，施工阶段下横梁跨中弯矩及竖向位移如表2所示。计算以下3种典型荷载工况：①下横梁第一次混凝土浇筑完成；②临时预应力张拉完成；③下横梁第二次混凝土浇筑完成。

表1 施工阶段结构反力

表2 施工阶段下横梁跨中弯矩及竖向位移

由表1可知，临时张拉预应力引起了钢桁支架反力和双侧塔柱反力的重新分配，临时张拉预应力数量越多，落地式斜腿钢桁支架承受的荷载越小，双侧塔柱竖向反力相应增大。这是由于预应力的施加使第一次浇筑形成的U形下横梁刚度增大，承载能力提升，所以钢桁支架承受的荷载会有所减小。由反力增量可知，在不张拉预应力的情况下，钢桁支架承担了22%的二次浇筑荷载，而当临时预应力对称张拉4束时，钢桁支架承担的二次浇筑荷载下降为2.8%。因此，为降低支架所承受荷载，应在下横梁第一次混凝土浇筑完成并达到龄期后，增加临时预应力的张拉数量。

由表2可知，底板预应力的施加使U形下横梁的跨中弯矩和竖向位移均减小，这有利于该结构的施工抗裂控制，降低其顶板浇筑时引起底板开裂的风险以及减少下横梁混凝土后续收缩可能造成的裂缝缺陷。

3.2 临时预应力对下横梁受力状态影响分析

分析下横梁第一次浇筑完成后，临时张拉预应力对下横梁应力状态的影响。仍采用上述施工阶段有限元模型的计算结果进行对比分析，下横梁应力如表3所示。

表3 下横梁应力

由表3可知，未施加临时预应力时，U形下横梁底部存在拉应力，施加预应力后，下横梁底部均受压，但随着预应力施加数量的增多，下横梁上缘拉应力也增加。当对称张拉4束预应力时，下横梁端部上缘拉应力可达1.72 MPa，此时下横梁混凝土存在开裂风险，综合考虑钢桁支架受力和U形下横梁结构抗裂要求，应临时对称张拉3束预应力，一方面能够满足主体结构施工抗裂要求，另一方面可尽量减小钢桁支架承受的荷载。

4 落地式斜腿钢桁支架设计方案优化

4.1 方案优化情况

结合大跨度下横梁分层浇筑施工有限元分析结果及临时预应力张拉选定方案，对落地式斜腿钢桁支架设计方案进行优化。考虑到支架结构的力学特性及下横梁主体结构施工质量需求，保持原有钢桁架布置方案不变，将斜腿钢管立柱顺桥向布设5排优化为4排，竖向与钢桁架一一对应，有限元计算模型如图5所示。

4.2 力学性能计算分析

根据下横梁施工方法，计算分析落地式斜腿钢桁支架各组成部位强度及刚度，落地式斜腿钢桁支架计算结果如表4所示。

表4 落地式斜腿钢桁支架计算结果

由表4可知，下横梁施工过程中，落地式斜腿钢桁支架各构件应力及竖向变形均在允许范围内，满足现场施工要求。

4.3 整体稳定性验算

落地式斜腿钢桁支架结构庞大、施工难度高且受力条件复杂，为验证支架的整体稳定性，结合现场实际施工条件，建立落地式斜腿钢桁支架屈曲分析模型，落地式斜腿钢桁支架整体稳定性分析如图6 所示。

落地式斜腿钢桁支架屈曲分析一阶模态临界荷载系数为7.497，整体稳定性满足施工要求。

5 结论

采用落地式斜腿钢桁支架分层浇筑索塔下横梁，混凝土荷载重、支架结构庞大且施工过程复杂，为保证施工过程中索塔自身结构及支架的受力安全，须对下横梁施工全过程进行有限元分析，并对临时结构进行优化设计，主要结论如下。

(1) 下横梁分层浇筑过程中，第二次浇筑荷载将由落地式斜腿钢桁支架及第一次浇筑成型的构件本身共同承受，减轻了落地式斜腿钢桁支架所承受的荷载，增加施工安全系数，减少临时结构投入。

(2) 下横梁第一次混凝土浇筑完成并达龄期后，临时预应力张拉数量对后续施工中索塔主体结构与落地式斜腿钢桁支架之间的荷载分担影响较大。临时张拉预应力数量越多，落地式斜腿钢桁支架承受的荷载越小。

(3) 临时张拉预应力能够有效调节下横梁及钢桁支架施工阶段的受力状态，为保证下横梁施工过程中不出现过大的拉应力且使钢桁支架承受的荷载尽可能小，临时预应力对称张拉数量宜为3束。

(4) 落地式斜腿钢桁支架底端直接支撑在既有承台上，无须在横梁中部增设桩基础、承台及柱式临时支撑，减少施工投入、节省施工工期。优化后的落地式斜腿钢桁支架强度、刚度及整体稳定性均满足施工要求，优化了相关设计理念。