弧形索塔施工过程风荷载静力效应分析

聂宁波NIE Ning-bo；牛俊杰NI Jun-jie；钟一帆ZHONG Yi-fan；李龙LI Long

（中铁十五局集团第一工程有限公司，西安710000）

0 引言

拱门型索塔是斜拉桥塔柱的一种新形式，较独柱形、双柱形、门形或H 形索塔受力形式更加复杂。在索塔合龙前，结构体系不闭合，结构刚度小，在自重和爬模荷载作用下对塔柱产生很大弯矩，索塔处于压弯状态。拱门型索塔线形设计使得塔柱倾斜度不断变化，在施工过程中，自重与施工荷载作用就会引起结构产生较大变形与内力[1-3]，当可变荷载和恒载共同作用风荷载共同作用下，使索塔受力非常不利，关键截面的应力控制和结构最大位移难以控制。由于混凝土收缩徐变、结构及边界条件的非线性因素影响，荷载作用与位移量之间的关系也呈非线性变化，荷载增减效应仅简单叠加，结构位移误差会逐渐累积[4-5]，最终导致索塔无法顺利合龙等情况。

本文采用有限元软件Midas/Civil 对摆宴坝嘉陵江大桥索塔施工流程进行仿真分析，计算风荷载效应及自重和施工荷载组合下对索塔施工过程中结构内力及位移的影响[6-7]，分析索塔在轴压和弯矩作用下，梁柱效应的响应程度，掌握索塔在施工过程中应力及位移的变化规律和特点，防止应力超限。

1 工程概况

索塔采用混凝土箱型结构，为美观需要设计为拱门型。索塔总高130.390m（下塔柱高29.69m，中塔柱高40.02m，上塔柱高55.48m，塔冠高5.2m）；主塔线型：索塔线形为拱门形，其横桥向外轮廓设计为椭圆线型，内轮廓由三部分组成分别为圆曲线、椭圆、圆曲线，索塔线型如图1 所示。索塔截面纵桥向塔顶宽6m，承台顶面宽度为9m，纵向宽度随高度增加线形变化。索塔横向采用两个分离式箱型断面，其断面宽度随索塔内外弧间距变化在4-8m 之间变化，塔顶设置了外形为拱门的上横梁将两个塔柱连接成整体。本桥采用塔梁墩固结形式，下横梁与主梁0#块合二为一。塔底与承台基础相连接。塔柱采用曲线设计受力复杂，为保证其整体性及简化受力，分别在中上塔柱间设置了横隔板。索塔标准断面见图1 所示。

图1 索塔线形、索塔标准断面图

2 索塔施工流程

2.1 索塔施工流程概述

整个索塔施工共划分为29 个施工节段，节段具体划分数据见表1。第1、2 节为索塔起步段，采用现浇施工，外模采用爬模模板。施工完索塔1、2 节段时，搭设贝雷梁支架，浇筑下横梁，待下横梁强度达到95%，张拉横梁预应力筋后，采用液压爬模施工索塔第3 节至第28 节。下横梁采用钢管立柱支架法施工；第29 节及以上部分和上横梁采用托架法现浇施工。

表1 索塔节段划分

2.2 临时水平横撑

拱门型索塔因其线形设计，受力相较于竖直索塔更加复杂，在塔柱的施工过程中，因为塔柱的轴线与竖直方向存在一定的夹角，受自重及施工荷载的影响，会发生一定的偏移，随着塔柱高度的增加，塔柱的偏移量在不断变化，这会严重影响到施工安全性，为保证索塔的施工精度，防止变形过大，索塔关键截面不出现拉应力，在索塔施工过程中通过搭设临时横撑是控制索塔线形和位移的主要措施。

因索塔高度超过了100m，采用悬臂裸塔爬模的施工方法，随着索塔高度的增加，塔柱在自重和施工荷载作用下产生向内的水平分力，使结构关键截面出现拉应力，导致截面拉裂。因此采用施加顶推力的主动临时横撑，抵消一部分自重及施工荷载引起的水平分力。水平横撑为横向钢管结构，钢管间采用小钢管连接形成桁架结构，增强稳定性。钢管横撑与塔柱固结在一起构成了临时的稳定框架，确保索塔在施工过程中结构的稳定性。充分利用钢管临时横撑的刚度和强度，用千斤顶对斜塔柱内侧塔壁施加预顶力，减少索塔施工过程中因自重和施工荷载引起的附加应力。临时水平横撑预定力的确定遵循内力控制为主，变形控制为辅的设计原则。支撑位置确定依据当索塔施工至某一节段，截面外侧拉应力达到限值时，在上一节段设置主动临时横撑。

依据主动横撑设计原则，索塔施工过程中共设置三道主动横撑，每道横撑主要采用两根Φ1000×10mm 钢管受力，通过两根大直径的钢管承受索塔对它的拉力或压力，横撑之间水平间距为3.0m，为保证横撑结构整体性，两根受力钢管之间通过Φ325×6mm 的小钢管连接，加强结构稳定性。水平横撑设置方案见表2，水平横撑结构形式如图2 所示。

图2 水平横撑结构形式

表2 水平横撑设置方案

3 施工阶段有限元分析

采用有限元软件Midas civil，建立摆宴坝嘉陵江大桥的空间梁单元模型，空间梁单元模型如图3。依据实体桥梁结构体系，有限元仿真分析中，索塔底部采用固结约束，用一般支撑将塔底部固结；满堂支架采用弹性支撑模拟；上横梁与索塔间连接通过弹性支撑的方式等效；下横梁与桥塔的连接采用共节点的方式。根据索塔节段划分、施工流程及水平横撑布置方式，有限元模型包含了296 个梁单元，333 个节点，40 根横向预应力钢束。根据实际施工流程Midas 中采用64 个施工阶段模拟，液压爬模采用点荷载代替，索塔节段的标准施工流程为：爬模就位（施加节点荷载）→号块湿重→号块激活（号块激活的同时将对应风荷载激活）。

图3 空间梁单元模型

3.1 计算参数和荷载

3.1.1 计算参数

①桥塔为C50 混凝土，弹性模量3.45×104MPa，下横梁为C60混凝土，弹性模量3.6×104MPa，容重均为26kN/m3；②主动横撑为Q235 钢，弹性模量2.06×105MPa，容重78.5kN/m3；③下横梁的横向预应力筋采用1860 钢绞线，两端张拉1395MPa。

3.1.2 荷载

①自重系数取1.04；②液压爬模及模板重130t，等效为节点荷载施加在已浇号段顶点；③风荷载。考虑索塔横向静风荷载，按设计基本风速U10=24.5m/s，横向塔柱静风荷载为9.14kN/m，顺桥向风荷载为4.32kN/m；④考虑混凝土收缩徐变的影响。

3.1.3 风荷载计算：依据《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T 3360-01-2018 知

ρ 取值为1.25kg/m3；GV取值为1.1778（通过内插法求得）；kf取值为1.0；kt取值为1.0；kh取值为1.32；U10取值为24.5m/s；CD取值为1.344；An取值为7.53m2/m。

3.2 索塔施工阶段静风荷载影响分析

风荷载作为活荷载一种，当结构体系未闭合前，静风荷载作用会对桥塔的内力和位移产生很大的影响，关系到索塔的设计及索塔合龙后的线形。对成塔后裸塔进行风荷载分析已有大量研究，施工过程中的分析较少。鉴于索塔施工过程中无斜拉索对索塔的竖向与水平分力，属于小变形情况，固对桥塔在风荷载作用下梁柱效应的影响程度进行分析。

模型计算可知，横桥向静风荷载模型中，索塔施工1、2 节段后，搭架浇筑了下横梁，下横梁很好的将两索塔连系在了一起，使得两根索塔下横梁构成一个受力体系，共同参与受力，结构整体性提高，所以直至索塔施工至20#节段，高度过高，下横梁对已浇筑索塔节段顶端的约束效应减小，索塔开始出现拉应力，位于横撑1 位置处截面外侧，拉应力值0.012MPa，而无静风荷载模型在施工至21#节段时才出现拉应力。施工至25#节段时，最大拉应力仍在横撑1 位置处截面外侧，风荷载模型最大拉应力0.440MPa，比不考虑风荷载模型大了0.116MPa；索塔施工26#节段时，最大拉应力位置变化到横撑2 位置处截面，施工27#节段时，此截面拉应力最大值0.562MPa，比不考虑风荷载模型大了0.141MPa；施工29#节段时，最大拉应力移至横撑3 位置处，30#节段时出现最大拉应力2.127MPa，比不考虑风荷载模型大了0.072MPa。在关键施工阶段中，横向静风荷载引起的拉应力最大增加了35.80%。横向风荷载对施工关键节段的影响计算结果见表3。

表3 横向风荷载对施工关键节段的影响

成塔后索塔的最大变形值为29.322mm，而不考虑风荷载模型变形值为14.961mm，位移值增大了95.98%。

顺桥向静风荷载模型中，索塔施工至20 节段时，结构自身强度可以抵抗自重及施工荷载，无拉应力出现。直至索塔施工至21#节段时，在索塔17 节段位置截面出现拉应力，拉应力值为0.062MPa，顺桥向位移为9.5mm，水平横撑仅对塔柱横向有支撑作用，顺桥向变形只与塔柱自身刚度相关。随着桥塔高度的增加，顺桥向静风荷载不断变大，截面最大拉应力值随之增加，直至索塔合龙，最大拉应力值为0.436MPa，顺桥向最大位移为16.9mm。但顺桥向无风荷载作用时，施工荷载及自重没有沿顺桥向分力，固不会产生顺桥向位移和拉应力。结构自身刚度足以抵抗顺桥向风荷载，固不再详细列举顺桥向风荷载作用下应力及位移数据。

3.3 索塔施工阶段梁柱效应影响分析

索塔施工阶段，索塔横桥向因自重及爬模荷载竖直和横桥向水平分力及作用，构件处于弯压状态，加之横向静风荷载的作用组合下构件处于最不利状态，构件的变形呈现非线性特性。在自重及爬模横桥向分力和横桥向静风荷载作用下横向挠度会引起附加弯矩，加剧结构的变形。因此，探究索塔施工阶段自重、爬模及风荷载作用下的梁柱效应的影响程度。

由计算结果可知，拉应力最大差值仅0.007MPa，最大变化量只有1.55%；压应力最大差值0.012MPa，最大变化量0.11%；横桥向位移最大值差值0.392mm，最大变化量0.23%。梁柱效应对结构位移及内力的影响详见表4。

表4 梁柱效应对结构内力及位移的影响

由此可知，对于箱型截面的混凝土索塔，其具有较高的抗弯刚度，在风荷载较小及塔柱倾斜角度较小是，在自重、施工荷载及风荷载组合作用下梁柱效应对截面的拉应力、压应力及位移影响较小。

4 结论

①预应力混凝土箱型截面索塔随着施工阶段的进行，因水平横撑的作用，索塔截面最大拉应力的位置也不断变化。最大拉应力出现在水平横撑位置处截面，需对此范围内进行加固，防止混凝土开裂。②预应力混凝土索塔施工过程中，风荷载的影响对结构的内力及位移有很大的影响，横撑位置及顶推的力的设置要考虑风荷载的影响，确保截面最大拉应力不超过混凝土的抗拉强度标准值，最终索塔的变形满足规范规定限值。③塔柱倾斜角度较小时，对混凝土索塔施工阶段受力分析可忽略梁柱效应的影响。