人字形桥塔-横撑体系受力分析及优化布置方案比选

许世猛

(中能建路桥工程有限公司,天津 300041)

0 引言

随着斜拉桥、悬索桥的出现,人们对桥塔施工的探索也逐渐展开。现有研究成果及设计资料多侧重于桥梁横梁支撑体系的设计及验算,针对支撑体系技术方案及设计要点的横向对比分析研究尚不多见。本研究结合具体桥例,对3种方案相同支撑体系的受力特点及技术特征进行对比分析,总结要点,为桥塔横梁施工支撑体系的设计及优化提供参考。

1 工程概况

某桥主塔采用C55钢筋混凝土结构,索塔采用异型索塔,横桥向呈人字形,从上至下分别为塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱、塔座(采用C40砼)等部分。桥塔承台以上高度为102.749 m,其中塔冠高5.3 m,上塔柱高45.549 m,中塔柱高28.442 m,下塔柱高21.458 m,塔座高2 m。

主塔为曲面线型,为变化横截面,线型控制难度大,施工精度要求高。桥塔浇筑过程中横撑布设难点主要包括对主塔线形及结构应力的控制,根据施工进度安排,主塔施工历经夏季高温多雨天气、冬季严寒天气等极端天气,受力影响因素多。

2 桥塔-横撑体系的力学模型

2.1 桥塔-横撑体系的组成

桥塔-横撑体系总体可分为支点稳定构件、承重分配构件、可调节局部加固构件等。对于同步顶升浇筑工况,两主塔可满足互为支点条件,即位移与所需反力相近,故在此条件下两主塔与竖撑一起成为横撑的支点稳定构件。由于体系简单,所需受力相差不大,横撑作为承重分配构件只需水平安装即可使体系满足稳定条件。局部加固构件包括横撑主塔相接处的钢筋网、钢板、牛腿、三角楔块等,相近两横撑间腹杆、竖撑与横撑相接处加劲肋,竖撑与地面相接处预埋钢筋混凝土构件及相应卡扣。

2.2 有限元模型参数

利用软件Midas civil 2021建立模型,采用梁单元,模型包含1557个节点、193个单元。主塔部分采用C55混凝土,横撑选择规格为1020 mm×10 mm。考虑两主塔相会后竖向受力引起切向变形较少,故主要计算相会前阶段。

主塔塔底处用固结模拟塔基作用,横撑与主塔牛腿焊接处以横撑与主塔节点固结模拟实际受力,横撑与竖撑相交位置以支座代为受力。自重考虑钢筋取系数1.04,模板重考虑施工图纸与冬季施工保暖设备取两侧主塔相会前70 t单侧加载。考虑钢筋对刚度影响,根据图纸按面积矩放大系数1.09,抗弯惯性矩放大系数1.12进行估算。横撑预推力分别以节点荷载、温度荷载、预加力手段等进行模拟对比,收缩徐变按照JTG 3362-18《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》进行设置,风载根据《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T 3360-01-2018中要求计算。

3 桥塔-横撑体系的受力分析

3.1 桥塔-横撑体系的方案设计

横撑的目的是降低两下塔柱相会前内收,防止倾斜塔柱开裂。该体系方案设计原则是横撑加入体系前,该体系已经接近但未达到应力、稳定极限状态。横撑加入体系后,使体系接近但不达到背离体系发展方向的极限状态,使横撑作用达到最大效果。根据受力结果并按照《钢结构设计标准》考虑压杆稳定确定横撑初始力。3个支撑方案如图1所示,横撑设计内力与位置详见表1,其中位置是距承台顶面的距离。

表1 各方案横撑轴力设计

3.2 典型计算结果

以方案一为例,依据上述有限元模型,确定典型计算工况为：工况一横撑1安装前、工况二横撑2安装前、工况三横撑3安装前、工况四第14节段浇筑完成后。相应的应力及位移计算结果如图2～图9所示。

图3 工况二应力结果

图4 工况三应力结果

图5 工况四应力结果

图6 工况一位移结果

图7 工况二位移结果

图8 工况三位移结果

图9 工况四位移结果

3.3 对比分析

对线形与应力的控制是重要的内容,故对主塔在理论结果中提取正在浇筑节段、已浇筑完成节段及主塔浇筑完成后该节段最大位移、已浇筑节段最大应力及其位置随施工进程的变化曲线。3个方案的计算结果分别如图10～图15所示。

图10 方案一位移结果

图11 方案二位移结果

图12 方案三位移结果

图13 方案一应力结果

图14 方案二应力结果

图15 方案三应力结果

施工过程中最大应力要求小于容许应力,防止混凝土开裂。最大应力所在位置是为了方便应力监测,控制施工危险位置的数量。但随着横撑数量高度的增加,施工安全隐患也随之增加,故有了横撑组数与高度指标。由于横撑架设高度2 m以上的为高空作业,拟采用横撑高度表示施工风险。位移指标主要基于线形控制要求,正在浇筑节段、已浇筑完成节段及主塔浇筑完成后该节段最大位移3条曲线越相近方案越优。汇总3个方案的计算结果,指标对比情况详见表2。

表2 各方案指标对比情况

方案一中的第一根横撑位置较低,增加竖杆稳定性[1]。线形影响随施工进程波动上升,可控性增加。计算应力最大位置较少,便于布置监测。缺点是第一根横撑后期补力对其强度稳定性提出了更高要求,对于3个推力位点,拉应力抑制手段有效但有限。最大拉应力随后期线形变化波动较大,对监测可靠性与应力调整手段有更高要求。

方案二中有4根横撑,应力可调性增强,降低了施工过程的最大拉应力。线形影响随施工进程波动上升,可控性增加。下侧横撑位置较低,显著增加了竖杆稳定性,但4根横撑所需成本更大。线形波动上升,对测量与控制精度有要求。计算应力最大位置增多,对实时监测反馈有更高要求。

方案三的线形变化最为平缓,计算应力最大位置较少,便于布置监测。缺点是第一根横撑位置较高,对竖杆稳定性与施工安全有更高要求。线形变化剧烈节段少但处于施工后期,对调控精度有更高要求。

对比3个方案发现,方案一施工更安全,监测更直观,线形与应力调控更简单,更具可行性。

4 工程实例验证及结论

为了验证上述分析结果,对该工程进行应力实测。桥塔施工采用顶升托架同步施工,对横撑受力进行实时监测。受限于现场条件,应力测点位置距承台9.51 m,传感器布置在该位置处的钢筋位点,如图16所示。按照施工工序,实测结果与理论计算结果如图17、图18所示。

图16 应力与位移监测位点

图17 9.51 m外侧应力实测与计算对比

图18 9.51 m内侧应力实测与计算对比

由图17、图18可知,计算值与实测值随工序的趋势完全一致,数值较为接近。说明计算模型是合理可信的。数值偏差的主要原因有两个：一是实测值的采集时间,即在节段浇筑时,实测初始测值起伏变化较大,节段浇筑完成后应力发展趋势平稳。二是当上侧有横撑受力时,横撑与横撑下侧塔柱要重新进行力的分配。

通过上述分析得到如下结论：曲线桥塔在浇筑过程中必须考虑重力、温度对其线形的影响,通过设置预拱度和横撑等方式,确保成桥线形符合设计要求。桥塔横梁施工支撑方案要进行优化设计,利用位移和应力的综合影响确定合理的支撑方案。该桥塔-横撑体系稳定性与施工可行性满足实际需求,可为该桥塔的顺利修建提供技术支撑。