湖北宜昌香溪河大橋5#主塔對拉系統及主動橫撐施工設計計算

郭煥

摘要：香溪河大橋工程5#主塔采用爬模法施工，下塔柱擬采用拉桿進行對拉，中塔柱擬采用鋼管作為橫撐，并在施工過程中，采用千斤頂進行調整，通過這種辦法保證施工過程中主塔的線性和應力均滿足要求，本文采用midas civil模擬施工過程，確定拉桿預拉力和橫撐預頂推力，并考慮溫度對施工的影響。

Abstract： Xiangxi River Bridge project 5# main tower uses climbing formwork construction method， lower tower uses the pull system， the middle tower intends to use the steel pipe as the cross brace， and in the process of construction， the jack is used to adjust through this method to ensure linearity and stress of the main tower to meet the requirements. In this paper， the midas civil is used to simulate the construction process to determine the pre-tension of the pull rod and the pre-thrust of the transverse bracing， and the influence of temperature on the construction is considered.

關鍵詞：斜拉橋；爬模施工；主塔；拉桿；水平橫撐；midas civil計算；施工設計

Key words： cable-stayed bridge；climbing formwork construction；main tower；tie rod；horizontal bracing；midas civil calculation；construction design

中圖分類號：U448.27 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）04-0103-04

0 引言

倒Y形橋塔因其結構和拉索布置上的優越性，越來越多地為現代大跨徑斜拉橋所使用，具有橫向剛度大，但構造復雜，施工難度大的特點，主塔塔柱多用液壓爬模法懸臂施工，懸臂施工會產生較大彎矩，使主塔產生偏位和應力，為確保主塔施工過程中的線型和內力滿足要求，常使用拉桿施加拉力、主動橫撐施加頂推力的方法進行調整，對拉系統和主動橫撐設計時要遵循內力控制為主，變形控制為輔的原則，拉桿和主動橫撐該如何設置，是否合理，初始拉力和頂推力的取值，均需要計算才能確定。本文采用midas civil對宜昌香溪河大橋5#主塔拉桿和主動橫撐施工工況進行模擬，分析計算結果之后，可以得出結論：主塔通過合理設置拉桿和主動橫撐，能夠使塔柱的應力和變形量控制在規范要求之內。

1 工程概況

香溪河橋主橋采用主跨470m組合混合梁斜拉橋。其中主橋5#墩索塔采用倒Y形結構，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、上中塔柱連接段、中下塔柱連接段、下橫梁及塔墩。主塔主體結構采用C50混凝土，索塔高167.6m（不包括塔墩），塔頂高程+343.92m，塔頂高程（塔墩頂高程）+176.32m，塔墩高25.32m，塔墩頂底高程（承臺頂高程）+151.00m。橫橋向下塔柱，高為40.8m；中塔柱外傾，高為82.8m；下塔柱內傾，高38m；上中塔柱連接段高7.5m，中下塔柱連接段高6.0m。中塔柱橫橋向傾斜率為1/5.911，下塔柱內傾斜率1/4.837。外傾斜率1/6.970。

2 主塔施工方案

主塔采用液壓爬模分節段施工，根據主塔結構尺寸及施工方案，如圖1所示，主塔分31次澆筑完成，其中下塔柱分6次澆筑完成，每次澆筑高度5.9m（下橫梁處5.562m），下橫梁分2次澆筑完成，中塔柱分12次澆筑完成，每次澆筑高度5.9m（塔頂圓弧段4.427m），上塔柱分9次澆筑完成，每次澆筑高度4.33m～5.9m，每個施工節段12天。根據施工特點，下塔柱施工時設置1道拉桿，中塔柱施工時設置4道水平橫撐。

①拉桿節段塔柱施工時，預埋拉桿孔道及鋼管支撐預埋件，爬模爬升后，采用塔吊安裝？準630mm鋼撐桿，撐桿分兩段安裝，兩段之間設置千斤頂，千斤頂預橫撐之間暫時不頂緊。在塔柱預留孔內穿入鋼絞線，按照設計張拉力要求張拉鋼絞線，測量復核下塔柱線性，通過調節預張力調整下塔柱線性滿足監控要求，將鋼絞線拉桿鎖定。最后啟動撐桿之間千斤頂，將撐桿稍稍頂緊，并用鋼楔塊抄實。②橫撐安裝。橫撐采用？準1000×10mm鋼管，兩端通過塔柱預埋件焊接，橫撐由塔吊配合分兩段安裝，兩段之間用千斤頂頂緊施加預頂力，以調節主塔塔柱線形，最后用鋼楔塊抄實。同一高度兩根橫撐鋼管之間安裝連接系。③橫撐及拉桿拆除。下橫梁施工完成后，拆除拉桿，利用千斤頂將鋼絞線放張，用塔吊配合拆除撐管。中上塔柱合攏段施工完成，利用塔吊配合拆除橫撐。

3 模型建立

采用midas civil有限元分析軟件對主塔進行施工工況模擬分析，首先確定拉桿及主動橫撐在安裝時候主動施加拉力及頂推力數值，確定拉桿拉力及主動橫撐頂推力后，添加拉桿及主動橫撐重新進行施工階段模擬分析。

塔柱采用梁單元建立模型，下塔柱根部固結，下橫梁與主塔采用剛性連接，上塔柱塔頂圓弧段采用剛性連接模擬，拉桿采用索單元模擬，橫撐采用只受壓桁架單元模型。計算模型如圖2所示。

主塔在施工過程中主要考慮的荷載有：①結構自重包括鋼筋混凝土自重、鋼錨梁重量。主塔塔柱鋼筋混凝土容重為γ=26kN/m3。②施工階段荷載，主要為爬模重量，單側爬模重量取800kN。③溫度荷載，按不考慮溫度荷載、升溫20℃、降溫20℃三種情況下分別計算塔柱及橫撐受力。④混凝土收縮徐變作用。⑤預應力荷載，下橫梁施工需預應力張拉。

4 工況分析

根據主塔總體施工組織設計，按照實際施工情況建立施工階段進行分析，荷載具體工況如表1所示。

5 計算結果

5.1 拉桿與拉力和橫撐初始頂推力確定

為計算處拉桿初始拉力和橫撐初始頂推力，在midas civil模型中將拉桿和橫撐等效成約束（主要約束主塔內偏和外傾），計算出工況二、工況六、工況八、工況十、工況十二的反力，即為拉桿初始拉力和橫撐初始頂推力。計算結果如下（括號內為過程中最大受力，正值代表拉力，負值代表壓力）：

工況二（拉桿）：1258.8kN（6451.9kN）；工況六（第一道橫撐）：-2436.1kN（-6791.4kN）；

工況八（第二道橫撐）：-1772.6kN（-5636.0kN）；工況十（第三道橫撐）：-1904.2kN（-3930.5kN）；

工況十二（第四道橫撐）：-723.1kN（-1489.2kN）；

則：拉桿初始為：F=629.4kN；

第一道橫撐初始頂推力為：N1=-1218.1kN；第二道橫撐初始頂推力為：N2=-886.3kN；

第三道橫撐初始頂推力為：N3=-952.1kN；第四道橫撐初始頂推力為：N4=-361.6kN。

5.2 不考慮溫度荷載，主塔應力和線形分析

根據得出的拉桿初始拉力和橫撐的頂推力，在模型中在安裝拉桿和橫撐之前，在相應主塔節段位置以集中荷載的形式添加拉力和頂推力。計算結果如表2所示。

主塔柱混凝土在施工過程中最大壓應力最大值為5.5MPa，小于C50允許壓應力22.4MPa，下橫梁處塔柱出現拉應力，最大為0.4MPa，小于C50允許拉應力1.83 MPa；下橫梁在預應力張拉前應力為0.2MPa，小于C50允許拉應力1.83MPa，預應力張拉后最大壓應力10.5MPa，小于C50允許壓應力22.4MPa；拉桿最大拉力為2136.2kN，橫撐鋼管最大軸向壓力為2186.7kN。

5.3 考慮拉桿和橫撐升溫20℃時，主塔應力和線形分析

當實際溫度與鋼管橫撐初始安裝溫度有差別時，鋼管橫撐將產生溫度荷載，且溫度荷載作用對主塔及鋼管受力影響較大。

當鋼管橫撐實際溫度與初始安裝溫度相比，升溫20℃時，考慮塔柱混凝土體積較大，受溫度影響較小，計算假定塔柱溫度不變，考慮鋼管橫撐升溫對塔柱的影響。計算結果如表3所示。

主塔柱混凝土在施工過程中最大壓應力最大值為6.3MPa，小于C50允許壓應力22.4MPa，下橫梁處塔柱出現拉應力，最大為0.4MPa，小于C50允許拉應力1.83 MPa；下橫梁在預應力張拉前應力為0.2MPa，小于C50允許拉應力1.83MPa，預應力張拉后最大壓應力10.1MPa，小于C50允許壓應力22.4MPa；拉桿由于變形過大，已經失去對主塔約束作用，橫撐鋼管最大軸向壓力為2562.8kN。

5.4 考慮拉桿和橫撐降溫20℃時，主塔應力和線形分析

當實際溫度與鋼管橫撐初始安裝溫度有差別時，鋼管橫撐將產生溫度荷載，且溫度荷載作用對主塔及鋼管受力影響較大。

當鋼管橫撐實際溫度與初始安裝溫度相比，降溫20℃時，考慮塔柱混凝土體積較大，受溫度影響較小，計算假定塔柱溫度不變，考慮鋼管橫撐升溫對塔柱的影響。計算結果如表4所示。

主塔柱混凝土在施工過程中最大壓應力最大值為5.7MPa，小于C50允許壓應力22.4MPa，下橫梁處塔柱出現拉應力，最大為0.3MPa，小于C50允許拉應力1.83MPa；下橫梁在預應力張拉前應力為0.2MPa，小于C50允許拉應力1.83MPa，預應力張拉后最大壓應力10.6MPa，小于C50允許壓應力22.4MPa；拉桿最大拉力3571.2kN，橫撐鋼管最大軸向壓力為1992.6kN。

5.5 計算結果對比

將不考慮溫度荷載，升溫20度，降溫20度三種工況下計算的結果進行對比。主要對比內容為：主塔塔端偏移值，主塔柱應力值。通過對比，可以清楚了解溫度變化對有主動橫撐主塔施工的影響，計算結果如圖3、圖4所示。

由上述計算結果可知：主塔通過拉桿和主動橫撐作用，塔端偏移量和塔柱應力明顯減小，至下橫梁施工時，塔柱頂端單側向外傾斜為0.8mm；至塔頂圓弧段準備澆筑合龍時，塔柱頂端單側向內傾斜為0.3mm；滿足施工要求。

當溫度升高時，塔柱端部明顯外偏，塔柱應力明顯增大，主要是因為，橫撐的升溫膨脹變形將塔柱向外側塔柱頂，使塔柱根部彎矩增大。

當溫度降低時，塔柱端部內偏，在工況四（拉桿拆除）之前，塔柱應力減小，之后應力略有增大，主要是因為上塔柱節段在橫撐降溫冷縮后向內偏，下塔柱與下橫梁處彎矩增大。

根據結果不難看出，溫度對于拉桿和橫撐的內力影響很大，但不管是升溫還是降溫，通過拉桿和主動橫撐，塔柱端部位置位移明顯減?。ㄓ绕涫窃诠r十三），塔柱應力也在合理范圍之內，這可以充分說明，本橋5#墩主塔采用這種施工方案式可行的，拉桿和主動橫撐的設置是合理的。

6 結語

湖北香溪河大橋5#主塔施工為消除塔柱在施工階段因為傾斜產生的拉應力，在下塔柱設置拉桿和中塔柱進行臨時水平橫撐，該設計方案通過施工階段分析，通過對比每個階段主塔塔端偏移量和塔柱應力情況，充分證明了該方案的可行性和合理性，為后期索塔在施工過程的應力控制及線型控制，做好科學準備工作。本論文通過理論計算表明，傾斜主塔通過拉桿和水平橫撐調整，可以較好的控制塔柱的線型，同時使其內力滿足施工要求，對于后期施工起到指導性作用。通過對香溪河大橋5#主塔拉桿和水平橫撐的設計計算，本文可以為今后類似的大斜度的主塔施工提供借鑒和理論參考價值。

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