主動橫撐在鋼殼混凝土空心橋塔施工中的應用

官保華，黃海勇

（中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

主動橫撐在鋼殼混凝土空心橋塔施工中的應用

官保華，黃海勇

（中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

在斜拉橋主塔施工過程中，塔柱往往處于具有一定傾斜角度的懸臂狀態。由于自重及施工荷載等作用，上塔柱底部截面形成負彎矩，使得上塔柱底部混凝土受拉或塔柱頂部產生過大的側向位移。文章以漳州開發區雙魚島連接橋鋼殼混凝土空心橋塔工程為例，采用橋梁計算軟件Midas對主動橫撐方案進行設計計算，并與施工監測數據進行對比分析。結果表明：采用合適的主動橫撐方案有效消除了塔柱的不良應力狀態和塔柱頂部過大的側向位移。實際施工中應加強施工監測，如有必要應對施工方案進行修正。

塔柱;主動橫撐;拉應力;開裂

0 引言

鋼筋混凝土斜拉橋索塔多設計為傾斜結構，施工一般采用懸臂裸塔爬模法。施工過程中的懸臂塔柱處于自由狀態，在自重及施工荷載等作用下塔柱底部形成較大的傾覆力矩。傾覆力矩產生的拉應力可能引起塔柱底部混凝土的開裂及塔柱頂部較大的側向位移，從而影響索塔的施工質量和使用壽命。施工一般可采用設置支撐的方式將索塔的應力及側向位移控制在設計允許的范圍內。

為減少傾覆力矩影響而設置支撐的方法目前有3種[1]：第1種是滿堂支架法，即在施工過程中同步搭設豎向滿堂支架。隨著索塔高度的增加，滿堂支架的工作量增加大，工作效率低，進度慢，施工安全危險加大。因而滿堂支架法很少采用。第2種是設置橫向水平支撐，即在塔柱施工過程中采用幾道直徑較大的橫向鋼管或型鋼桁架支撐，按一定高度間隔布置，與塔柱臨時固接在一起，形成框架結構，平衡斜塔柱所產生的傾覆力矩，增強塔柱施工過程中的穩定性和安全性。鋼支撐本身橫向具有較好的剛度，工作量相對不大，但不能克服索塔在鋼支撐安裝前因自重及施工荷載引起的變形和側向位移，不能有效保證成塔后的線性和應力狀態。第3種是在第2種方法的基礎上使用千斤頂通過橫向鋼管撐向塔柱內壁施力，變被動支撐為主動支撐，克服塔柱施工過程中因自重和施工荷載而引起的應力和側向位移。目前國內建成的幾座大橋，如小沙灣黃河特大橋、灌河斜拉橋及天津濱海斜拉大橋等均采用了第3種方法，取得了良好的效果[2-4]。

1 工程概況

漳州開發區雙魚島陸島連接橋位于漳州招商局經濟技術開發區中心位置，路線起于南炮臺與高爾夫球場間的南濱大道，與南濱大道南段平交，止于雙魚島主干道，與主干道平交。陸島連接橋為海上斜拉橋，路線全長685.4 m，包括北引橋330.6 m，主橋204.0 m，南引橋150.8 m。索塔由下塔柱、下橫梁、上塔柱及上橫梁共四部分組成。下塔柱底高程為2.0 m，塔頂高程為92.0 m，索塔總高90.0 m，橋面以上的高度為76.0 m，索塔中、下塔柱順橋向的斜率為1/90，塔座底高程0.50 m，塔座高度1.5 m，索塔總寬48.0 m。采用C50海工混凝土。

2 主動橫撐布置及受力計算

2.1 主動橫撐布置

上塔柱為外包鋼殼混凝土空心塔柱，自下而上采用的是液壓爬模法，按鋼殼設計節段進行施工。將主動橫撐與施工作業平臺相結合，在上塔柱施工過程中設置五層主動橫撐，每層橫撐采用2根φ630 mm×10 mm鋼管。施工作業平臺采用4根φ630 mm×10 mm鋼管作為豎向支撐，每隔5 m焊接工25a型鋼作為水平連接。橫撐鋼管與塔柱鋼殼鋼板滿焊連接，自下而上各層橫撐的高程依次為24.682 m、35.682 m、46.182 m、56.682 m、66.682 m。鋼管支撐中部設置爬梯和中轉平臺，鋼爬梯用槽鋼、螺紋鋼筋及花紋鋼板焊接而成，用作上下層平臺間的連接。主塔臨時支撐結構體系立面圖如圖1所示。

2.2 計算原則及方法

圖1 主塔臨時支撐結構體系立面圖Fig.1 Verticalview of the temporary support structure system of the main tower

1）計算原則：橋塔施工臨時主動橫撐計算以應力控制為主，變形控制為輔為原則。斜拉橋索塔塔柱大多采用混凝土材料，所以剛度較大，頂推產生的塔柱橫橋向位移一般較小，對于斜塔柱，計算所得理論主動力至少要能夠保證完全抵消自重及施工荷載橫橋向分量作用在最不利截面產生的附加拉應力。但主動力也不宜過大，防止橫撐處混凝土出現裂縫。主動橫撐的形式和位置選擇應結合橋塔及施工平臺結構形式，以確保施工過程中臨時結構與永久結構形成穩定的框架體系為原則。

2）計算方法：臨時主動橫撐設計的主要內容為臨時橫撐結構形式的選擇、布設位置的選取及預頂力大小的確定。設計的核心在于斜塔柱底部混凝土截面拉應力是否能消除或者控制在允許范圍內。根據JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中第6.3.1條條文說明，一般拉應力控制在1 MPa以內[5]。在計算斜塔柱的應力時，可以把單肢塔柱看作為懸臂梁結構。對于兩個方向都有傾斜的塔柱，兩個方向自重及施工荷載會引起彎矩疊加，產生的附加應力在底部一個角點位置形成最大拉應力，最大拉應力計算公式如下[6]：

式中：σ為上塔柱底部受拉邊緣混凝土的計算拉應力；Mx、My為主動橫撐施加前上塔柱底部計算高度范圍內塔柱自重及施工荷載在底部x、y方向產生的彎矩；Ix、Iy為上塔柱底部截面x、y方向的慣性矩；y為上塔柱底部截面中性軸到受拉邊緣的距離；N為主動橫撐施加前上塔柱底部計算高度范圍內的塔柱自重及施工荷載在底部產生的軸力；A為上塔柱底部截面面積；R為上塔柱底部混凝土預期標號的極限拉應力；K為安全系數。

考慮到塔柱結構的不規則性及施工過程中受力影響因素較多，采用上式進行塔柱底部拉應力計算時，需對結構及受力情況進行較大的簡化，拉應力計算結果的準確度會受到一定影響。因此，在進行拉應力計算時應盡可能的采用有限元建立更貼近實際橋塔結構及受力狀況的實體模型進行計算，并在實際施工過程中加強塔柱混凝土應力監測。

3 主動橫撐數值模擬分析

3.1 計算模型工況

根據支撐方案可以將施工過程分為如下6種工況：

工況一：T6節段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程24.682 m處設置第1層橫撐；

工況二：T8節段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程35.682 m處設置第2層橫撐；

工況三：T10節段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程46.182 m處設置第3層橫撐；

工況四：T12節段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程56.682 m處設置第4層橫撐；

工況五：T14節段鋼殼安裝完成，混凝土未澆筑，在高程66.682 m處設置第5層橫撐；

工況六：T15節段鋼殼已安裝（待合龍狀態）。

3.2 施工過程模擬分析及橫撐主動力確定

為確定主動橫撐預頂力，根據結構受力特點，利用橋梁計算軟件 Midas，對上塔柱各施工工況進行有限元模擬計算。取單側上塔柱從底部到各工況施工截面建立有限元模型，模型斜率、截面尺寸均與設計圖紙相同，C50混凝土自重取26 kN/m3，施工用液壓爬架自重取50 t，計算時忽略鋼殼自重及受力。上塔柱采用梁單元模擬，上塔柱底部固定。

進行未施加主動橫撐模擬時，在橫撐位置設置約束，模型如圖2所示。通過有限元計算在未施加主動橫撐時，各工況下上塔柱底部截面（0-0截面）及橫撐位置處塔柱截面內外側應力和塔柱頂端側向位移如表1所示。

圖2 未施加主動力撐時各工況計算模型Fig.2 The calculation modelunder various conditions when the initiative horizontalbracing notbeen used

根據上塔柱未施加主動橫撐各施工階段模擬計算結果，選取水平橫撐的預頂力方案如下：

1）高程24.682 m，第1層橫撐，預頂力3 000 kN，每根鋼管同步施加1 500 kN；

2）高程35.682 m，第2層橫撐，預頂力2 500 kN，每根鋼管同步施加1 250 kN；

3）高程46.182 m，第3層橫撐，預頂力2 500 kN，每根鋼管同步施加1 250 kN；

4）高程56.682 m，第4層橫撐，預頂力2 500 kN，每根鋼管同步施加1 250 kN；

5）高程66.682 m，第5層橫撐，預頂力2 000 kN，每根鋼管同步施加1 000 kN。

進行施加主動橫撐模擬時，在橫撐位置施加節點荷載，按選定的橫撐預頂力施加方案建立有限元模型如圖3所示。計算各工況下上塔柱底部截面（0-0截面）及橫撐位置處塔柱截面內外側應力和塔柱頂端位移如表1所示。

表1 各工況下未施加主動橫撐與施加主動橫撐各截面應力及塔柱頂側向位移Table 1 Stress of each section and displacement of the top of tower under various conditions when the initiative horizontal bracing been used and not

圖3 施加主動力撐時各工況計算模型Fig.3 The calculation modelunder various conditions when the initiative horizontalbracing been used

從表1可以看出各工況下施加主動橫撐前后塔柱各截面內側均受壓，在施加主動橫撐后，壓應力明顯減小。在施加主動橫撐前塔柱各截面外側均受拉，施加主動橫撐后塔柱各截面外側均變為受壓。各工況下塔柱頂部側向位移在施加主動橫撐后較未施加之前有明顯的減小。因此，在施工中施加主動橫撐，可以使塔柱外側混凝土由受拉變為受壓狀態，明顯改善塔柱在施工過程中的受力及變形狀況。在塔柱施工過程中施加主動橫撐可以提高塔柱合龍前的結構安全性。

4 主動橫撐施工過程質量控制

1）在主動橫撐施工前應進行強度、剛度及穩定性的驗算。

2）主動橫撐安裝：每道橫撐采用2根φ630 mm×10 mm鋼管，布置在塔柱內腔正對著塔壁外側。鋼管間用型鋼組成平面桁架與施工作業平臺的4根立柱連接。每根鋼管分成兩段分別與塔柱鋼殼鋼板滿焊連接。第1層橫撐如圖4所示。

3）預頂力施加：在橫撐安裝完成后立即施加預頂力，在鋼管合龍處使用2臺液壓千斤頂同步分級施加，在施加的過程中應觀察橫撐的撓度和塔柱的變形情況，當預頂力達到要求后，用連接鋼板將橫撐鋼管連接固定，然后千斤頂回油、卸落，如圖5所示。

圖4 第1層橫撐的平面示意圖Fig.4 Schematic diagram ofthe firstlayer initiative horizontalbracing

圖5 鋼管橫撐合龍處照片Fig.5 The picture where steelpipe transverse brace fold

5 施工監測

為驗證主動橫撐的作用，在橋塔施工過程中對上塔柱底部截面的應力狀況進行監測，并將監測結果與有限元分析結果進行對比。

5.1 監測方案

在上塔柱T1節鋼殼混凝土施工前，在底部截面埋入ZX-215CT智能混凝土應變傳感器，監測施工過程中上塔柱各節段混凝土澆筑完成及施加主動橫撐后混凝土應力值。傳感器埋入位置如圖6所示。

圖6 上塔柱底部截面應力測點布置圖Fig.6 The stress monitoring arrangement plan of the bottom section in upper tower

5.2 監測結果分析

施工過程中重點關注塔柱底部截面內外側的混凝土應力狀況。取內側截面測點（242530）、外側截面測點（242527）與有限元計算的上塔柱底部截面（0-0截面）內外側最大應力進行對比如圖7所示。

圖7 上塔柱底部截面內、外側應力監測與有限元計算結果Fig.7 The results of stress monitoring and finite element analysis on the bottom section inside and outside of upper tower

由圖7可以看出實測的應力變化規律與有限元計算結果基本一致。但計算數值與監測結果偏差較大。其主要是因為有限元計算中未考慮溫度、鋼外殼參與受力作用等因素的影響。從施加主動橫撐的各工況監測數據可以看出，在主動橫撐施加之后，上塔柱底部截面內側的壓應力都有一定的減小，底部截面外側壓應力有一定的增大，在整個施工過程中，上塔柱底部截面內外側都處于受壓狀態。主動橫撐方案達到了預期目的。

6 結語

1）主塔作為斜拉橋的主要承重構件，其施工質量直接關系到全橋的安全及使用壽命。從表1的計算結果及圖7的監測結果可知，在施加主動橫撐后，施工過程中塔柱的拉應力狀態被消除，頂端側向位移明顯減小。設置主動橫撐的方案能夠有效的克服塔柱在施工過程中因自重及施工荷載等因素導致的混凝土受拉及塔柱頂部過大側向位移。

2）斜拉橋索塔施工主動橫撐設計的主要內容為橫撐結構形式的選擇、布設位置的選取及預頂力大小的確定。主動橫撐的結構形式及布設位置應綜合考慮與上塔柱在施工過程中形成穩定的框架結構及兼做施工作業平臺等因素。考慮到橫撐在平面內的穩定性，每一道橫撐建議設置2根鋼管，鋼管間用型鋼焊接形成平面桁架體系。在確定橫撐預頂力時，混凝土的拉應力控制，雖然規范[5]建議一般控制在1 MPa內，但在條件允許的情況下應加大預頂力以消除混凝土的拉應力狀態。同時應注意預頂力也不宜過大，以免橫撐處混凝土產生開裂。若計算所需預頂力較大，可在塔柱與橫撐連接處加強配筋，避免塔柱混凝土的開裂。

3）從監測結果來看，主動橫撐方案達到了消除塔柱拉應力狀態的目的。但應力計算結果與監測數值偏差較大，主要是因為有限元計算中未考慮溫度、鋼外殼參與受力作用等因素的影響。對于復雜受力狀態下，有限元計算結果作為研究受力規律比較可靠，但其數值可能與實際值偏差較大。實際施工中應加強施工監測，如有必要應對施工方案進行修正。特別是在橋梁工程中，應重視施工監測[6]。

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Application of initiative horizontal bracing in the construction of steel shell concrete hollow bridge tower

GUAN Bao-hua,HUANG Hai-yong
（The Fifth Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Fuzhou,Fujian 350008,China）

In the process of the main tower of cable-stayed bridge construction,the tower limb is often in a state of a certain angle.Under the action of gravity,construction load and other loads,section at the bottom ofthe upper tower column willform a negative bending moment,may make concrete in tension or the excessive deformation an the top of the tower column.Take the link bridge project of steel shell concrete hollow bridge tower in Zhangzhou China Merchants Economic&Technological Development Zone Shuangyu Artificial Island as example,design the scheme of initiative horizontal bracing by bridge calculation software Midas,and compared with the construction monitoring data.The results show thatthe appropriate initiative horizontal bracing scheme can effectively eliminate the adverse stress state of the tower column and the overlarge lateral displacement at the top of the tower column.Actual construction should be strengthened in the construction monitoring,a modification should be made for the construction plan if necessary.

tower column;initiative horizontal bracing;tensile stress;craze

U443.38

A

2095-7874（2017）02-0074-06

10.7640/zggwjs201702015

2016-09-30

2016-11-08

官保華（1988— ），男，湖北荊門人，碩士，注冊一級建造師，工程師，主要從事工程技術管理與工藝技術研發工作。E-mail：450024183@qq.com