索塔施工臨時支撐與橫梁支架優化設計

康志田 （中國中鐵四局集團有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 前言

斜拉橋主要由索塔、主梁及斜拉索三個部分構成，索塔是其中最核心的構件，索塔施工的安全質量是斜拉橋建造過程中的關鍵。斜拉橋索塔常用的形式有A形、倒Y形、H形等，部分塔柱軸線與豎直方向成一定角度；在斜柱的施工過程中，受自重作用影響，斜柱根部將產生較大彎矩，使混凝土產生拉應力；隨著塔柱高度的增加，塔柱懸臂長度不斷增大，彎矩和拉應力也不斷增大，如不施加有效措施降低彎矩、拉應力，將會嚴重威脅到斜拉橋的結構安全和施工質量[1-2]。

目前針對此類問題的解決思路[3-5]是，在塔柱上設置臨時支撐（對拉桿或水平橫撐）以抵抗塔柱自重的水平分力，從而降低塔柱受力和彎矩值；臨時支撐與塔柱構成臨時整體框架，增強了整體的穩定性和安全性[6]。為保證上下橫梁施工安全質量，橫梁支架必須具備較大的剛、強度，其對塔柱施工安全穩定性也起到了增強作用，而臨時支撐的初步設計通常未考慮橫梁支架的加固作用，造成工序繁瑣、效率降低，成本提高。本文擬以徐鹽鐵路工程新洋港斜拉橋索塔施工為例，通過對索塔施工過程進行數值模擬，分析忽略上下橫梁支架的連接加固作用下的塔柱結構受力結果，在此基礎上提出斜拉橋索塔施工臨時支撐和橫梁支架優化設計方案。

1 工程概況

徐鹽鐵路工程跨新洋港斜拉橋索塔采用H形花瓶式混凝土塔，由塔座、下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱六部分組成，結構如圖1所示。塔高為128.5m，其中下塔柱高25.0m，中塔柱高56.0m，上塔柱高42.0m；下橫梁高4.5m，上橫梁高4.0m，均采用單箱單室截面。

圖1 橋塔結構示意圖

塔柱除起步段外，均采用爬升模板法逐段連續施工，每段混凝土塔柱澆筑高度控制在4-6m范圍之內，基礎面應鑿毛清洗，保證新老混凝土接縫質量。在實際施工期間，為避免塔柱因產生較大的拉應力而發生破壞，施工過程中在塔身設置對拉桿和橫撐，初步方案見表1。等塔柱施工完成后，拆除拉桿與橫撐。方案布置如圖2所示。

臨時支撐布置初步方案 表1

為對塔柱臨時支撐進行可行性驗算并優化設計，需對索塔施工過程進行數值模擬，提取表征塔柱施工質量安全的應力結果進行分析。本文采用大型商業有限元軟件ABAQUS對其進行三維有限元計算復核。

圖2 臨時支撐位置示意圖

2 施工模擬有限元計算分析

索塔斜柱受自重和施工荷載作用會造成彎矩、應力增大，可將單肢斜柱看做懸臂梁結構[7]，由梁理論可知，索塔斜柱最大彎矩、應力發生在懸臂梁根部，即下塔柱底部或中塔柱底部。下橫梁澆筑之前，下塔柱為懸臂梁結構，最大拉應力發生在下塔柱底部；下橫梁澆筑后、上橫梁澆筑前，中塔柱為懸臂梁結構，最大拉應力發生在下塔柱底部；而上塔柱為豎直形態，不產生水平分力，塔柱處于受壓狀態，彎矩及拉應力變化可忽略不計，故對上塔柱施工過程中塔柱結構安全穩定性不作分析。

2.1 施工模擬建模

ABAQUS是一套功能強大、發展成熟的有限元數值模擬軟件，擁有豐富的單元庫和各種類型的材料模型庫，可以真實模擬多種典型工程材料的性能，如混凝土、鋼結構和巖土材料等，在土木、水利和交通領域中得到廣泛應用。不考慮上下橫梁支架的連接加固，采用ABAQUS軟件對橋塔塔柱、上下橫梁和臨時支撐進行建模，生成高質量的實體單元與梁單元。其中，塔柱混凝土單元以六面體實體單元為主，局部五面體單元過渡，橫梁支架和拉桿橫撐使用兩節點梁單元進行模擬。為提高計算精度，所有單元尺寸控制在1m以內。建立模型如圖3所示。

2.2 材料參數取值與加載

根據工程資料，結合橋塔結構特征與分析重點，有限元模型采用彈性模型。計算參數見表2。

有限元模型計算材料參數 表1

計算考慮荷載包括施工每層澆筑的混凝土重力、爬模施工荷載，拉桿拉力與橫撐推力等。施工每階段澆筑施加混凝土重力。爬模荷載根據以往同類工程經驗，每根塔柱施加800kN。

圖3 主塔有限元模型示意圖

2.3 施工工況模擬

針對橋塔施工過程中塔柱應力情況、拉桿橫撐設計情況，工況模擬塔柱完整施工過程，根據初步方案按步驟添加混凝土塊與橫梁及施加對拉桿、主動橫撐力。施工過程模擬共分為23個分析步，具體說明見表3。

橋塔施工計算分析步 表2

2.4 結果分析

利用ABAQUS軟件仿真模擬計算索塔施工過程，為評價索塔結構受力安全穩定性，提取索塔施工過程中塔柱的最大拉應力進行分析，得到各施工步驟最大應力變化情況如圖4所示。

圖4 初步方案塔柱最大拉應力變化曲線

由圖8可以看出，塔柱最大拉應力隨著施工步的推進呈現出圍繞0應力的波動形態；施工步驟4、7、12、15、18、21后，塔柱的最大豎向拉應力有明顯降低，說明臨時支撐可以有效降低塔柱中下塔柱底部的彎矩，增強了塔柱結構的安全性、穩定性。施工步驟10添加下橫梁支架、澆筑下橫梁時，下塔柱底部豎向拉應力達到了最大值0.1MPa；當上橫梁施工完成后，中塔柱底部以拉應力為主，最大值大約0.18MPa；總體上，塔柱施工最大拉應力值均遠小于C50混凝土的許用應力為1.8MPa，塔柱安全、穩定性較高。

3 臨時支撐和橫梁支架優化設計

3.1 優化設計原理分析

一方面，臨時支撐設計的核心在于斜塔柱根部混凝土截面拉應力是否能控制在合理的數值范圍內，內容主要主要包括臨時支撐位置的選取、預應力的大小和橫撐結構的選定。臨時支撐與塔柱固結在一起構成臨時穩定框架，確保索塔在施工過程中結構的安全性和穩定性。

通過上述模擬分析可知，在不考慮上下橫梁支架對塔柱的連接加固作用情況下，初步方案應力安全系數為10，塔柱安全性、穩定性較高，但工序繁瑣，效率低、成本高，某種意義上推遲了塔柱施工工期。

另一方面，為了滿足上下橫梁施工要求，上下橫梁支架本身具有較強的剛強度，且其主要鋼構件以固定支座方式與塔柱進行了穩固的連接，與塔柱構成了臨時穩定框架，同樣增強了索塔施工過程中的安全性和穩定性，在施工模擬計算中不宜忽略。因此如果考慮上下橫梁支架對塔柱的連接加固作用，臨時支撐方案存在更優化的情況。

3.2 拉桿及橫撐的優化方案

主動橫撐使用的千斤頂標定頂推力為100t，取0.8許用系數，施工最大頂推力為80t，即800kN；對拉桿張拉使用的千斤頂額定張拉力為50t，張拉4根Ф32mm精軋螺紋鋼，可提供200t對拉力，取0.9許用系數，施工最大張拉力為180t，即1800kN。

以降低下塔柱、中塔柱底部混凝土豎向拉應力，取安全系數為3，豎向拉應力按不超過0.6MPa進行控制，作優化如下。

①增加上下橫梁支架與塔柱連接加固作用，以降低中下塔柱底部出現的彎矩和拉應力。計算過程中對橫梁支架與塔柱混凝土的結合采用嵌入單元技術命令強制將其與混凝土協調變形。

②取消對拉桿2；將對拉桿1位置上移一層增大力臂，即在3號混凝土塊澆筑完成時預埋拉桿孔，在4號混凝土塊澆筑完成后進行張拉；對拉桿1的拉力由最初的1200kN提高到1800kN。

③取消橫撐1、4，并將主動橫撐2下移至8#段頂部，橫撐2在9號段混凝土澆筑后橫撐施工，同時推力由500kN提高到800kN。

得到臨時支撐優化布置方案見表4。

臨時支撐優化布置方案 表3

圖5 優化后拉桿橫撐布置示意圖

3.3 優化施工模擬結果分析

優化方案在對索塔施工全過程數值模擬時，考慮上下橫梁支架與塔柱連接加固作用，使上下橫梁支架與塔柱協調受力變形。得到結果分析如下。

3.3.1 橫梁支架結構安全穩定性分析

上、下橫梁支架的安全穩定性的驗算，即要求每根鋼結構強度滿足要求（包括壓桿穩定），進一步地支架各部分應力不超過許用應力值。

下橫梁支架主要由底部直徑720mm的支撐鋼管、雙拼工字鋼斜撐、H型鋼、工字鋼、槽鋼與頂部鋼板組成。下橫梁支架施工過程中最大位移云圖、組合應力云圖如圖5、圖6所示，結果顯示：下支架豎向位移最大值出現于頂部槽鋼中間位置，約為4.1mm，在變形允許范圍內。整體最大應力為44.6MPa，出現在主梁端部；其余鋼構件，包括鋼管、型鋼、槽鋼、鋼板等，應力均在0～40MPa之間。支架應力均低于允許應力，穩定性滿足要求。

圖6 下橫梁支架位移云圖

圖7 下橫梁支架組合應力云圖

上橫梁支架主要由底部斜撐鋼管、H型鋼、工字鋼、槽鋼與頂部鋼板組成。下橫梁支架施工過程中最大位移云圖、組合應力云圖如圖7、圖8所示，結果顯示：上支架豎向位移最大值出現在大梁中部，約為5.4mm，在變形允許范圍之內；支架整體最大應力42.7MPa，出現在中部斜撐鋼管端部；主梁（H型鋼）應力最大24.4MPa；其余構件應力均在0～40MPa。支架應力均低于許用應力，穩定性滿足要求。

圖8 上橫梁支架位移云圖

圖9 上橫梁支架組合應力云圖

3.3.2 塔柱結構安全穩定性分析

根據上述優化方案采用軟件模擬計算索塔施工過程，得到塔柱最大拉應力變化曲線如圖9所示。可以看出：施工步驟6（添加下橫梁參與計算）、20（添加上橫梁參與計算）后，塔柱的最大豎向拉應力明顯降低，說明上下橫梁支架同樣可以增強了塔柱結構的安全性、穩定性。

對比優化前后的塔柱應力值，塔柱的最大拉應力均發生在上橫梁澆筑時，優化方案最大拉應力值為0.27MPa，雖然大于初步方案的拉應力值，但在允許應力0.6MPa之內，滿足安全穩定性要求。

圖10 優化前后最大拉應力變化曲線

4 結語

①考慮上下橫梁支架與塔柱連接加固作用，使上下橫梁支架與塔柱協調受力變形，根據優化方案對塔柱施工過程進行數值模擬，結果顯示，中下塔柱底部最大拉應力值及支架組合應力、變形值均在允許范圍內，說明優化方案滿足安全穩定性要求。

②塔柱施工中添加上、下橫梁支架并參與計算后，塔柱的最大豎向拉應力有增幅明顯降低，說明設置上下橫梁支架增強了塔柱結構的安全性、穩定性。

③對比優化方案和原始方案的數值模擬結果，塔柱的最大拉應力均發生在上橫梁澆筑時，優化方案最大拉應力值大于初步方案的拉應力值，但在允許應力之內，滿足安全穩定性要求。優化方案有簡化施工工序、提高施工效率、縮短施工工期的優點，可為類似工程施工提供借鑒。