斜拉橋主動橫撐施工技術的應用

田達光

（保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

中山港特大橋呈南北走向，接S111省道，上跨科技大道并與之通過立交相接。橋位跨東河、小欖及兩者之間的半島，橋址西側現有一座舊中山港大橋。

主橋為（125+265+125）m三跨雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，全長515m，為單向行駛左幅橋。斜拉索布置在主梁兩側成空間雙索面。主塔塔形為寶瓶形，采用C50混凝土。承臺頂高程為+3.5m，塔頂高程為+94.646（+97.983）m。上塔柱采用箱型截面，縱向寬度為6m，壁厚1m；橫向寬度為3.5m，壁厚0.8m。主塔兩側各分布18對斜拉索，塔上索距為1.8m，采用混凝土錨墊塊的方式進行錨固。

2 中塔柱撐桿布置

為避免塔柱在施工過程中出現過大的應力及位移，采用Φ820mm×12mm鋼管設置2層橫向鋼管支撐，分別位于下橫梁梁頂上方13.5m和23.5m處，每層兩根。在合攏處，采用4道H588型鋼作為內撐，同時也作為合攏段施工的荷載承載基本構件[1]。

方案計劃設置2層臨時撐桿，劃分成3個施工階段進行。第一階段：無任何輔助受力的臨時設施幫助受力的條件下，依靠結構自身的強度承載自重，直至中塔柱完成第三個標準節段的施工。此時中塔柱塔頂距下橫梁頂端的垂直距離約為21.25m。第二階段：完成第一階段的施工后，在下橫梁頂端上方13.5m處設置臨時撐桿；然后再繼續完成總共高13.5m的3個標準節段施工。此時中塔柱已完成部分的塔頂距下橫梁頂端的垂直距離約為34.75m。第三階段：完成第二階段的施工后，在第一道臨時撐桿上方13m、下橫梁頂端上方26.5m處，設置第二道臨時撐桿；然后繼續中塔柱施工直至合攏段。此時中塔柱已完成部分總高約42.65m。

臨時橫撐隨塔柱施工依次安裝，待塔柱封頂后進行拆除，拆除順序依次從上往下通過塔吊進行拆除。中塔柱施工臨時橫撐布置如圖1所示。

3 塔柱結構受力驗算

圖1 中塔柱臨時橫撐布置圖

主塔為寶瓶形，中塔柱向橫橋向內側傾斜，在施工過程中會因自重而產生受拉區域。因此，為確保中塔柱在施工過程中不會出現過大的應力和變形導致質量和安全隱患，需要在上橫梁施工完成且混凝土達到足夠強度前，設置臨時撐桿幫助受力，減小混凝土結構的拉應力。為檢驗臨時撐桿的合適位置，采用Midas FEA對中塔柱結構進行受力驗算。鑒于混凝土的材料特性，計算結果主要關注最大剪應力、第一主應力和位移[2]。規范沒有對混凝土抗剪作明確要求，根據已有研究報告的實驗數據，混凝土抗拉強度與抗壓強度比為0.056～0.316，這里取τ=0.056×fc=0.056×50=2.8MPa。混凝土容重取2.6t/m3，并考慮1.2倍安全系數[3]。

3.1 第一階段結構驗算結果

第一階段的模型及其工況情況：21.25m高中塔柱，模型底部施加固定約束，只加入1.2倍的自重荷載，無其他外荷載和邊界條件。

計算結果顯示，結構的應力狀態在材料的強度范圍內：最大剪應力約為0.91MPa＜2.8MPa，出現在塔柱內側轉角處；最大拉應力約為0.72MPa＜1.89MPa，出現在塔柱垂直段轉傾斜段的外側，即最大剪應力極值處的對面；塔頂位移約為3.2mm。具體計算結果如圖2～圖4所示。

從圖2可以看出，第一階段的中塔柱出現明顯剪應力分布的部位主要在塔柱內側。其中，斜塔柱部分的剪應力值大致呈上小下大的線性變化，在直塔柱轉斜塔柱的轉角位置附近出現約0.91MPa的最大值；豎直部分的剪應力普遍在0.62MPa以上。塔柱外側的剪應力主要分布在下半段，最大值約0.39MPa，位于直塔柱轉斜塔柱的轉角位置的對面。從圖3可以看出，塔柱內側以受壓為主，量級主要為10-2MPa，極少出現拉應力。塔柱外側上方約1/3長的部分出現數量級為10-2MPa的壓應力，只在下方約2/3長出現明顯拉應力。在內側豎直面轉傾斜面的轉角位置的對面，出現0.72MPa的拉應力最大值。從圖4可以看出，在模型頂部，中塔柱位移約3.2mm。

圖2 第一階段中塔柱最大剪應力分布圖

圖3 第一階段中塔柱第一主應力分布圖

圖4 第一階段中塔柱位移圖

3.2 第二階段結構驗算結果

第二階段的模型及其工況情況：在第一階段模型的基礎上，于塔柱內側13.5m高的位置對稱設置兩個固定約束以模擬兩根臨時內撐，并增加13.5m高塔柱柱體，只加入1.2倍自重荷載，無其他外荷載和邊界條件。

計算結果顯示結構的應力狀態在材料強度范圍內：除應力集中部位外，最大剪應力約為2.37MPa＜2.8MPa，出現在臨時內撐所支撐的位置附近；最大拉應力約為1.05MPa＜1.89MPa，出現在臨時內撐所支撐的位置；最大位移約4.2mm。具體驗算結果如圖5～圖7所示。

圖5 第二階段中塔柱最大剪應力分布圖

圖6 第二階段中塔柱第一主應力分布圖

圖7 第二階段中塔柱位移圖

從圖5可以看出，第二階段中塔柱的最大剪應力主要分布在塔柱內側。因模型中將臨時內撐簡化為點約束導致應力集中，在支撐點處出現了最大達到2.37MPa的剪應力。實際施工過程中，臨時內撐所采用的Φ820mm鋼管通過直徑1.28m的鋼板預埋件支撐到塔柱上，接觸面積大于圖5所示的應力集中的范圍。除應力集中的部分之外，剪應力數值在1.92MPa以內。

從圖6可以看出，第二階段中塔柱的拉應力最大值出現在臨時內撐的支撐點處，約為1.05MPa。塔柱外側的最大拉應力值小于0.88MPa，位于臨時內撐支撐點的對面。

從圖7可以看出，第一階段對應的塔柱柱體頂端和第二階段對應的塔柱柱體頂端出現約超過4mm位移。其中，第二階段對應的塔柱柱體頂端位移為最大值，約4.19mm。

3.3 第三階段結構驗算結果

第三階段的模型及其工況情況：在第二階段模型的基礎上，于塔柱內側26.5m高的位置對稱設置兩個固定約束以模擬兩根臨時內撐，并增加約8m高的塔柱柱體，只加入1.2倍自重荷載，無其他外荷載和邊界條件。

計算結果顯示結構的應力狀態在材料的強度范圍內：最大剪應力極值約為2.45MPa＜2.8MPa；最大拉應力約為1.59MPa＜1.8MPa；最大位移約為4.5mm。最大剪應力極值和最大拉應力皆出現在第一道臨時內撐所支撐的位置。具體計算結果如圖8～圖10所示。

圖8 第三階段中塔柱最大剪應力分布圖

圖9 第三階段中塔柱第一主應力分布圖

圖10 第三階段中塔柱位移分布圖

從圖8可以看出，第三階段中塔柱最大剪應力主要出現在塔柱的內側面，在臨時內撐所支撐的位置出現極大值。其中，第一道內撐的支撐點處的最大值約為2.45MPa，第二道內撐的支撐點處最大值約為2.2MPa。實際施工過程中，臨時內撐所采用的Φ820mm鋼管通過直徑1.28m的鋼板預埋件支撐到塔柱上，接觸面積大于圖5所示的應力集中的范圍。除應力集中的部位以外，結構的最大剪應力極值約為1.98MPa。

從圖9可以看出，第三階段中塔柱拉應力主要出現在塔柱的外側面，數值在1.1MPa以內。最大值出現在內撐的支撐點處，約1.59MPa。實際施工過程中，臨時內撐所采用的Φ820mm鋼管通過直徑1.28m的鋼板預埋件支撐到塔柱上，接觸面積遠大于圖5所示的應力集中的范圍。除應力集中的部位以外，塔柱內側面的最大拉應力約為0.27MPa。

從圖10可以看出，第一階段對應的塔柱柱體頂端和第二階段對應的塔柱柱體頂端出現約超過4mm位移。 其中第三階段對應的塔柱柱體頂端位移為最大值，約4.5mm。

3.4 臨時支撐鋼管受力驗算

臨時支撐為受壓構件，需考慮壓桿穩定性。

根據有限元計算結果中邊界約束條件導致的約束反力可知，臨時支撐所受的最大軸向壓力約為16.1t。臨時支撐采用Φ820mm鋼管，計算長度取l=16m，截面積A=2.54×10-2m2，慣性矩I=2.087×10-3m4。根據鋼結構規范，可取μ=1，得長細比為55.8，查鋼結構規范附表可得穩定系數為φ≈0.829[4]。

鋼 管 壓 應 力 σ=16.1/（2.54×10-2）≈6.2MPa＜ φ[σ]=0.829×215≈178.2MPa故臨時鋼管支撐滿足結構要求。

4 結束語

中塔柱結構分三個施工階段進行驗算分析，模擬了上塔柱“澆筑→設置第一道臨時支撐→繼續澆筑→設置第二道臨時支撐→繼續澆筑直至合攏”的過程，并分三個階段考察結構的受力和變形情況。結果表明：在整個施工過程中，上塔柱結構的應力狀態在材料的強度范圍內[5]。臨時支撐鋼管受力驗算結果也符合受力和穩定性要求。驗算結果匯總表如表1所示。

表1 驗算結果匯總表