新田長江大橋橋塔施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究

吳凌峰

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 100191)

橋塔是大跨度橋梁的重要受力構(gòu)件。對于高度大，塔柱傾斜的橋塔來說，在施工過程中，裸塔處于傾斜懸臂狀態(tài)，隨著施工高度的增加，塔肢在自重、爬模及風(fēng)等荷載作用下產(chǎn)生變形，對塔柱根部的受力產(chǎn)生不利影響。為保證塔柱在各個(gè)施工階段截面應(yīng)力在規(guī)定的范圍內(nèi)，以及使橋塔在施工過程中的變形和橋塔的成橋線形能夠滿足設(shè)計(jì)要求，需要對橋塔進(jìn)行施工控制[1-2]。目前普遍采用的做法是：在傾斜的塔柱之間設(shè)置一定數(shù)量的主動(dòng)橫撐控制橋塔內(nèi)力，同時(shí)設(shè)置橫向預(yù)偏量確保橋塔線形[3-4]。

1 工程概述

新田長江大橋主橋?yàn)?247+1 020+280) m的雙塔單跨鋼箱梁懸索橋(圖1)。兩岸索塔均采用門式框架結(jié)構(gòu)，塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，高峰岸塔柱上游側(cè)高177.5 m,下游側(cè)高161.5 m，新田岸塔柱高均為177.5 m，兩岸錨碇均采用重力式錨碇。

圖1 新田長江大橋主橋立面布置(單位：cm)

2 橋塔施工方案及有限元建模

2.1 塔柱施工方案

塔柱采用液壓爬模施工，液壓爬模標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段高度6 m，通過對塔柱節(jié)段劃分優(yōu)化后，最終將上游側(cè)塔柱劃分為30節(jié)，下游側(cè)塔柱劃分為27節(jié)(圖2)。為確保施工階段的橋塔應(yīng)力和施工完成后橋塔的線形，采用設(shè)置主動(dòng)橫撐的方式對橋塔施工進(jìn)行控制。臨時(shí)橫撐布置方案對施工安全進(jìn)行和橋塔應(yīng)力合理分布起著關(guān)鍵作用[5]。

2.2 有限元建模

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立橋塔模型，根據(jù)橋塔實(shí)際施工過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，塔柱、橫梁及支撐體系均用梁單元模擬，采用切線初始位移法正裝計(jì)算，計(jì)算模型如圖3所示。橋塔施工階段的荷載包括自重、橫梁的預(yù)應(yīng)力荷載、施工臨時(shí)荷載以及橫撐的主動(dòng)頂撐力，同時(shí)考慮溫度荷載和風(fēng)荷載。根據(jù)橋塔的施工過程在有限元計(jì)算中共劃分為43個(gè)計(jì)算工況。

圖2 高峰岸橋塔立面布置和澆筑節(jié)段劃分

圖3 高峰岸橋塔有限元模型

3 主動(dòng)橫撐方案比選

3.1 主動(dòng)橫撐方案

在橋塔與橫撐形成的時(shí)變體系中，結(jié)構(gòu)體系本身和施工荷載都在不斷變化，不同的施工路徑也改變著體系的邊界和約束條件，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形不斷地重新分布[7-8]。針對新田長江大橋高峰岸橋塔，為控制施工過程中橋塔塔柱的變形和應(yīng)力，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，擬定三種主動(dòng)橫撐方案：各方案的橫撐布置高度相同，每道橫撐均采用2根φ800×10 mm的水平鋼管；與方案二相比，方案一采用不同的橫撐初始頂撐力，方案三采用了不同橫撐頂撐時(shí)機(jī)，具體參數(shù)見表1，以此來研究橫撐初始頂撐力和頂撐時(shí)機(jī)對橋塔施工變形和應(yīng)力的影響(圖4)。

圖4 高峰岸橋塔橫撐布置方案(單位:m)

3.2 塔柱位移

三種橫撐方案下，橋塔施工完成塔柱最大橫向位移值見表2。由表2可知：相同的橋塔施工方案，適當(dāng)增加初始橫撐頂撐力可以改善塔柱內(nèi)傾情況，但不宜過大，以免塔柱外傾位移過大；相同的初始橫撐頂撐力，橫撐的頂撐時(shí)機(jī)對塔柱橫向位移影響較大，在下橫梁施工前，頂撐第二道橫撐，能有效控制塔柱的內(nèi)傾位移。綜上，從控制塔柱的橫向位移的角度，方案二為較好的選擇。

表1 高峰岸橋塔三種橫撐方案

3.3 塔底應(yīng)力

三種橫撐方案下，橋塔施工過程中關(guān)鍵階段的塔底應(yīng)力情況如圖5所示。由圖5可知：三種方案在施工過程中塔底均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力均控制在22.4 MPa內(nèi)；方案一和方案三塔底內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差較大，均大于2 MPa，方案二塔底應(yīng)力分布較為均勻,應(yīng)力差控制在1 MPa左右。綜上所述，適當(dāng)增大橫撐初始頂撐力以及選擇合理的頂撐時(shí)機(jī)(在橫梁施工前頂撐橫梁附近的橫撐)，可以有效控制施工過程中塔底的應(yīng)力差。因此，從控制塔底應(yīng)力的角度看，方案二為較好的選擇。

(b)方案二塔底應(yīng)力

(c)方案三塔底應(yīng)力

(d)三種方案塔底內(nèi)外應(yīng)力差

3.4 橫撐內(nèi)力

三種方案在施工過程中出現(xiàn)的最大橫撐力見表3。三種方案在施工過程中均未出現(xiàn)拉力，橫撐始終處于受壓狀態(tài)，最大橫撐力出現(xiàn)在方案二中的第二道橫撐，此時(shí)橫撐的應(yīng)力為74.2 MPa，在規(guī)范容許值范圍內(nèi)。通過計(jì)算，三種方案橫撐的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都滿足要求。

表3 施工過程中最大橫撐力 kN

4 下橫梁施工方案研究

懸索橋橋塔下橫梁構(gòu)造復(fù)雜，容易開裂，又是受力的關(guān)鍵部位，施工質(zhì)量的好壞直接決定了橋塔的使用功能[6]。

4.1 下橫梁施工方案

上下橫梁均采用托架+型鋼主梁+盤扣支架的支架系統(tǒng)(圖6)現(xiàn)澆施工，塔梁異步施工，待爬模爬架爬升至下橫梁之上時(shí)開始下橫梁的施工。針對新田長江大橋，擬定了兩種下橫梁施工方案：

方案1：采用兩次澆注、一次張拉的施工工藝。先澆筑1/2下橫梁，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80 %，再開始澆筑上半部分，等后澆部分混凝土強(qiáng)度到達(dá)80 % 以上時(shí)張拉全部的預(yù)應(yīng)力束。

方案2：采用兩次澆注、兩次張拉的施工工藝。先澆筑1/2下橫梁，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80 % 以上時(shí)先張拉下橫梁底層10束預(yù)應(yīng)力束，張拉完畢再開始澆筑上半部分，等后澆部分混凝土強(qiáng)度到達(dá)80 %以上時(shí)張拉余下的預(yù)應(yīng)力束。

圖6 下橫梁支架立面

4.2 下橫梁應(yīng)力

限于篇幅，本文僅列出施工過程中受力最不利階段的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，該階段為澆筑下橫梁上半部分，此時(shí)，下橫梁上半部分的重量由下半部分和支架共同承受。該階段下橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8，由圖可知：方案一下橫梁出現(xiàn)了1.71 MPa拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超出了規(guī)范限值，混凝土將會(huì)發(fā)生開裂；方案二下橫梁全部處于受壓狀態(tài)，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值為6.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖7 方案一下橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位：MPa)

圖8 方案二下橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位：MPa)

5 結(jié)論

本文以新田長江大橋?yàn)檠芯勘尘埃槍Ω叻灏稑蛩岢鋈N臨時(shí)橫撐方案，兩種下橫梁施工方案，分別進(jìn)行了塔柱的位移、應(yīng)力分析以及下橫梁應(yīng)力分析，以選擇合理的臨時(shí)橫撐方案及下橫梁施工方案。通過分析對比，得出以下結(jié)論：

(1)三種臨時(shí)橫撐方案下，橋塔的位移和應(yīng)力都能滿足要求，從控制橋塔位移和內(nèi)力的角度，方案二將是一個(gè)更合理的選擇。

(2)適當(dāng)增大橫撐初始頂撐力以及選擇合理的頂撐時(shí)機(jī)(在橫梁施工前頂撐橫梁附近的橫撐)，可以有效控制施工過程中塔底的應(yīng)力差，使塔底受力更均勻。

(3)兩次澆筑，兩次張拉的施工方案，可以使得下橫梁下半部分受上半部分荷載時(shí)不出現(xiàn)拉應(yīng)力，保證混凝土不出現(xiàn)開裂，并有較大潛力來應(yīng)付溫度下降所產(chǎn)生的彎矩；同時(shí)可以減小下橫梁支架的受力，節(jié)約支架的成本，降低工程造價(jià)。