沙埕灣跨海特大橋塔柱施工臨時支撐優化分析

李 文

(寧德市交通投資集團有限公司，寧德 352100)

1 引言

斜拉橋具有承載能力高、跨越能力強的特點，在大跨徑橋梁建造過程中，斜拉橋具有良好的競爭力。隨著橋梁技術的進步， 對斜拉橋結構體系及受力性能設計的相關研究已經日趨成熟， 同樣對于斜拉橋的施工工藝和施工技術也積累了較為豐富的實踐經驗[1-2]。

橋塔是斜拉橋的重要組成構件， 也是斜拉橋承載的關鍵結構。 目前，大跨徑橋塔多采用A 型、倒Y 型、鉆石型、花瓶型等雙肢結構形式，在下塔柱及中塔柱區段在橫橋向處于分肢狀態，通過下橫梁連接；在上塔柱合并于一體或通過中橫梁及上橫梁連接。 分肢塔柱施工過程中斜度較大，受自重和施工臨時荷載影響，塔柱根部和下橫梁最外側處產生拉應力，形成不利工況[3]。 在塔柱合攏封頂時的內力狀態與橋塔施工過程中臨時水平支撐的設置與調整密切相關。 且塔柱在施工過程中形成的內力狀態在其封頂后是不可調整的， 故如何獲得塔柱封頂時的最合理狀態，對橋塔施工意義重大[4-5]。

目前關于橋塔施工的相關研究主要集中在塔柱施工的總體工藝，塔柱模板系統及施工質量控制等方面[6-7]。對于分肢塔柱在施工過程中如何設置水平臨時支撐的研究相對較少， 在施工方案制定中塔柱臨時支撐的設計也較為隨意， 導致了應力控制不佳或施工臨時措施費用過高的情況。針對這一技術問題，本文以沙埕灣跨海大橋為依托， 對塔柱施工過程中水平臨時支撐的優化問題進行研究，以提出合理的支撐方案，并建立塔柱水平支撐的優化方法。

2 工程概述

沙埕灣跨海大橋主橋跨越竹甲鼻至青嶼之間的水域， 兩個主塔基礎均座落于海灣岸上。 主橋跨徑布置為(49+58+61)+535+(198+60)=961 m，如圖1 所示。 大橋主跨跨徑為535 m，采用鋼箱梁結構；大樁號側邊跨跨越能力要求高，該側邊跨采用與主跨相同的鋼箱梁結構，跨徑為258 m，邊中跨比為0.482；小樁號側邊跨跨越能力要求小，故在邊跨側采用預應力混凝土箱梁結構，跨徑為168 m，邊中跨比為0.314。 通過兩側邊跨的不對稱布置，充分發揮了鋼梁跨越能力強的特點，節約了橋梁的總體造價。

圖1 沙埕灣跨海大橋總體布置圖(單位：cm)

主橋采用半漂浮體系， 索塔處設置豎向球形支座和橫向限位支座，北跨設置2 個輔助墩，南邊設置1 個輔助墩，輔助墩設置雙向活動支座，南、北過渡墩均設單向(縱向)活動支座，在索塔主梁連接處設置縱向限位擋塊和阻尼限位裝置。

索塔采用花瓶型索塔， 斷面為空心箱形， 包括樁基礎、承臺、塔座、塔柱、橫梁、塔冠、裝飾塊、鋼錨梁及鋼牛腿等，采用C50 海工混凝土。 北索塔塔座底面高程8.010 m，塔底面高程10.010 m，塔頂高程197.410 m，索塔總高度189.400 m， 南索塔塔座底面高程7.955 m， 塔底面高程9.955 m，塔頂高程200.155 m，索塔總高度192.200 m。 下橫梁梁高7.0 m，寬度9.5 m，壁厚1.0 m；中、上橫梁梁高4.8 m，寬度7.6 m，壁厚0.9 m。 索塔橫梁及上塔柱斜拉索錨固區為預應力混凝土結構，橫梁縱向鋼筋均錨固于塔柱內，預應力鋼束錨固于塔柱外側，采用塑料波紋管，真空輔助壓漿，深埋錨工藝，其他部分為普通鋼筋混凝土結構。

3 主塔施工工藝

3.1 主塔施工工藝

本項目兩側橋塔的總高度略有不同， 在設計時以下橫梁以上構造相同為原則， 通過下塔塔柱高度變化進行調整，以南塔為例，塔柱的主要尺寸構造如圖2(a)。 在施工期間中、上塔柱采用同樣的分節形式進行分段施工，下塔柱南塔(大樁號側)分為11 節，北塔下塔柱施工分為10節，標準分節長度為4.5 m，如圖2(b)。中塔柱施工分為20節，標準分節長度為4.5 m，上塔柱施工分節為13 節，標準分節長度為4.5 m。

圖2 南塔構造與施工分節示意圖(單位：cm)

以南塔為例， 第1 節段使用液壓爬模模板并搭設施工腳手架作為外操作平臺。在首節完成后，安裝液壓爬模承重平臺及上爬架，第2 節段可進行爬模施工。第2 節施工完成后安裝軌道，爬升架體，安裝平臺，進行下塔柱各節段的爬模施工。下橫梁分為兩層，分別對應第10、11 節同步澆筑。第9 節混凝土澆筑完成后拆除爬模架體，安裝下橫梁支架牛腿、主橫梁、貝雷梁，鋪設分配梁和底模后同步進行下橫梁第一層和塔柱第10 節施工。橫梁第二層和塔柱第11 節施工完成后， 利用第11 節段頂口的預埋件安裝施工平臺，立模澆筑第12 節段混凝土。第12 節施工完成后安裝爬模系統， 完成爬模坡度轉換后中塔柱混凝土逐節施工。中上塔柱的邊坡轉化不再拆除爬架系統，中、 上塔柱變坡點通過調整軌道角度適應變坡點角度變化的要求。

索塔下橫梁支架采用落地支架， 中上橫梁均采用空中支架。

3.2 優化前臨時支撐布置方案

原施工計劃中南塔下橫梁分兩層，分別與第10 節和11 節分兩側同時澆筑，在下塔柱施工過程中不設置水平拉桿。

南塔中塔柱施工過程中擬設置三道臨時水平支撐，第一道水平支撐對應高程為標高75.11 m， 位于第16 節段，在第17 節施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動施加頂推力4429 kN。第二道位于標高96.81 m ，位于第21節段，在第22 節施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動施加頂推力3680 kN。 第三道位于標高118.51 m，位于第26 節段，在第27 節施工完成爬架提升后安裝，安裝后主動施加頂推力3448 kN。

4 塔柱臨時支撐優化分析

4.1 臨時支撐優化原則

大跨徑斜拉橋的橋塔在橫橋向一般采用分肢結構，因斜度較大，在施工過程中受自重和施工臨時荷載影響，塔柱根部和下橫梁最外側產生拉應力，形成不利工況，需要通過臨時拉桿或撐桿的設置形成多點框架結構， 調整主塔在施工過程中及成橋狀態的內力狀態， 防止混凝土出現受拉破壞和裂縫。 如何進行塔柱施工過程臨時支撐的設置是橋塔施工過程中需要解決的主要問題之一。

臨時拉桿及支撐設置應滿足以下目的： 一是保證在施工過程中塔柱各斷面的出現的最大應力及位移可滿足要求。 對于混凝土塔柱在施工過程中塔柱自身的變形相對較小，一般以斷面應力控制，根據以往類似工程的相關經驗， 可按照塔柱各斷面出現的拉應力不超過1 MPa[8](C50 混凝土抗拉強度設計值為1.89 MPa) 作為水平支撐設置的原則之一。 二是塔柱施工完成后可達到理想的內力狀態。塔柱的受力是以承壓為主，塔柱的內力一般按照橋塔一次成型控制內力， 臨時支撐的塔柱控制斷面的內力應盡量與一次成型的內力狀態相近。

基于上述優化原則， 可先按照不設置臨時支撐進行各施工工序的力學性能分析， 確定在下橫梁施工前塔柱各斷面應力是否超限， 在塔柱應力超限對應的工況前安裝水平拉桿，水平拉桿的內力以塔根彎矩盡量小為原則，完成水平拉桿優化。

中塔柱撐桿安裝以無撐桿狀態進行各節段施工過程受力狀態的計算，在斷面拉應力超限前設置水平支撐，在中塔柱合攏前下橫梁位置塔柱的彎矩盡量小。

4.2 臨時拉桿優化

橋塔施工原方案不設置水平拉桿， 在實際施工過程中為了提高施工效率，縮短施工周期，采用塔柱與橫梁異步施工的方式進行下橫梁施工。結合異步施工的變化，對下塔柱過程中的水平拉桿設置進行了優化。 在塔柱施工過程中塔根部應力控制斷面為P1 點(圖2b)所在位置，在中塔柱施工過程中在下橫梁以上位置的應力控制點位置為下橫梁最外側，即P3 點(圖2b)。 在不考慮下橫梁及臨時水平支撐的作用時在各施工工況下3 個控制點的應力隨著施工步驟的變化的邊跨如圖3 所示。

圖3 臨時支撐優化流程示意

從圖3 中可知，在不設置水平拉桿時施工至9 號節段時塔柱根部內側點p1 處拉應力超過了1 MPa，因此在施工至9 號節段時應該在8 號塊位置設置水平拉桿。 根據拉桿構造可設置拉桿水平力5000 kN， 在拉桿張拉后施工至15 號節段時塔根部內側點p1 處拉應力又超過了1 MPa。 而中塔柱不設置水平支撐時， 當塔柱施工至19號節段時， 塔柱下橫梁外側點P3 的拉應力超過1 MPa。綜合塔根截面和上橫梁截面的內力變化情況可知， 本橋在下塔柱施工過程中應設置水平拉桿， 拉桿力可控制在5000 kN。 下橫梁與橋塔進行異步施工時，塔柱在施工15號節段前應該完成下橫梁施工。

4.3 臨時撐桿優化

在下橫梁施工后塔柱在下橫梁位置外側點P3 成為在塔柱施工過程中拉應力最大位置， 且為塔柱施工過程中的控制性斷面。 p3 點的拉應力隨著施工節段施工的變化情況如圖4 所示。

從圖4 可知， 在下橫梁施工完成后， 當節段施工至20 號節段時，塔柱外側點p3 處拉應力超過了1 MPa。 因此， 在施工至20 號節段時應該在19 號塊位置設置水平支撐。 可設置第一道支撐的水平力為4000 kN，在第一道支撐施加后， 施工至23 號節段時塔柱外側點p3 處拉應力又超過了1 MPa。 因此，在施工至23 號節段時應該在22 號節段位置設置第二道水平支撐，第二道水平支撐力可按照4500 kN 施加。 在第二道支撐施加后，施工至28號節段時塔柱外側點p3 處拉應力又超過了1 MPa。 故在施工至27 號節段時應該在26 號節段位置設置第三道水平支撐，第三道水平支撐力可按照5000 kN 施加。在第三道支撐施加后索塔施工至中橫梁之前p3 點處的拉應力均超過1 MPa，但在上塔柱施工時p3 點的拉應力增長很快，故應該將中橫梁與上塔柱進行同步澆筑，避免在上塔柱施工過程中導致p3 點應力超限。

圖4 臨時撐桿優化

5 結語

本文以沙埕灣跨為大橋為背景對超大跨徑斜拉橋橋塔施工過程中臨時支撐設置進行了優化分析， 得到以下結論：

(1)塔柱施工過程水平臨時支撐的設置應以控制斷面拉應力不超過控制標準為主要依據， 并盡量使其成型時的內力與一次落架施工塔柱的內力接近。

(2)通過無支撐狀態下控制點應力變化曲線可準確得到水平臨時支撐設置的位置及工況， 以支撐構造強度確定合理支撐力，依次得到各水平拉桿的位置與內力。

(3)沙埕灣大橋應在下塔柱設置一道水平拉桿，中塔柱設置三道臨時支撐可滿足塔柱施工過程的受力要求，下橫梁之后對于塔柱施工階段異步施工不應滯后超過4個節段，中橫梁與上塔柱應同步澆筑。