一種非對稱變截面斜塔斜拉橋主塔斜撐設計與施工

何豐瀚，李 明，彭章良

（1.南華大學 土木工程學院，湖南 衡陽421001；2.中交四公局總承包分公司，北京100020）

有背索斜塔斜拉橋[1-3]，其結構受力形式更接近直塔斜拉橋，與直塔斜拉橋不同的是利用兩側索力的差異來平衡斜塔的自重，形成一個平衡體系，由于背索索力的作用，一般情況下有背索斜塔比無背索斜塔水平傾角更大。無索區段主塔施工中，受到斜塔塔身自重影響將在塔底產生傾覆力矩和較大的拉應力，并隨著塔身的升高，塔柱順橋向的傾覆力矩將進一步增加，為避免出現過大的裂縫，無索區段塔柱施工過程中必須分節段設置背向斜撐，采用千斤頂施加頂壓平衡傾覆力矩[4-5]。本文重點探討的是主塔施工節段中 11、13、17節段內背向斜撐的設計與施工技術。

本項目斜塔斜拉橋采用“琵琶”形斜向主塔，主塔塔身由上塔柱、下塔柱、橫梁等組成，效果圖見圖1。主塔總高126m，塔身為箱形截面，順橋向偏離鉛垂面10°，傾向岸側，共分29個施工節段，主塔施工節段劃分圖如圖2所示。

圖1 斜塔斜拉橋效果圖

圖2 主塔施工節段劃分圖

1 斜撐結構設計

1.1 支撐結構概況

背向支撐一共有三道，每道支撐都分為左右兩個對稱部分。每道支撐都由斜、豎向鋼管，鋼管間連接、分配梁以及支撐與橋塔連接的三角架組成。第一道斜撐順橋向有三排，每排共有4根，左右八字形沿橋梁對稱布置。第一道斜撐全部落在地面上，落于地面上的橫橋向內側斜撐距承臺中心19.39m，外側斜撐距內側斜撐3m。第二、三道支撐落在主梁上，除未沿橫橋向傾斜外，其余布置形式均與第一道支撐相似。三道背向支撐具體布置形式如圖3所示。

圖3 斜撐總體布置圖

為利于斜撐反力傳遞到主梁現澆支架上，在鋼管支撐柱腳點對應橋面位置的主梁箱室內設置內支撐。內支撐鋼管數量、直徑同外斜撐一一對應，內支撐中部設一道平聯，下端與梁體內箱內底板預埋件焊牢固定，上端設置鋼質卸落調節塊。內支撐在梁體砼頂板澆筑后處于受力狀態，整個斜支撐施工和使用過程，梁體現澆支架始終存在。搭設第二、三道斜撐（位于橋面上）時，要等到橋面混凝土強度達到100%方可進行。

1.2 支撐建模計算

1.2.1 模型建立

大量臨時支撐結構文獻[6]研究表明，建立臨時支撐結構模型時，無需考慮全部荷載類型，故本節在針對臨時支撐架模型添加荷載時不考慮振搗荷載、沖擊荷載等。

將主動力、爬模荷載、自重、預應力、風荷載等各種荷載羅列并根據實際工況組合后運用Midas/Civil有限元分析軟件，對支撐結構包括斜豎向鋼管、鋼管間連接和分配梁進行仿真建模[7]。結構自重均按照1.0倍進行加載，施工荷載則按線荷載或節點荷載進行加載，支撐整體模型圖與應力圖如圖4、圖5所示。

圖4 斜撐整體模型圖

圖5 斜撐整體應力圖

根據Midas/Civil計算得出：

第一、二、三道背向支撐斜、豎向鋼管的最大軸力，背向支撐鋼管的最大軸力以及最大組合應力均滿足要求。

1.2.2 各節段支撐最大組合應力

隨著施工過程的進行，支撐的內力也隨之變化。第一道支撐各構件均在 13施工節段完成之后，第二道支撐未搭設之前這一階段產生最大組合應力。第二道支撐各構件最大組合應力出現在 17節段施工完成之后，第三道支撐未搭設之前這一階段。第三道支撐的各個構件最大組合應力出現在二張拉索3這一節段。通過計算三道支撐的最大組合應力均小于《公路鋼結構橋涵設計規范》（JTG D64-2015）[8]所規定的鋼材設計強度275MPa，滿足要求。

1.2.3 斜、豎向鋼管穩定性計算

φ800×10mm鋼管在支撐搭設及整個橋塔施工階段主要的內力包絡圖可以由Midas/Civil導出。

鋼管最大計算長度L=5m，回轉半徑ix=279mm，長細比λ=17.9，穩定系數φ=0.978。

則穩定性驗算：

按照《鋼結構設計規范》[9]其穩定計算應力需滿足以下公式：

（滿足要求）。

（滿足要求）。

γx=1.15，截面影響系數η=0.7，等效彎矩系數βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.4 鋼管間連接穩定性計算

φ273×6.5mm鋼管間連接在支撐搭設及整個橋塔施工階段主要的內力包絡圖可以由Midas/Civil導出。

鋼管最大計算長度L=4.7m，回轉半徑ix=94mm，長細比λ=50，穩定系數φ=0.881。

則穩定性驗算：

按照《鋼結構設計規范》[9]其穩定計算應力需滿足以下公式：

（滿足要求）。

（滿足要求）。

γx=1.15，截面影響系數η=0.7，等效彎矩系數βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.5 整體穩定

臨時支撐結構是施工階段的主要構筑物之一，由于臨時支撐結構失穩倒塌而引發的工程事故屢見不鮮。在所發生的事故當中，由于臨時支撐結構的整體穩定性不符合要求而造成的問題最為突出[10-12]，因此整體穩定分析必不可少。第二、四、六階失穩模態如圖6、圖7、圖8所示，對應的臨界荷載系數如表1所示。

圖6 第二階失穩模態

圖7 第四階失穩模態

圖8 第六階失穩模態

表1 各階失穩對應的臨界荷載系數

2 斜撐現場施工安裝

2.1 測量放樣

采用坐標法放樣，首先根據設計圖提供的坐標進行復核，確認準確性。然后利用全站儀精確放出地面（或橋面）柱腳中心位置，對應埋設預埋件。立柱安裝前，在柱腳預埋件上放出鋼管支撐的輪廓線，離邊輪廓線30cm放一條輔助線，便于鋼管施工過程垂直度檢查。

2.2 鋼管接長及安裝

在后場完成鋼管立柱、平聯、縱聯的加工制作。為便于安裝，采用塔吊將分節好的管節逐根吊裝組拼，并設置三面纜風繩臨時穩定。第一節立柱安裝前對立柱底口進行修邊，并在埋件上用石筆提前畫出立柱安裝外輪廓線，立柱焊接前將立柱吊裝至埋件處進行試拼，當立柱尺寸存在偏差時現場進行割除，安裝過程中嚴格控制立柱底部焊縫寬度，確保焊接質量。立柱底部焊接完成后，使用t=12mm鋼板進行加勁，確保立柱底口與預埋件完全連接。立柱對接焊接采用坡口焊，上端立柱開設45°坡口，焊接過程中利用內側襯管作為內襯，確保焊接過程中熔透。接長一段用3kg垂球進行初測垂直度，滿足要求后，用全站儀精確復核，合格后再進行焊死。同樣方法，進行后續鋼管接長施工。

立柱鋼管對接焊縫施工示意圖如圖9所示。

圖9 立柱鋼管對接焊縫施工圖

根據斜撐柱腳點的位置，放出內支撐腳點，再用塔吊將后場制作好的內支撐一一吊運組裝，為便于拆除，內支撐頂端設置可調鋼質卸落塊，每根鋼管頂端放置一個。將荷載試驗合格的卸落塊分別放置在每根鋼管頂端，測量調整好高度位置，最后在卸落塊頂部對應設置預埋件，澆筑箱梁頂板砼，內鋼支撐處于受力狀態。

2.3 塔端及梁端預埋件制作安裝

塔端和梁端預埋件在后場制作，錨筋或型鋼錨件應嚴格按照設計圖加工和焊接。安裝時，用全站儀在塔端對應位置放出中心點，預埋件端面與模板面間隔5mm，并在模板上用油漆標注清晰位置，拆模時便于查找，預埋件A上方設置三層鋼筋網片，用于抗剪。梁端基礎預埋件采用25mmHRB400螺紋鋼筋，提前將其加工完畢預埋于主梁上，鋼板厚度δ=30mm，根據預埋鋼筋位置穿孔，并用固定螺紋套筒將鋼板固定緊貼于主梁砼表面。

2.4 反力架及樁頂支架制作安裝

塔柱反力架結構形式為三角撐，在后場分片加工，反力架橫撐、斜撐應滿焊。檢驗合格后，用塔吊分片提升到設計位置安裝，滿焊于墩身預埋件上。樁頂支架包括：樁頂橫梁、樁頂縱梁、分配梁。由于塔吊提升能力受限，在后場先進行型鋼加勁板的焊接施工，待所有加勁板焊接質量檢驗合格后，方可提升到位，進行型鋼之間的組合焊接，型鋼之間端頭隔板滿焊，翼緣板之間間隔點焊。

3 結論

本項目斜塔斜拉橋主塔高度達126m，在同類型橋梁中處于較高的水平。主塔的施工難度在整個橋梁中是最大的，同時也是工程量最多、危險系數最大的施工步驟。而本文重點探討的主塔背向支撐是主塔施工中必不可少的臨時支撐體系，也是整個主塔施工的技術核心所在。主塔斜撐的設計必須考慮諸多的影響因素，不僅要使支撐結構符合力學基本原理，同時也要把現場的施工環境考慮在內，以免出現實際與設計不符的情況，造成不必要的麻煩。