人字形橋塔-橫撐體系受力分析及優(yōu)化布置方案比選

許世猛

(中能建路橋工程有限公司,天津 300041)

0 引言

隨著斜拉橋、懸索橋的出現(xiàn),人們對(duì)橋塔施工的探索也逐漸展開。現(xiàn)有研究成果及設(shè)計(jì)資料多側(cè)重于橋梁橫梁支撐體系的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算,針對(duì)支撐體系技術(shù)方案及設(shè)計(jì)要點(diǎn)的橫向?qū)Ρ确治鲅芯可胁欢嘁姟１狙芯拷Y(jié)合具體橋例,對(duì)3種方案相同支撐體系的受力特點(diǎn)及技術(shù)特征進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)要點(diǎn),為橋塔橫梁施工支撐體系的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

某橋主塔采用C55鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),索塔采用異型索塔,橫橋向呈人字形,從上至下分別為塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱、塔座(采用C40砼)等部分。橋塔承臺(tái)以上高度為102.749 m,其中塔冠高5.3 m,上塔柱高45.549 m,中塔柱高28.442 m,下塔柱高21.458 m,塔座高2 m。

主塔為曲面線型,為變化橫截面,線型控制難度大,施工精度要求高。橋塔澆筑過程中橫撐布設(shè)難點(diǎn)主要包括對(duì)主塔線形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的控制,根據(jù)施工進(jìn)度安排,主塔施工歷經(jīng)夏季高溫多雨天氣、冬季嚴(yán)寒天氣等極端天氣,受力影響因素多。

2 橋塔-橫撐體系的力學(xué)模型

2.1 橋塔-橫撐體系的組成

橋塔-橫撐體系總體可分為支點(diǎn)穩(wěn)定構(gòu)件、承重分配構(gòu)件、可調(diào)節(jié)局部加固構(gòu)件等。對(duì)于同步頂升澆筑工況,兩主塔可滿足互為支點(diǎn)條件,即位移與所需反力相近,故在此條件下兩主塔與豎撐一起成為橫撐的支點(diǎn)穩(wěn)定構(gòu)件。由于體系簡(jiǎn)單,所需受力相差不大,橫撐作為承重分配構(gòu)件只需水平安裝即可使體系滿足穩(wěn)定條件。局部加固構(gòu)件包括橫撐主塔相接處的鋼筋網(wǎng)、鋼板、牛腿、三角楔塊等,相近兩橫撐間腹桿、豎撐與橫撐相接處加勁肋,豎撐與地面相接處預(yù)埋鋼筋混凝土構(gòu)件及相應(yīng)卡扣。

2.2 有限元模型參數(shù)

利用軟件Midas civil 2021建立模型,采用梁?jiǎn)卧?模型包含1557個(gè)節(jié)點(diǎn)、193個(gè)單元。主塔部分采用C55混凝土,橫撐選擇規(guī)格為1020 mm×10 mm。考慮兩主塔相會(huì)后豎向受力引起切向變形較少,故主要計(jì)算相會(huì)前階段。

主塔塔底處用固結(jié)模擬塔基作用,橫撐與主塔牛腿焊接處以橫撐與主塔節(jié)點(diǎn)固結(jié)模擬實(shí)際受力,橫撐與豎撐相交位置以支座代為受力。自重考慮鋼筋取系數(shù)1.04,模板重考慮施工圖紙與冬季施工保暖設(shè)備取兩側(cè)主塔相會(huì)前70 t單側(cè)加載。考慮鋼筋對(duì)剛度影響,根據(jù)圖紙按面積矩放大系數(shù)1.09,抗彎慣性矩放大系數(shù)1.12進(jìn)行估算。橫撐預(yù)推力分別以節(jié)點(diǎn)荷載、溫度荷載、預(yù)加力手段等進(jìn)行模擬對(duì)比,收縮徐變按照J(rèn)TG 3362-18《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)置,風(fēng)載根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T 3360-01-2018中要求計(jì)算。

3 橋塔-橫撐體系的受力分析

3.1 橋塔-橫撐體系的方案設(shè)計(jì)

橫撐的目的是降低兩下塔柱相會(huì)前內(nèi)收,防止傾斜塔柱開裂。該體系方案設(shè)計(jì)原則是橫撐加入體系前,該體系已經(jīng)接近但未達(dá)到應(yīng)力、穩(wěn)定極限狀態(tài)。橫撐加入體系后,使體系接近但不達(dá)到背離體系發(fā)展方向的極限狀態(tài),使橫撐作用達(dá)到最大效果。根據(jù)受力結(jié)果并按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》考慮壓桿穩(wěn)定確定橫撐初始力。3個(gè)支撐方案如圖1所示,橫撐設(shè)計(jì)內(nèi)力與位置詳見表1,其中位置是距承臺(tái)頂面的距離。

表1 各方案橫撐軸力設(shè)計(jì)

3.2 典型計(jì)算結(jié)果

以方案一為例,依據(jù)上述有限元模型,確定典型計(jì)算工況為：工況一橫撐1安裝前、工況二橫撐2安裝前、工況三橫撐3安裝前、工況四第14節(jié)段澆筑完成后。相應(yīng)的應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果如圖2～圖9所示。

圖3 工況二應(yīng)力結(jié)果

圖4 工況三應(yīng)力結(jié)果

圖5 工況四應(yīng)力結(jié)果

圖6 工況一位移結(jié)果

圖7 工況二位移結(jié)果

圖8 工況三位移結(jié)果

圖9 工況四位移結(jié)果

3.3 對(duì)比分析

對(duì)線形與應(yīng)力的控制是重要的內(nèi)容,故對(duì)主塔在理論結(jié)果中提取正在澆筑節(jié)段、已澆筑完成節(jié)段及主塔澆筑完成后該節(jié)段最大位移、已澆筑節(jié)段最大應(yīng)力及其位置隨施工進(jìn)程的變化曲線。3個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果分別如圖10～圖15所示。

圖10 方案一位移結(jié)果

圖11 方案二位移結(jié)果

圖12 方案三位移結(jié)果

圖13 方案一應(yīng)力結(jié)果

圖14 方案二應(yīng)力結(jié)果

圖15 方案三應(yīng)力結(jié)果

施工過程中最大應(yīng)力要求小于容許應(yīng)力,防止混凝土開裂。最大應(yīng)力所在位置是為了方便應(yīng)力監(jiān)測(cè),控制施工危險(xiǎn)位置的數(shù)量。但隨著橫撐數(shù)量高度的增加,施工安全隱患也隨之增加,故有了橫撐組數(shù)與高度指標(biāo)。由于橫撐架設(shè)高度2 m以上的為高空作業(yè),擬采用橫撐高度表示施工風(fēng)險(xiǎn)。位移指標(biāo)主要基于線形控制要求,正在澆筑節(jié)段、已澆筑完成節(jié)段及主塔澆筑完成后該節(jié)段最大位移3條曲線越相近方案越優(yōu)。匯總3個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果,指標(biāo)對(duì)比情況詳見表2。

表2 各方案指標(biāo)對(duì)比情況

方案一中的第一根橫撐位置較低,增加豎桿穩(wěn)定性[1]。線形影響隨施工進(jìn)程波動(dòng)上升,可控性增加。計(jì)算應(yīng)力最大位置較少,便于布置監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)是第一根橫撐后期補(bǔ)力對(duì)其強(qiáng)度穩(wěn)定性提出了更高要求,對(duì)于3個(gè)推力位點(diǎn),拉應(yīng)力抑制手段有效但有限。最大拉應(yīng)力隨后期線形變化波動(dòng)較大,對(duì)監(jiān)測(cè)可靠性與應(yīng)力調(diào)整手段有更高要求。

方案二中有4根橫撐,應(yīng)力可調(diào)性增強(qiáng),降低了施工過程的最大拉應(yīng)力。線形影響隨施工進(jìn)程波動(dòng)上升,可控性增加。下側(cè)橫撐位置較低,顯著增加了豎桿穩(wěn)定性,但4根橫撐所需成本更大。線形波動(dòng)上升,對(duì)測(cè)量與控制精度有要求。計(jì)算應(yīng)力最大位置增多,對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋有更高要求。

方案三的線形變化最為平緩,計(jì)算應(yīng)力最大位置較少,便于布置監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)是第一根橫撐位置較高,對(duì)豎桿穩(wěn)定性與施工安全有更高要求。線形變化劇烈節(jié)段少但處于施工后期,對(duì)調(diào)控精度有更高要求。

對(duì)比3個(gè)方案發(fā)現(xiàn),方案一施工更安全,監(jiān)測(cè)更直觀,線形與應(yīng)力調(diào)控更簡(jiǎn)單,更具可行性。

4 工程實(shí)例驗(yàn)證及結(jié)論

為了驗(yàn)證上述分析結(jié)果,對(duì)該工程進(jìn)行應(yīng)力實(shí)測(cè)。橋塔施工采用頂升托架同步施工,對(duì)橫撐受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。受限于現(xiàn)場(chǎng)條件,應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置距承臺(tái)9.51 m,傳感器布置在該位置處的鋼筋位點(diǎn),如圖16所示。按照施工工序,實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果如圖17、圖18所示。

圖16 應(yīng)力與位移監(jiān)測(cè)位點(diǎn)

圖17 9.51 m外側(cè)應(yīng)力實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比

圖18 9.51 m內(nèi)側(cè)應(yīng)力實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比

由圖17、圖18可知,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值隨工序的趨勢(shì)完全一致,數(shù)值較為接近。說明計(jì)算模型是合理可信的。數(shù)值偏差的主要原因有兩個(gè)：一是實(shí)測(cè)值的采集時(shí)間,即在節(jié)段澆筑時(shí),實(shí)測(cè)初始測(cè)值起伏變化較大,節(jié)段澆筑完成后應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)平穩(wěn)。二是當(dāng)上側(cè)有橫撐受力時(shí),橫撐與橫撐下側(cè)塔柱要重新進(jìn)行力的分配。

通過上述分析得到如下結(jié)論：曲線橋塔在澆筑過程中必須考慮重力、溫度對(duì)其線形的影響,通過設(shè)置預(yù)拱度和橫撐等方式,確保成橋線形符合設(shè)計(jì)要求。橋塔橫梁施工支撐方案要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),利用位移和應(yīng)力的綜合影響確定合理的支撐方案。該橋塔-橫撐體系穩(wěn)定性與施工可行性滿足實(shí)際需求,可為該橋塔的順利修建提供技術(shù)支撐。