外包鋼殼混凝土異形索塔及其施工臨時(shí)支撐研究

陳逸君,黃文金*,王志福,劉君平

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,福建 福州 350108;2.福建第一公路工程集團(tuán)有限公司,福建 泉州 362100;3.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350108)

市政橋梁作為城市重要的標(biāo)志性建筑之一,在結(jié)構(gòu)選型時(shí)往往傾向于造型優(yōu)美的斜拉橋。斜拉橋索塔既是主要承重構(gòu)件,又是建筑美學(xué)的表現(xiàn)主體,故許多斜拉橋索塔基于景觀設(shè)計(jì)要求而采用傾斜的異形結(jié)構(gòu)。為了確保施工安全和質(zhì)量,并控制異形索塔的現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度及成本,宜采用少支架的臨時(shí)支撐方案。因此,外觀質(zhì)量好、施工便捷的外包鋼殼混凝土索塔應(yīng)運(yùn)而生[1]。然而,異形索塔在施工過(guò)程中的受力體系、荷載類(lèi)型及大小都將發(fā)生劇烈變化,須嚴(yán)格控制索塔及其支撐體系的應(yīng)力和變形狀態(tài)。

對(duì)于鋼筋混凝土異形索塔,學(xué)者們依托實(shí)際工程通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元分析對(duì)其臨時(shí)支撐體系的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和比選進(jìn)行研究[2-5]。而鋼殼混凝土索塔作為一種特殊的結(jié)構(gòu)形式,學(xué)者們的研究主要是針對(duì)該類(lèi)索塔的施工技術(shù)和受力情況。葉偉等[6]通過(guò)非線(xiàn)性有限元對(duì)外包鋼板混凝土索塔的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。彭強(qiáng)[7]和陳平等[8]通過(guò)足尺模型試驗(yàn)研究了外包鋼殼混凝土索塔的工藝流程和鋼殼制造關(guān)鍵技術(shù)。樊健生等[9]對(duì)鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋塔的受力機(jī)理、設(shè)計(jì)理論及工程應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了對(duì)比分析。但目前對(duì)于異形鋼殼混凝土索塔的有限元建模方法及臨時(shí)支撐方案的研究則相對(duì)較少。為確保此類(lèi)型索塔的施工安全和質(zhì)量,以于都大橋?yàn)楣こ瘫尘?設(shè)計(jì)了三種臨時(shí)支撐方案,并建立不同的有限元計(jì)算模型,分析支撐方案在施工過(guò)程中對(duì)外包鋼殼混凝土索塔應(yīng)力及變形的影響,以期對(duì)類(lèi)似索塔及其支撐方案的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒作用。

1 工程概況

于都大橋索塔橫橋向采用“魚(yú)躍”造型的異形拱,索塔包括下塔柱、下橫梁、上塔柱三部分,見(jiàn)圖1。支撐桿1—4為施工索塔時(shí)的臨時(shí)水平鋼管支撐。索塔下橫梁采用箱形截面。在塔底處,兩塔柱外緣橫向間距為40 m,向上逐步外傾,在塔柱弧段理論分界處(Ⅲ-Ⅲ截面)達(dá)到最大值42 m,隨后向上逐步呈拱形內(nèi)斂,塔柱軸線(xiàn)在Ⅲ-Ⅲ截面以下為圓弧,以上為橢圓。索塔截面順橋向采用等寬度4.5 m;橫橋向不等寬,在塔底為8.5 m,在Ⅲ-Ⅲ截面處為最小值4 m,在塔頂為7 m,其間勻順變化。索塔鋼殼從下往上分為T(mén)0—T19共20個(gè)施工節(jié)段,采用先塔后梁的順序施工,具體施工步驟見(jiàn)表1。表1中,CSi表示施工階段i(i=1,…,23),T0為塔底連接段,T2為下橫梁節(jié)點(diǎn)處塔柱節(jié)段,T19為塔頂合龍段,L0為下橫梁連接段。

圖1 索塔及其支撐布置方案(單位:cm)

表1 索塔施工階段編號(hào)及安裝部件

索塔為實(shí)心截面,其中塔身外包鋼殼由外包鋼板、環(huán)向加勁肋、內(nèi)角鋼拉桿以及節(jié)點(diǎn)板構(gòu)成,見(jiàn)圖2。鋼殼采用Q345 D級(jí)鋼材,鋼殼內(nèi)澆筑C50混凝土。

圖2 索塔節(jié)段鋼殼構(gòu)造圖

2 建模方法

對(duì)于索塔梁?jiǎn)卧Ｐ?采用Midas Civil軟件建模。因塔柱鋼材與混凝土尺寸在塔柱截面上相差很大,故鋼殼混凝土塔柱采用雙單元法模擬。在承臺(tái)處對(duì)索塔單元進(jìn)行固結(jié),并根據(jù)上述施工步驟將施工階段劃分為23個(gè)。

對(duì)于殼-實(shí)體單元模型,采用Midas FEA NX軟件建模,如圖3所示,圖中藍(lán)色表示混凝土,玫紅色表示鋼殼,灰色表示鋼殼拉桿及加勁肋。采用殼單元模擬索塔外包鋼殼,采用實(shí)體單元模擬混凝土、下橫梁及索塔支撐桿。不考慮腔內(nèi)混凝土和鋼殼的脫黏行為,以提高計(jì)算穩(wěn)定性和分析效率。塔柱鋼殼單元和腔內(nèi)混凝土單元在界面處共用節(jié)點(diǎn),并模擬有無(wú)鋼殼內(nèi)拉桿和加勁肋連接的兩種狀態(tài)。網(wǎng)格采用尺寸控制與自動(dòng)生成技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行劃分。

圖3 殼-實(shí)體單元模型

作用在索塔及其支撐體系的荷載有結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載和施工荷載。按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]計(jì)算的索塔基準(zhǔn)高度處橫橋向風(fēng)荷載為10.2 kN/m;施工荷載為2.5 kN/m2。

3 支撐方案比選

3.1 支撐方案設(shè)計(jì)

塔柱在合龍前處于懸臂柱受力狀態(tài),若不設(shè)置索塔臨時(shí)支撐,塔柱橫橋向側(cè)移將達(dá)塔高的1/367,并使得其根部和弧段理論分界處存在很大拉應(yīng)力,不滿(mǎn)足規(guī)范[11]對(duì)施工安全質(zhì)量方面的要求。故綜合考慮裸塔狀態(tài)下的應(yīng)力變形規(guī)律、節(jié)段劃分及施工空間等因素后,共設(shè)計(jì)了三種支撐方案,見(jiàn)表2。

表2 臨時(shí)支撐方案設(shè)置及計(jì)算結(jié)果

單管或雙管支撐方案的平面布置形式見(jiàn)圖4。對(duì)于雙管支撐方案,兩根鋼管的縱橋向軸線(xiàn)中心距為3 m。安裝鋼管支撐時(shí),采用牛腿墊塊和縱橋向安裝限位塊進(jìn)行定位,以確保施工安全及支撐桿焊接精度。平聯(lián)桿采用H型鋼。鋼管支撐桿合龍?zhí)幉捎脤?duì)接剖口焊并采用縱向加勁肋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖4 塔柱支撐桿平面布置示意圖

3.2 不同支撐方案的索塔應(yīng)力及變形

3.2.1 變形

施工時(shí)塔柱變形差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致下一節(jié)段鋼殼焊接困難、影響施工質(zhì)量,故在施工過(guò)程中,應(yīng)對(duì)塔柱坐標(biāo)及高程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

三種方案的變形模式類(lèi)似,見(jiàn)圖5,塔柱變形均控制在15 mm(H/6 000)以?xún)?nèi),均能滿(mǎn)足施工要求。在合龍前塔柱最大變形位于其懸臂端。塔柱變形隨著節(jié)段澆筑高度的增加而增大,從施工階段CS12開(kāi)始,由于塔柱的拱形軸線(xiàn)越來(lái)越彎曲,故塔柱因彎曲變形引起的橫向側(cè)移和豎向撓度隨之顯著增大。在合龍后,即從施工階段CS21開(kāi)始,塔柱已形成拱形結(jié)構(gòu),即便拆除支撐桿,塔柱的橫向彎曲剛度也大于合龍之前的,因此由風(fēng)壓等非對(duì)稱(chēng)荷載引起的塔柱橫橋向側(cè)移開(kāi)始減小。由此可見(jiàn),施工時(shí)應(yīng)密切監(jiān)測(cè)塔柱變形尤其是橫橋向側(cè)移,保證塔柱線(xiàn)形與設(shè)計(jì)線(xiàn)形一致,同時(shí)在合龍前還需嚴(yán)格控制合龍溫度和橫橋向非對(duì)稱(chēng)荷載,以確保索塔順利合龍。

圖5 塔柱頂端變形

此外,對(duì)于方案三,從施工階段CS12開(kāi)始,由于不設(shè)支撐桿2,懸臂彎曲塔柱的變形尤其是橫橋向側(cè)移將迅猛增大,既增大塔柱的鋼殼安裝誤差和線(xiàn)形控制難度,又降低焊縫質(zhì)量,甚至引發(fā)施工安全事故。因此,在施工中,應(yīng)注意橫橋向側(cè)移的監(jiān)控。特別值得一提的是,合龍后索塔的最大變形位置將由合龍前的懸臂端變化到Ⅳ-Ⅳ截面附近,因此應(yīng)密切監(jiān)測(cè)支撐桿3的軸力和接頭安裝質(zhì)量。

3.2.2 應(yīng)力

上述塔柱變形分析表明,在安裝塔柱鋼殼和澆筑腔內(nèi)混凝土?xí)r塔柱將發(fā)生較大的彎曲變形。裸塔狀態(tài)下(無(wú)支撐)塔柱在Ⅳ-Ⅳ截面將發(fā)生很大的橫橋向側(cè)移,塔柱根部和弧段理論分界處即Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ截面的混凝土將承受很大的豎向拉應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。設(shè)置支撐后,支撐將限制塔柱的橫橋向側(cè)移,使得混凝土拉應(yīng)力顯著減小,尤其是Ⅲ-Ⅲ截面,各支撐方案的混凝土拉應(yīng)力均控制在1 MPa以?xún)?nèi)。對(duì)于Ⅰ-Ⅰ截面,支撐對(duì)混凝土拉應(yīng)力的減小作用小于Ⅲ-Ⅲ截面,混凝土拉應(yīng)力在索塔的整個(gè)施工過(guò)程中都在增大,見(jiàn)圖6。

圖6 塔柱混凝土拉應(yīng)力

如圖6所示,三種支撐方案的塔柱混凝土拉應(yīng)力變化規(guī)律大體相似,施工到CS20(索塔合龍)后拉應(yīng)力不再大幅變化。在CS16時(shí),塔柱腔內(nèi)混凝土拉應(yīng)力超過(guò)1 MPa,此后逐漸逼近C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值即1.89 MPa,因此從CS16到CS20應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控Ⅰ-Ⅰ截面的混凝土拉應(yīng)力,防止混凝土開(kāi)裂。

支撐桿也可以顯著減小塔柱的壓應(yīng)力,尤其是對(duì)于壓應(yīng)力最大的“懸臂柱”底端Ⅰ-Ⅰ截面。以塔柱應(yīng)力最大的支撐方案一為例,該截面混凝土以及鋼殼的最大壓應(yīng)力分別為8.2 MPa和119.1 MPa,與未設(shè)置支撐的裸塔狀態(tài)相比分別減少了70%和63%。

3.2.3 風(fēng)荷載作用分析

在索塔結(jié)構(gòu)合龍前,橫橋向風(fēng)荷載將進(jìn)一步加大索塔橫橋向側(cè)移和腔內(nèi)混凝土豎向拉應(yīng)力。不同風(fēng)速下塔柱的橫橋向側(cè)移見(jiàn)圖7,圖中的橫坐標(biāo)為按照規(guī)范[10]依據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Ud計(jì)算得到的索塔基準(zhǔn)高度處的等效陣風(fēng)風(fēng)速Ug。

圖7 不同風(fēng)壓下的塔柱變形

由圖7可知,塔柱橫橋向側(cè)移隨風(fēng)速增大呈二次拋物線(xiàn)顯著增大,而支撐可顯著約束風(fēng)壓下的塔柱變形。當(dāng)?shù)刃ш囷L(fēng)速度達(dá)到40 m/s時(shí),設(shè)支撐前后索塔橫橋向側(cè)移分別為5.8、4.7 mm,支撐將減小23%的塔柱橫橋向側(cè)移。

由于索塔橫橋向側(cè)移將在腔內(nèi)混凝土中引起豎向拉應(yīng)力,當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)可能導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。不同風(fēng)速引起的腔內(nèi)混凝土豎向拉應(yīng)力見(jiàn)圖8。如圖8所示,對(duì)于最低基本風(fēng)速24.5 m/s即等效陣風(fēng)風(fēng)速34 m/s,腔內(nèi)混凝土豎向拉應(yīng)力達(dá)到0.5 MPa。因此,在設(shè)計(jì)和建模驗(yàn)算時(shí)應(yīng)充分考慮風(fēng)荷載對(duì)索塔結(jié)構(gòu)的影響,在施工時(shí)應(yīng)采取抗風(fēng)措施以減少風(fēng)荷載引起的索塔變形和混凝土拉應(yīng)力。

圖8 不同風(fēng)壓下的塔柱混凝土拉應(yīng)力

3.3 支撐桿的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性

支撐桿在施工中將承受較大的應(yīng)力和變形,為防止支撐桿發(fā)生破壞,保證索塔施工安全,除了分析驗(yàn)算塔柱外,還需對(duì)支撐桿的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3.1 變形

支撐方案二的支撐桿軸向變形最小,其最大壓縮變形出現(xiàn)在支撐桿4為7.1 mm,最大拉伸變形出現(xiàn)在支撐桿1為9.3 mm。對(duì)于支撐桿4即塔柱最后一道支撐桿,施工過(guò)程中需對(duì)其長(zhǎng)度加工精度和節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制,以保證索塔順利合龍。

對(duì)于支撐桿最大豎向撓度,均出現(xiàn)在索塔合龍階段。其中,靠近塔底的支撐桿1變形最大,支撐方案一、二、三的計(jì)算值分別為37.6、29.1、31.2 mm,均小于47.4 mm(l/400,l為支撐長(zhǎng)度),其豎向撓度符合規(guī)范要求。

3.3.2 應(yīng)力及穩(wěn)定性驗(yàn)算

未合龍前塔柱為彎曲懸臂柱,其受力狀態(tài)見(jiàn)圖9。如圖9(a)所示,因該階段塔柱的重心位于塔柱根部截面重心外側(cè),支撐桿1需提供拉力F以平衡重力G1引起的逆時(shí)針彎矩M,隨著塔柱節(jié)段的內(nèi)傾,負(fù)偏心距e逐漸減小,導(dǎo)致支撐桿1所受拉力逐漸減小;但是,后續(xù)安裝的支撐桿2—4協(xié)助支撐桿1抑制塔柱內(nèi)傾,使得支撐桿1拉力變化有限,在整個(gè)施工過(guò)程中始終承受拉力。對(duì)于四道支撐方案的支撐桿2,如圖9(b)所示,因塔柱懸臂段(支撐桿2之上部分)的重心位于支撐桿1與塔柱連接點(diǎn)的右側(cè),支撐桿2需提供推力以平衡順時(shí)針彎矩M,隨著塔柱節(jié)段增長(zhǎng),正偏心距e逐漸增大,導(dǎo)致支撐桿2所受壓力逐漸增大;至安裝支撐桿3后,支撐桿2壓力減小;當(dāng)索塔合龍形成拱結(jié)構(gòu)時(shí),因支撐桿2接近“拱腳”(塔柱弧段分界線(xiàn)),在拱的水平推力作用下,支撐桿2由受壓轉(zhuǎn)為受拉。同理,支撐桿3、4剛開(kāi)始都是承受壓力的,但在塔柱合龍后由于遠(yuǎn)離“拱腳”,故在整個(gè)施工過(guò)程中始終受壓。同樣地,對(duì)于三道支撐方案,其支撐桿1始終受拉,支撐桿3由安裝時(shí)的受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉,支撐桿4則始終受壓。因此,在施工過(guò)程中應(yīng)注意監(jiān)控中間支撐桿的軸力變化,并嚴(yán)格監(jiān)控各支撐桿的接頭焊接質(zhì)量。

圖9 支撐桿受力狀態(tài)示意圖

各方案支撐桿考慮穩(wěn)定系數(shù)后的應(yīng)力見(jiàn)表3,表中應(yīng)力拉為正壓為負(fù)。由表3可知,各支撐桿應(yīng)力均小于Q235級(jí)鋼材的屈服強(qiáng)度,滿(mǎn)足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。

表3 支撐桿軸向應(yīng)力對(duì)比 (單位:MPa)

3.4 臨時(shí)支撐方案比選

上述計(jì)算分析表明,各支撐方案的塔柱及其支撐體系的強(qiáng)度和剛度均符合規(guī)范要求,而采用四道雙管的方案二的應(yīng)力和變形最小(表2),且有利于在支撐桿上搭設(shè)施工平臺(tái),故推薦采用方案二。

4 建模方法對(duì)比

本橋索塔為組合結(jié)構(gòu),且軸線(xiàn)為拱形,不同的建模方法對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響。梁?jiǎn)卧Ｐ徒：?jiǎn)單、計(jì)算快,一般用于施工驗(yàn)算的簡(jiǎn)單分析。但梁?jiǎn)卧獰o(wú)法體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱、容易形成應(yīng)力集中的局部細(xì)節(jié)。因此,本文分別采用梁?jiǎn)卧蜌?實(shí)體單元建立設(shè)置四道雙管支撐的索塔模型以對(duì)比不同建模方法。

以支撐方案二的索塔及其施工臨時(shí)支撐為例,不同模型的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。如表4所示,對(duì)于沒(méi)模擬施工階段的模型BM1,由于忽略了塔柱合龍前的應(yīng)力累加過(guò)程,因此其計(jì)算的變形比有模擬施工階段的模型BM2的小46%～59%,應(yīng)力小51%～60%。這說(shuō)明對(duì)于異形鋼殼混凝土索塔,分析時(shí)應(yīng)模擬施工階段,否則計(jì)算結(jié)果將有很大誤差。

表4 不同有限元模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)于沒(méi)模擬鋼殼內(nèi)拉桿和加勁肋的殼-實(shí)體單元模型SM1,其計(jì)算的橫橋向側(cè)移、豎向撓度分別比梁?jiǎn)卧Ｐ虰M2的大73%和51%,而鋼和混凝土的應(yīng)力差值僅為8%～18%。造成這種現(xiàn)象的原因是,BM2的鋼殼在同一截面上的變形相同,而SM1沒(méi)模擬鋼殼內(nèi)拉桿和加勁肋,導(dǎo)致外包鋼殼變形計(jì)算結(jié)果偏大。對(duì)于有模擬鋼殼內(nèi)拉桿和加勁肋的殼-實(shí)體模型SM2,其計(jì)算的變形比梁?jiǎn)卧Ｐ虰M2的大14%～16%,應(yīng)力大6%～12%,差別不大。由此可見(jiàn),當(dāng)進(jìn)行施工簡(jiǎn)單驗(yàn)算或無(wú)需進(jìn)行局部精細(xì)分析時(shí),可以采用考慮施工階段的梁?jiǎn)卧Ｐ虰M2,而當(dāng)需要準(zhǔn)確模擬局部精細(xì)分析時(shí),如澆筑腔內(nèi)混凝土階段時(shí)的鋼殼節(jié)段、檢修凹槽和角點(diǎn)等處的應(yīng)力和橫斷面變形,應(yīng)采用模擬鋼殼內(nèi)拉桿和加勁肋的殼-實(shí)體單元模型。

此外,SM1計(jì)算的應(yīng)力僅比SM2大2%～5%,而變形大31%～52%,說(shuō)明鋼拉桿和加勁肋對(duì)改善鋼殼應(yīng)力的作用不明顯,但可以有效減小鋼殼變形。因此,在實(shí)際施工中,為減小外包鋼殼變形影響施工精度,應(yīng)嚴(yán)格控制節(jié)段劃分長(zhǎng)度并及時(shí)安裝鋼殼內(nèi)拉桿及加勁肋。

5 結(jié)論

1)索塔的拱形軸線(xiàn)對(duì)其內(nèi)力和變形影響很大,在合龍前后索塔內(nèi)力和幾何狀態(tài)將發(fā)生較大改變,且對(duì)橫橋向荷載作用很敏感。

2)索塔支撐可顯著降低塔柱變形和混凝土應(yīng)力;本文提出的三種支撐方案即四道單管方案、四道雙管方案以及三道雙管方案,均能滿(mǎn)足施工階段索塔及其支撐體系的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定要求,提高索塔安裝精度,其中四道雙管支撐方案的綜合性能最優(yōu)。

3)采用有限元模擬時(shí),應(yīng)考慮非對(duì)稱(chēng)荷載和施工階段劃分對(duì)鋼殼混凝土異形索塔整體受力變形的影響;梁?jiǎn)卧Ｐ湍軠?zhǔn)確計(jì)算塔柱的豎向應(yīng)力和整體變形;而橫斷面應(yīng)力和局部變形分析,應(yīng)采用模擬構(gòu)造細(xì)節(jié)的殼-實(shí)體模型。

4)拉桿及加勁肋對(duì)減小塔柱外包鋼殼變形的作用很大;吊裝鋼殼時(shí)應(yīng)先焊接拉桿和加勁肋,并嚴(yán)格控制塔柱節(jié)段長(zhǎng)度。

5)風(fēng)荷載對(duì)塔柱橫橋向側(cè)移及腔內(nèi)混凝土拉應(yīng)力影響很大,應(yīng)重視索塔抗風(fēng)變形驗(yàn)算,并加強(qiáng)抗風(fēng)措施。