超高混凝土索塔水平橫撐設計及施工過程計算分析

關鍵詞：超高混凝土橋塔；水平橫撐；主動橫撐力；全截面受壓；成塔效果中圖分類號：U448.25 文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.029文章編號：1673-4874（2025）03-0101-04

0 引言

懸索橋因其結構跨越能力強、適應性好、結構輕盈、材料利用率高、經濟性及抗震性能優越等優點在高原山區、公路市政、跨海跨江大橋中得到廣泛應用。懸索橋索塔結構有H形、獨柱形、人字形、門字形等多種樣式，且其索塔塔柱通常呈現內傾狀。索塔在施工過程中，在結構自重、支架及模板等各種施工荷載作用下，隨著塔柱施工高度的增加，塔柱線形呈現變形增大而導致整體線形控制困難，塔柱外側應力通常壓應力減小甚至逐漸出現拉應力而導致索塔結構面臨開裂的風險。因此，為了改善塔柱受力，在索塔施工過程中通常會在塔柱之間設置多道水平橫撐，從而優化塔柱在施工過程中的變形和受力狀態。

目前國內學者針對索塔水平橫撐開展了較多方面的研究。賀玖龍[1針對斜拉橋異形索塔線形及內力的關鍵影響因素進行了分析，在此基礎上，對異形索塔的3道水平臨時橫撐的作用效果進行研究，提出了水平橫撐影響索塔施工控制的關鍵參數。方哲形等2以雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋一一舟岱跨海大橋鉆石形橋塔為依托，對其異形索塔臨時橫撐的結構設計進行了研究，并分析了臨時橫撐安裝后索塔受力性能的改善情況。吳朝明3針對花江峽谷大橋索塔的主動橫撐設計及受力進行了系統研究和分析。李毅4以某雙向傾斜橋塔為背景，開展了主動橫撐設置方案、拆除時機及工藝的全面研究，提出了主動橫撐的設計原則、橫撐施工及拆除時應重點關注的要點。嚴謹為研究主動橫撐的施工控制關鍵因素，以某獨塔斜拉橋主塔為依托，對主動橫撐的結構布置及橫撐力進行了細致地分析比選，提出了一套橫撐設計的優化方案，有效控制了施工過程中主塔結構的受力。馬文榮等以某斜拉橋A形橋塔為對象，通過施工階段有限元模型分析和比選了主動橫撐的設置高程及頂撐力，優化后的主動橫撐方案在確保塔柱受力安全的同時有效降低了施工成本。賽志毅等基于懸索橋內傾式橋塔分別采用實體單元、桿系梁單元對主動橫撐進行仿真模擬，提出了實體單元和桿系梁單元的計算誤差及其各自的適用范圍，為橫撐結構的仿真分析提供了有效的參考。當前針對索塔水平橫撐的研究大多傾向于常規性結構和異形結構橋塔，主要圍繞橫撐結構的計算方法、設計參數等方面，而對于超高混凝土索塔水平橫撐的施工技術及計算分析相對缺乏。因此，本文以某懸索橋超高混凝土索塔為工程對象，研究其水平橫撐的結構設計及布置，對其主動橫撐力的設置進行優化分析，對該方案下施工全過程的索塔、水平橫撐及成塔效果進行了系統研究，形成了一套超高混凝土索塔水平橫撐施工關鍵技術，以期為后續同類型超高索塔結構的施工提供一定的參考和依據。

1工程概況

某懸索橋為世界上最大高度的跨海大橋，橋面距離海面高度為 92m ，采用雙塔三跨鋼箱梁懸索橋結構。其索塔為門式鋼筋混凝土結構，總高度為 270m ，索塔塔柱及橫梁均采用C55混凝土，塔柱之間設置下、中、上共3道橫梁，塔柱分為塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱，高度分別為 7.5m，113m，70.5m，79m， 索塔共劃分為48個節段（不含塔冠）。索塔結構布置及節段劃分如圖1所示。

索塔上中下塔柱斷面均為八邊形結構，下塔柱斷面尺寸從下向上由 16m×13.5m×5m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度方向）漸變至12 m×8.5m×2.5m ，中上塔柱斷面尺寸從下向上由 12m×8.5m×2.5m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度方向）漸變至1 2m×7.5m×1.6m ，上橫梁采用帶凹槽的矩形截面，根部斷面尺寸為 12m×10.4m （寬 × 高），跨中斷面尺寸為8. ，端部及跨中的挖斷面分別為 5.7m×6.6m.5.7m×3.7n 寬 × 高），上部凹槽高 1.2m ，厚度為 10.5m. 。中、下橫梁斷面均為矩形截面，中橫梁斷面尺寸從根部到跨中由 12m×13.6m （寬 × 高）漸變到 7.5m×8.5m ，下橫梁斷面尺寸從根部到跨中由 14.7m×16m 寬 × 高）漸變到 10.3m×13m

2索塔水平橫撐設計

2.1水平橫撐布置原則

索塔水平橫撐根據其受力特征分為被動橫撐和主動橫撐，其中被動橫撐通常適用于中低高度、塔柱傾角較小的索塔，主動橫撐適用于各種高度和各種塔柱傾角的索塔。因此，此處針對超高混凝土索塔采用主動水平橫撐結構。主動水平橫撐位置布置和結構設計應綜合考慮以下原則：（1塔柱在各種懸臂施工狀態下，塔柱根部混凝土截面在各種施工荷載及自重荷載作用下不出現因拉應力超標而產生裂紋的情況；（2）塔柱在懸臂施工狀態下塔柱軸線偏位均在規范要求的合理范圍內；（3）主動橫撐通常應按照剛度大、數量少、穩定性好、同一道橫撐的材料斷面優先采用相同型號材料、安裝及拆除便捷的原則進行結構設計和材料選擇。

2.2水平橫撐結構設計

綜合考慮該超高混凝土索塔的塔高、塔柱傾斜度、截面剛度及強度、施工臨時荷載、風荷載、溫度荷載等因素，經過初步計算分析，該索塔在施工過程中需設置5道主動水平橫撐，5道主動水平橫撐分別設置在塔柱57.25m、100.00m、154.75m、178.00m、220.00m的高度位置處，如圖2所示。每道水平橫撐均采用2根?1000mm×10m m的鋼管組成，鋼管與混凝土塔柱通過預埋件進行連接，以第1道水平橫撐為例，水平橫撐的結構設計圖如圖3所示。

3索塔水平橫撐施工關鍵參數研究

3.1水平橫撐施工工序

索塔塔柱總體采用智能液壓爬模法進行施工，下橫梁采用支架法滯后于塔柱節段進行施工，中、上橫梁采用桁片托架法施工。水平橫撐最長為42.9m，分成2個節段運輸至現場后在現場進行拼裝，然后將拼裝好的水平橫撐用塔吊吊裝至設計位置，然后安裝2臺千斤頂，對水平橫撐進行頂推施工；當每道水平橫撐的橫撐力頂推至設計值后，對水平橫撐進行焊接鎖定和固定，最后卸下千斤頂，完成水平橫撐的安裝。索塔各道主動水平橫撐的具體施工工序如表1所示。

3.2施工階段有限元模型

根據索塔施工各塔柱節段、水平橫撐的施工工序及索塔的結構構造，采用有限元仿真軟件對索塔施工過程進行詳細模擬分析，建立索塔施工階段有限元模型如圖4所示。索塔塔柱、橫梁、支架均采用梁單元模擬，水平橫撐采用桁架單元模擬，塔柱與水平橫撐之間的連接采用剛性連接進行模擬。

利用索塔施工階段有限元模型，基于塔柱受力性能最優、塔柱施工過程中線形及成塔線形平順及縱橫向軸偏最小的原則對5道主動水平橫撐的橫撐力進行綜合比選分析，得出各道水平橫撐的主動橫撐力如表2所示。

3.3橫撐力計算分析

4.1水平橫撐施工過程受力分析

4水平橫撐施工過程計算分析

水平橫撐安裝后，橫撐力會隨著索塔施工過程而不斷變化。通過索塔施工階段有限元模型，分別對5道水平橫撐的內力進行計算分析，得出各道水平橫撐的橫撐內力隨施工過程的變化分別如圖5至圖9所示。

由圖5至圖9的計算結果可知：

（1）該索塔的5道水平橫撐在索塔施工過程中內力始終為負值，表明水平橫撐在施工階段是始終處于受壓狀態。

（2）第1道水平橫撐在施工全過程中最大內力為-3093.0kN ，出現在工況28（塔柱25節段施工）階段；第2道水平橫撐在整個施工過程中最大內力為 -4520.01kN 出現在工況39（塔柱25節段施工）階段；第3道水平橫撐在整個施工過程中最大內力為-8163.7KN，出現在工況69（中、上橫梁剩余預應力張拉）階段；第4道水平橫撐在整個施工過程中最大內力為-8115.5KN，出現在工況69（中、上橫梁剩余預應力張拉）階段；第5道水平橫撐在整個施工過程中最大內力為-1756.6KN，出現在工況62（拆除中橫梁支架）階段。

（3）水平橫撐施工過程中最大壓應力為 -82.9MPa 因此，水平橫撐在施工過程中結構強度滿足要求。

4.2 成塔效果分析

超高混凝土索塔采用5道主動水平橫撐并施加相應的主動橫撐力。施工完成后，塔柱的應力如圖10所示，塔柱的橫向變形如圖11所示。