鉆石形索塔主動橫撐設計及施工過程分析

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.029文章編號：1673-4874（2025）04-0102-04

0 引言

斜拉橋因其承載能力突出、結構體系多樣、造型美觀、材料利用率高、跨越能力強等突出特點而被廣泛應用于公路市政、跨江、跨海、跨高山峽谷等大中小跨徑橋梁中。斜拉橋索塔結構形式豐富，通常有H形、倒丫形、鉆石形、A形、獨柱式、門式等。多數結構形式的索塔因其索塔塔柱內傾，在施工過程中通常需要在合適的位置設置一定數量的水平橫撐，來確保塔柱的線形和結構應力始終處于安全狀態[1-2]。

目前，行業內的國內外學者針對斜拉橋索塔的水平橫撐的設計、施工、布置方案及橫撐力等方面開展了相關的研究。馬文榮等3通過計算模型對某在建斜拉橋的主動橫撐位置和頂推力進行了優化，實現了在減少1道橫撐的優化方案下確保結構的安全性。霰建平等4在鄂東長江公路大橋中設置拉桿和主動橫撐結構，確保了該橋塔在施工過程中應力的有效控制。安德柱以永寧黃河大橋主塔為依托，通過施工階段仿真提出了橫撐的設計方案，有效控制了大斜度主塔施工中的穩定性。衛軍等針對南寧青山大橋異形拱結構橋塔提出了“橫撐 + 斜撐”的方案，有效提高了橋塔的線形控制精度。李毅基于雙向傾斜橋塔開展了主動橫撐設置方案、施工控制及誤差分析、拆除時機及工藝的系統研究，提出了主動橫撐的設計要點及其預頂力的確定原則。徐青8以某曲面異形橋塔為對象提出了一套橫撐布設位置和數量的循環試算法，通過主動調控內力的方式實現了塔柱應力的有效控制。嚴瑾9針對主動橫撐的位置設置和橫撐力的計算進行了研究，并將研究成果應用于某獨塔斜拉橋主塔，有效降低了混凝土塔柱的拉應力。趙全成等針對武漢青山大橋采用有限元模型確定了橫撐的對頂力及施工階段最大內力，在此基礎上開展了橫撐的結構設計和后期拆除順序的研究。

目前針對斜拉橋索塔臨時橫撐的研究多著力于橫撐數量、位置及橫撐力的確定原則和算法、橫撐的拆除時機等方面，而對橫撐的結構設計、施工關鍵技術及施工過程中結構計算分析方面相對缺乏。因此，本文以某斜拉橋鉆石型索塔為工程背景，研究其主動橫撐的布置方案及結構設計，通過施工階段有限元模型對主動橫撐力進行優化分析，并對索塔施工過程中主動橫撐和塔柱的受力、成塔線形等進行了系統研究，提出鉆石型索塔主動橫撐設計及施工集成技術，以期為后續同類型索塔的臨時橫撐設計和施工提供參考。

1 工程概述

1. 1 工程概況

某斜拉橋為主跨300m的獨塔空間雙索面混合梁斜拉橋，索塔為鉆石型混凝土結構，塔高 202m ，塔柱混凝土采用 cos5 ，下橫梁混凝土采用C60。索塔從下至上分別為塔座、下塔柱、中塔柱和上塔柱，高度分別為 2.0m 41.1m、101.3m、57.6m，索塔塔柱共分為36個節段，索塔的結構布置及節段劃分如圖1所示。

塔座采用矩形實心截面，斷面尺寸從下往上由17m×39m （縱橋向 × 橫橋向）漸變至 13m×35m 下塔柱分為上、下兩段，下段高度為 13.8m ，斷面為單箱雙室矩形結構，尺寸從下往上由1 10m×32m×1.8m 縱橋向 × 橫橋向 × 厚度）漸變至9.759 m×45 659 m×2m ；上段高度為27.3m，采用雙肢截面，為滿足景觀要求在塔柱內側分出三級臺階。下橫梁位于中、下塔柱之間，其中心高度為7m，頂面設雙向 2% 的橫坡，底面采用直徑70m的圓弧向塔柱過渡。中塔柱采用單箱單室截面，其直線段尺寸從下往上由8. 808m×8m×1m （縱橋向 × 橫橋向 × 厚度）漸變至7. 057m×6.869m×1m 上塔柱分為上、下兩段，上塔柱下段高26.3m，分左右兩肢且兩肢塔柱之間采用圓弧段進行連接；上塔柱上段高 31.3m ，采用單箱雙室矩形截面，尺寸從下向上由7.048 m× 18.486 m×1 m（縱橋向 × 橫橋向 × 厚度）漸變至6.

圖1鉆石形索塔結構布置及節段劃分示意圖

1.2總體施工工藝

根據索塔下部空間曲面的結構特點，塔座采用普通模板法現澆施工，下塔柱采用翻模法現澆施工，中、上塔柱采用液壓爬模法逐節段進行施工，下橫梁根據結構特點采用落地鋼管支架法一次澆筑施工，下橫梁橫向預應力筋分2次張拉完成。

2索塔主動橫撐設計研究

2.1主動橫撐布置方案

圖2索塔主動橫撐結構立面布置圖

根據文獻[5]6相關研究成果，索塔主動橫撐布置位置和數量設置時應綜合考慮以下要點：（1）在逐節段施工過程中，塔柱各截面內外側在自重、施工荷載、風荷載及溫度等荷載的綜合作用下，不出現因應力超限而開裂或者壓碎的情況；（2）一定數量的主動橫撐設置后，能有效控制和調節塔柱線形，確保成塔后塔柱線形平順且線形誤差在規范要求的范圍內。根據鉆石形索塔的結構尺寸和施工工藝初步建立索塔施工階段有限元模型，對主動橫撐的位置進行試算及優化分析，最終得出該索塔共需設置3道主動橫撐，分別設置在高程87.75m、113.75m、139.75m的位置，分別對應塔柱第14、18、23節段。主動橫撐立面布置如圖2所示。

2.2主動橫撐結構設計

根據施工階段有限元模型的系統計算，綜合考慮施工期的安全性、工效及經濟性等因素，鉆石形索塔在其施工全過程中需要設置3道主動橫撐，第 1～2 道主動橫撐采用2根 ?1000mm×12 mm的鋼管，鋼管兩端分別設置2道 ?630mm×8mm 的鋼管作為斜撐以增強結構穩定性，其中第1道主動橫撐的鋼管之間設置2道225a作為橫向連接系；第3道主動橫撐采用2根 ?1000mm× 16mm 的鋼管，鋼管兩端不設置斜撐，主動橫撐鋼管與混凝土塔柱均通過預埋件進行連接，第1～3道主動橫撐的結構設計圖如圖3所示。

圖3主動橫撐結構設計圖

3索塔主動橫撐施工關鍵技術

3.1主動橫撐施工工序

索塔3道主動橫撐均在橋址附近場地將水平橫撐、斜撐等構件加工焊接為整體，然后利用塔吊將每道水平橫撐整體吊裝至相應節段塔肢內側牛腿上，安裝千斤頂到頂推位置，施加頂推力，待頂推到位后，先將水平橫撐與塔肢預埋件焊接，再將斜撐與塔肢預埋件焊接（采用嵌補焊接工藝）。鉆石形索塔主動橫撐具體施工工序如表1所示。

表1鉆石形索塔主動橫撐施工工序表

3.2主動橫撐施工階段仿真模型

根據鉆石形索塔的施工工序，采用有限元仿真分析軟件對應建立索塔施工階段精細化有限元模型，如圖4所示。塔柱、橫梁均采用梁單元模擬，主動橫撐采用桁架單元模擬，主動橫撐與塔柱之間的連接采用彈性連接中的剛性約束模擬，主動橫撐采用施加溫度荷載來實現主動橫撐力的施加。

圖4索塔施工階段有限元模型圖

3.3主動橫撐力優化分析

利用施工階段精細化有限元模型對3道主動橫撐的橫撐力進行比選和優化分析，以索塔線形誤差較小和塔柱應力具有較大的安全儲備為原則，得出各道主動橫撐的橫撐力如表2所示。

表2各道主動橫撐的橫撐力數值表

4索塔主動橫撐施工過程分析

4.1主動橫撐施工過程橫撐力分析

主動橫撐施加橫撐力之后，在塔柱節段后續施工過程中，其橫撐力也是不斷變化的。通過鉆石形索塔施工階段精細化有限元模型的計算分析，得出3道主動橫撐的橫撐力隨施工工況的變化趨勢分別如圖5至圖7所示，圖中的橫撐力負值均表示主動橫撐的橫撐力為壓力。

圖5第1道主動橫撐施工過程橫撐力變化曲線圖

圖6第2道主動橫撐施工過程橫撐力變化曲線圖

圖7第3道主動橫撐施工過程橫撐力變化曲線圖

由圖5至圖7可知：（1）3道主動橫撐的橫撐力在各個工況下均為壓力，表明3道主動橫撐在索塔施工全過程始終保持受壓狀態，不會出現拉力；（2）第 1～2 道主動橫撐安裝后，橫撐力均呈現先增大再減小然后再增大的趨勢，第1道主動橫撐在工況23（塔柱20節段施工）階段下的橫撐力最大為-5435.8kN（壓力），第2道主動橫撐在工況29（塔柱25節段施工）階段下的橫撐力最大為-7481.4kN（壓力）；（3）第3道主動橫撐安裝后，橫撐力呈現先增大再減小的趨勢，其橫撐力在工況31（塔柱26節段施工）階段下最大，為-4526.4KN（壓力）；（4）第1～3 道主動橫撐施工過程中最大壓應力分別為-59.5MPa，-100.4MPa，-60.8MPa， 因此3道主動橫撐在施工過程中結構強度均滿足要求。

4.2成塔線形及應力分析

采用設置3道主動橫撐并施加相應橫撐力的方案完成索塔施工后，鉆石形索塔成塔后的橫橋向位移云圖、索塔結構最大應力云圖分別如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9中計算結果可知：（1）成塔后，索塔塔柱橫橋向最大位移為 17.4mm ，塔頂橫向變形為0mm;（2）成塔后，索塔塔柱最大應力均為負值，表明成塔后索塔塔柱均處于全截面受壓狀態，塔柱最大應力為-4.7MPa （壓力），下橫梁最大應力為 0.7MPa （拉力）。綜上，成塔后索塔的線形和應力均滿足規范要求。

5結語

本文以某斜拉橋鉆石形索塔為依托，通過其施工階段精細化有限元模型開展鉆石形索塔主動橫撐布置方案、結構設計及橫撐力的研究，進行施工全過程主動橫撐受力及索塔成塔效果的分析，得出主要結論如下：

（1）該鉆石形索塔施工過程中需要設置3道主動橫撐，橫撐力分別為2400KN、2600KN、3600KN，橫撐由2根 ?1000×12（16）mm 的鋼管、 ?630×8 mm斜撐及2[25a橫向連接系組成。

圖8鉆石形索塔成塔后橫橋向位移云圖

圖9鉆石形索塔成塔后最大應力云圖

（2）在索塔施工過程中，第 1～3 道主動橫撐最大橫撐力分別為-5435.8kN、-7481.4kN、-4526.4KN（壓力），最大壓應力分別為 -59.5MPa，-100.4MPa -60.8MPa ，分別出現在工況23（塔柱20節段施工）、工況29（塔柱25節段施工）、工況31（塔柱26節段施工）。

（3）成塔后，索塔塔柱橫橋向最大位移為 17.4mm 塔柱最大應力為 -4.7MPa （壓力），下橫梁最大應力為0.7MPa （拉力）。表明采用該主動橫撐設計及橫撐力方案施工后，鉆石形索塔線形及應力均滿足規范要求。

參考文獻

[1]賀玖龍.斜拉橋異形索塔施工中臨時水平橫撐的應用研究[D].西安：長安大學，2015.

[2]吳朝明.花江峽谷大橋索塔主動橫撐設計及驗算結果分析[J].交通世界，2022（12）：40-41.

[3]馬文榮，陳學江，胡超，等.斜拉橋雙向傾斜橋塔主動橫撐優化設計研究[J].工程技術研究，2023，8（18）：5-8

[4]霰建平，李松，王北辰，等.鄂東長江公路大橋橋塔拉桿及支撐系統設計與施工[J].橋梁建設，2009（3）：74-76.

[5安德柱.斜拉橋鉆石型塔臨時主動橫撐設計及施工控制研究[J]鐵道建筑技術，2019（7）：40-43，60.

[6]衛軍，曾志豪，李定有.斜拉橋異型拱塔施工臨時橫撐方案比選[J].橋梁建設，2017，47（4）：113-118

[7]李毅.斜拉橋雙向傾斜橋塔主動橫撐設計及施工控制[J].橋梁建設，2013，43（3）：109-113

[8]徐青.曲面異形橋塔主動橫撐布設與計算[J].鐵道建筑技術，2023（3）：77-79，113.

[9]嚴瑾.獨塔斜拉橋主塔主動橫撐結構計算[J].公路工程，2017，42（3）：180-183.

[10趙全成，劉曉波，左小明.武漢青山長江公路大橋北塔臨時橫撐設計[J].橋梁建設，2020，50（S1）：100-105.