一種非對(duì)稱變截面斜塔斜拉橋主塔斜撐設(shè)計(jì)與施工

何豐瀚，李 明，彭章良

（1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)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(jié)構(gòu)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(cè)索力的差異來(lái)平衡斜塔的自重，形成一個(gè)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(wú)背索斜塔水平傾角更大。無(wú)索區(qū)段主塔施工中，受到斜塔塔身自重影響將在塔底產(chǎn)生傾覆力矩和較大的拉應(yīng)力，并隨著塔身的升高，塔柱順橋向的傾覆力矩將進(jìn)一步增加，為避免出現(xiàn)過(guò)大的裂縫，無(wú)索區(qū)段塔柱施工過(guò)程中必須分節(jié)段設(shè)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(diǎn)探討的是主塔施工節(jié)段中 11、13、17節(jié)段內(nèi)背向斜撐的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。

本項(xiàng)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(jiàn)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(cè)，共分29個(gè)施工節(jié)段，主塔施工節(jié)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(jié)段劃分圖

1 斜撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 支撐結(jié)構(gòu)概況

背向支撐一共有三道，每道支撐都分為左右兩個(gè)對(duì)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(duì)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(nèi)側(cè)斜撐距承臺(tái)中心19.39m，外側(cè)斜撐距內(nèi)側(cè)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(xiàn)澆支架上，在鋼管支撐柱腳點(diǎn)對(duì)應(yīng)橋面位置的主梁箱室內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐。內(nèi)支撐鋼管數(shù)量、直徑同外斜撐一一對(duì)應(yīng)，內(nèi)支撐中部設(shè)一道平聯(lián)，下端與梁體內(nèi)箱內(nèi)底板預(yù)埋件焊牢固定，上端設(shè)置鋼質(zhì)卸落調(diào)節(jié)塊。內(nèi)支撐在梁體砼頂板澆筑后處于受力狀態(tài)，整個(gè)斜支撐施工和使用過(guò)程，梁體現(xiàn)澆支架始終存在。搭設(shè)第二、三道斜撐（位于橋面上）時(shí)，要等到橋面混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%方可進(jìn)行。

1.2 支撐建模計(jì)算

1.2.1 模型建立

大量臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)[6]研究表明，建立臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)模型時(shí)，無(wú)需考慮全部荷載類型，故本節(jié)在針對(duì)臨時(shí)支撐架模型添加荷載時(shí)不考慮振搗荷載、沖擊荷載等。

將主動(dòng)力、爬模荷載、自重、預(yù)應(yīng)力、風(fēng)荷載等各種荷載羅列并根據(jù)實(shí)際工況組合后運(yùn)用Midas/Civil有限元分析軟件，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)包括斜豎向鋼管、鋼管間連接和分配梁進(jìn)行仿真建模[7]。結(jié)構(gòu)自重均按照1.0倍進(jìn)行加載，施工荷載則按線荷載或節(jié)點(diǎn)荷載進(jìn)行加載，支撐整體模型圖與應(yīng)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(yīng)力圖

根據(jù)Midas/Civil計(jì)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(yīng)力均滿足要求。

1.2.2 各節(jié)段支撐最大組合應(yīng)力

隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，支撐的內(nèi)力也隨之變化。第一道支撐各構(gòu)件均在 13施工節(jié)段完成之后，第二道支撐未搭設(shè)之前這一階段產(chǎn)生最大組合應(yīng)力。第二道支撐各構(gòu)件最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在 17節(jié)段施工完成之后，第三道支撐未搭設(shè)之前這一階段。第三道支撐的各個(gè)構(gòu)件最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在二張拉索3這一節(jié)段。通過(guò)計(jì)算三道支撐的最大組合應(yīng)力均小于《公路鋼結(jié)構(gòu)橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）[8]所規(guī)定的鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度275MPa，滿足要求。

1.2.3 斜、豎向鋼管穩(wěn)定性計(jì)算

φ800×10mm鋼管在支撐搭設(shè)及整個(gè)橋塔施工階段主要的內(nèi)力包絡(luò)圖可以由Midas/Civil導(dǎo)出。

鋼管最大計(jì)算長(zhǎng)度L=5m，回轉(zhuǎn)半徑ix=279mm，長(zhǎng)細(xì)比λ=17.9，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.978。

則穩(wěn)定性驗(yàn)算：

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]其穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)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(shù)η=0.7，等效彎矩系數(shù)βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.4 鋼管間連接穩(wěn)定性計(jì)算

φ273×6.5mm鋼管間連接在支撐搭設(shè)及整個(gè)橋塔施工階段主要的內(nèi)力包絡(luò)圖可以由Midas/Civil導(dǎo)出。

鋼管最大計(jì)算長(zhǎng)度L=4.7m，回轉(zhuǎn)半徑ix=94mm，長(zhǎng)細(xì)比λ=50，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.881。

則穩(wěn)定性驗(yàn)算：

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]其穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)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(shù)η=0.7，等效彎矩系數(shù)βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.5 整體穩(wěn)定

臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)是施工階段的主要構(gòu)筑物之一，由于臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌而引發(fā)的工程事故屢見(jiàn)不鮮。在所發(fā)生的事故當(dāng)中，由于臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不符合要求而造成的問(wèn)題最為突出[10-12]，因此整體穩(wěn)定分析必不可少。第二、四、六階失穩(wěn)模態(tài)如圖6、圖7、圖8所示，對(duì)應(yīng)的臨界荷載系數(shù)如表1所示。

圖6 第二階失穩(wěn)模態(tài)

圖7 第四階失穩(wěn)模態(tài)

圖8 第六階失穩(wěn)模態(tài)

表1 各階失穩(wěn)對(duì)應(yīng)的臨界荷載系數(shù)

2 斜撐現(xiàn)場(chǎng)施工安裝

2.1 測(cè)量放樣

采用坐標(biāo)法放樣，首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖提供的坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，確認(rèn)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)埋設(shè)預(yù)埋件。立柱安裝前，在柱腳預(yù)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(guò)程垂直度檢查。

2.2 鋼管接長(zhǎng)及安裝

在后場(chǎng)完成鋼管立柱、平聯(lián)、縱聯(lián)的加工制作。為便于安裝，采用塔吊將分節(jié)好的管節(jié)逐根吊裝組拼，并設(shè)置三面纜風(fēng)繩臨時(shí)穩(wěn)定。第一節(jié)立柱安裝前對(duì)立柱底口進(jìn)行修邊，并在埋件上用石筆提前畫(huà)出立柱安裝外輪廓線，立柱焊接前將立柱吊裝至埋件處進(jìn)行試拼，當(dāng)立柱尺寸存在偏差時(shí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行割除，安裝過(guò)程中嚴(yán)格控制立柱底部焊縫寬度，確保焊接質(zhì)量。立柱底部焊接完成后，使用t=12mm鋼板進(jìn)行加勁，確保立柱底口與預(yù)埋件完全連接。立柱對(duì)接焊接采用坡口焊，上端立柱開(kāi)設(shè)45°坡口，焊接過(guò)程中利用內(nèi)側(cè)襯管作為內(nèi)襯，確保焊接過(guò)程中熔透。接長(zhǎng)一段用3kg垂球進(jìn)行初測(cè)垂直度，滿足要求后，用全站儀精確復(fù)核，合格后再進(jìn)行焊死。同樣方法，進(jìn)行后續(xù)鋼管接長(zhǎng)施工。

立柱鋼管對(duì)接焊縫施工示意圖如圖9所示。

圖9 立柱鋼管對(duì)接焊縫施工圖

根據(jù)斜撐柱腳點(diǎn)的位置，放出內(nèi)支撐腳點(diǎn)，再用塔吊將后場(chǎng)制作好的內(nèi)支撐一一吊運(yùn)組裝，為便于拆除，內(nèi)支撐頂端設(shè)置可調(diào)鋼質(zhì)卸落塊，每根鋼管頂端放置一個(gè)。將荷載試驗(yàn)合格的卸落塊分別放置在每根鋼管頂端，測(cè)量調(diào)整好高度位置，最后在卸落塊頂部對(duì)應(yīng)設(shè)置預(yù)埋件，澆筑箱梁頂板砼，內(nèi)鋼支撐處于受力狀態(tài)。

2.3 塔端及梁端預(yù)埋件制作安裝

塔端和梁端預(yù)埋件在后場(chǎng)制作，錨筋或型鋼錨件應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖加工和焊接。安裝時(shí)，用全站儀在塔端對(duì)應(yīng)位置放出中心點(diǎn)，預(yù)埋件端面與模板面間隔5mm，并在模板上用油漆標(biāo)注清晰位置，拆模時(shí)便于查找，預(yù)埋件A上方設(shè)置三層鋼筋網(wǎng)片，用于抗剪。梁端基礎(chǔ)預(yù)埋件采用25mmHRB400螺紋鋼筋，提前將其加工完畢預(yù)埋于主梁上，鋼板厚度δ=30mm，根據(jù)預(yù)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(jié)構(gòu)形式為三角撐，在后場(chǎng)分片加工，反力架橫撐、斜撐應(yīng)滿焊。檢驗(yàn)合格后，用塔吊分片提升到設(shè)計(jì)位置安裝，滿焊于墩身預(yù)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(chǎng)先進(jìn)行型鋼加勁板的焊接施工，待所有加勁板焊接質(zhì)量檢驗(yàn)合格后，方可提升到位，進(jìn)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(diǎn)焊。

3 結(jié)論

本項(xiàng)目斜塔斜拉橋主塔高度達(dá)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(gè)橋梁中是最大的，同時(shí)也是工程量最多、危險(xiǎn)系數(shù)最大的施工步驟。而本文重點(diǎn)探討的主塔背向支撐是主塔施工中必不可少的臨時(shí)支撐體系，也是整個(gè)主塔施工的技術(shù)核心所在。主塔斜撐的設(shè)計(jì)必須考慮諸多的影響因素，不僅要使支撐結(jié)構(gòu)符合力學(xué)基本原理，同時(shí)也要把現(xiàn)場(chǎng)的施工環(huán)境考慮在內(nèi)，以免出現(xiàn)實(shí)際與設(shè)計(jì)不符的情況，造成不必要的麻煩。