主动横撑在钢壳混凝土空心桥塔施工中的应用

官保华，黄海勇

（中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

主动横撑在钢壳混凝土空心桥塔施工中的应用

官保华，黄海勇

（中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

在斜拉桥主塔施工过程中，塔柱往往处于具有一定倾斜角度的悬臂状态。由于自重及施工荷载等作用，上塔柱底部截面形成负弯矩，使得上塔柱底部混凝土受拉或塔柱顶部产生过大的侧向位移。文章以漳州开发区双鱼岛连接桥钢壳混凝土空心桥塔工程为例，采用桥梁计算软件Midas对主动横撑方案进行设计计算，并与施工监测数据进行对比分析。结果表明：采用合适的主动横撑方案有效消除了塔柱的不良应力状态和塔柱顶部过大的侧向位移。实际施工中应加强施工监测，如有必要应对施工方案进行修正。

塔柱;主动横撑;拉应力;开裂

0 引言

钢筋混凝土斜拉桥索塔多设计为倾斜结构，施工一般采用悬臂裸塔爬模法。施工过程中的悬臂塔柱处于自由状态，在自重及施工荷载等作用下塔柱底部形成较大的倾覆力矩。倾覆力矩产生的拉应力可能引起塔柱底部混凝土的开裂及塔柱顶部较大的侧向位移，从而影响索塔的施工质量和使用寿命。施工一般可采用设置支撑的方式将索塔的应力及侧向位移控制在设计允许的范围内。

为减少倾覆力矩影响而设置支撑的方法目前有3种[1]：第1种是满堂支架法，即在施工过程中同步搭设竖向满堂支架。随着索塔高度的增加，满堂支架的工作量增加大，工作效率低，进度慢，施工安全危险加大。因而满堂支架法很少采用。第2种是设置横向水平支撑，即在塔柱施工过程中采用几道直径较大的横向钢管或型钢桁架支撑，按一定高度间隔布置，与塔柱临时固接在一起，形成框架结构，平衡斜塔柱所产生的倾覆力矩，增强塔柱施工过程中的稳定性和安全性。钢支撑本身横向具有较好的刚度，工作量相对不大，但不能克服索塔在钢支撑安装前因自重及施工荷载引起的变形和侧向位移，不能有效保证成塔后的线性和应力状态。第3种是在第2种方法的基础上使用千斤顶通过横向钢管撑向塔柱内壁施力，变被动支撑为主动支撑，克服塔柱施工过程中因自重和施工荷载而引起的应力和侧向位移。目前国内建成的几座大桥，如小沙湾黄河特大桥、灌河斜拉桥及天津滨海斜拉大桥等均采用了第3种方法，取得了良好的效果[2-4]。

1 工程概况

漳州开发区双鱼岛陆岛连接桥位于漳州招商局经济技术开发区中心位置，路线起于南炮台与高尔夫球场间的南滨大道，与南滨大道南段平交，止于双鱼岛主干道，与主干道平交。陆岛连接桥为海上斜拉桥，路线全长685.4 m，包括北引桥330.6 m，主桥204.0 m，南引桥150.8 m。索塔由下塔柱、下横梁、上塔柱及上横梁共四部分组成。下塔柱底高程为2.0 m，塔顶高程为92.0 m，索塔总高90.0 m，桥面以上的高度为76.0 m，索塔中、下塔柱顺桥向的斜率为1/90，塔座底高程0.50 m，塔座高度1.5 m，索塔总宽48.0 m。采用C50海工混凝土。

2 主动横撑布置及受力计算

2.1 主动横撑布置

上塔柱为外包钢壳混凝土空心塔柱，自下而上采用的是液压爬模法，按钢壳设计节段进行施工。将主动横撑与施工作业平台相结合，在上塔柱施工过程中设置五层主动横撑，每层横撑采用2根φ630 mm×10 mm钢管。施工作业平台采用4根φ630 mm×10 mm钢管作为竖向支撑，每隔5 m焊接工25a型钢作为水平连接。横撑钢管与塔柱钢壳钢板满焊连接，自下而上各层横撑的高程依次为24.682 m、35.682 m、46.182 m、56.682 m、66.682 m。钢管支撑中部设置爬梯和中转平台，钢爬梯用槽钢、螺纹钢筋及花纹钢板焊接而成，用作上下层平台间的连接。主塔临时支撑结构体系立面图如图1所示。

2.2 计算原则及方法

图1 主塔临时支撑结构体系立面图Fig.1 Verticalview of the temporary support structure system of the main tower

1）计算原则：桥塔施工临时主动横撑计算以应力控制为主，变形控制为辅为原则。斜拉桥索塔塔柱大多采用混凝土材料，所以刚度较大，顶推产生的塔柱横桥向位移一般较小，对于斜塔柱，计算所得理论主动力至少要能够保证完全抵消自重及施工荷载横桥向分量作用在最不利截面产生的附加拉应力。但主动力也不宜过大，防止横撑处混凝土出现裂缝。主动横撑的形式和位置选择应结合桥塔及施工平台结构形式，以确保施工过程中临时结构与永久结构形成稳定的框架体系为原则。

2）计算方法：临时主动横撑设计的主要内容为临时横撑结构形式的选择、布设位置的选取及预顶力大小的确定。设计的核心在于斜塔柱底部混凝土截面拉应力是否能消除或者控制在允许范围内。根据JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中第6.3.1条条文说明，一般拉应力控制在1 MPa以内[5]。在计算斜塔柱的应力时，可以把单肢塔柱看作为悬臂梁结构。对于两个方向都有倾斜的塔柱，两个方向自重及施工荷载会引起弯矩叠加，产生的附加应力在底部一个角点位置形成最大拉应力，最大拉应力计算公式如下[6]：

式中：σ为上塔柱底部受拉边缘混凝土的计算拉应力；Mx、My为主动横撑施加前上塔柱底部计算高度范围内塔柱自重及施工荷载在底部x、y方向产生的弯矩；Ix、Iy为上塔柱底部截面x、y方向的惯性矩；y为上塔柱底部截面中性轴到受拉边缘的距离；N为主动横撑施加前上塔柱底部计算高度范围内的塔柱自重及施工荷载在底部产生的轴力；A为上塔柱底部截面面积；R为上塔柱底部混凝土预期标号的极限拉应力；K为安全系数。

考虑到塔柱结构的不规则性及施工过程中受力影响因素较多，采用上式进行塔柱底部拉应力计算时，需对结构及受力情况进行较大的简化，拉应力计算结果的准确度会受到一定影响。因此，在进行拉应力计算时应尽可能的采用有限元建立更贴近实际桥塔结构及受力状况的实体模型进行计算，并在实际施工过程中加强塔柱混凝土应力监测。

3 主动横撑数值模拟分析

3.1 计算模型工况

根据支撑方案可以将施工过程分为如下6种工况：

工况一：T6节段钢壳安装完成，混凝土未浇筑，在高程24.682 m处设置第1层横撑；

工况二：T8节段钢壳安装完成，混凝土未浇筑，在高程35.682 m处设置第2层横撑；

工况三：T10节段钢壳安装完成，混凝土未浇筑，在高程46.182 m处设置第3层横撑；

工况四：T12节段钢壳安装完成，混凝土未浇筑，在高程56.682 m处设置第4层横撑；

工况五：T14节段钢壳安装完成，混凝土未浇筑，在高程66.682 m处设置第5层横撑；

工况六：T15节段钢壳已安装（待合龙状态）。

3.2 施工过程模拟分析及横撑主动力确定

为确定主动横撑预顶力，根据结构受力特点，利用桥梁计算软件 Midas，对上塔柱各施工工况进行有限元模拟计算。取单侧上塔柱从底部到各工况施工截面建立有限元模型，模型斜率、截面尺寸均与设计图纸相同，C50混凝土自重取26 kN/m3，施工用液压爬架自重取50 t，计算时忽略钢壳自重及受力。上塔柱采用梁单元模拟，上塔柱底部固定。

进行未施加主动横撑模拟时，在横撑位置设置约束，模型如图2所示。通过有限元计算在未施加主动横撑时，各工况下上塔柱底部截面（0-0截面）及横撑位置处塔柱截面内外侧应力和塔柱顶端侧向位移如表1所示。

图2 未施加主动力撑时各工况计算模型Fig.2 The calculation modelunder various conditions when the initiative horizontalbracing notbeen used

根据上塔柱未施加主动横撑各施工阶段模拟计算结果，选取水平横撑的预顶力方案如下：

1）高程24.682 m，第1层横撑，预顶力3 000 kN，每根钢管同步施加1 500 kN；

2）高程35.682 m，第2层横撑，预顶力2 500 kN，每根钢管同步施加1 250 kN；

3）高程46.182 m，第3层横撑，预顶力2 500 kN，每根钢管同步施加1 250 kN；

4）高程56.682 m，第4层横撑，预顶力2 500 kN，每根钢管同步施加1 250 kN；

5）高程66.682 m，第5层横撑，预顶力2 000 kN，每根钢管同步施加1 000 kN。

进行施加主动横撑模拟时，在横撑位置施加节点荷载，按选定的横撑预顶力施加方案建立有限元模型如图3所示。计算各工况下上塔柱底部截面（0-0截面）及横撑位置处塔柱截面内外侧应力和塔柱顶端位移如表1所示。

表1 各工况下未施加主动横撑与施加主动横撑各截面应力及塔柱顶侧向位移Table 1 Stress of each section and displacement of the top of tower under various conditions when the initiative horizontal bracing been used and not

图3 施加主动力撑时各工况计算模型Fig.3 The calculation modelunder various conditions when the initiative horizontalbracing been used

从表1可以看出各工况下施加主动横撑前后塔柱各截面内侧均受压，在施加主动横撑后，压应力明显减小。在施加主动横撑前塔柱各截面外侧均受拉，施加主动横撑后塔柱各截面外侧均变为受压。各工况下塔柱顶部侧向位移在施加主动横撑后较未施加之前有明显的减小。因此，在施工中施加主动横撑，可以使塔柱外侧混凝土由受拉变为受压状态，明显改善塔柱在施工过程中的受力及变形状况。在塔柱施工过程中施加主动横撑可以提高塔柱合龙前的结构安全性。

4 主动横撑施工过程质量控制

1）在主动横撑施工前应进行强度、刚度及稳定性的验算。

2）主动横撑安装：每道横撑采用2根φ630 mm×10 mm钢管，布置在塔柱内腔正对着塔壁外侧。钢管间用型钢组成平面桁架与施工作业平台的4根立柱连接。每根钢管分成两段分别与塔柱钢壳钢板满焊连接。第1层横撑如图4所示。

3）预顶力施加：在横撑安装完成后立即施加预顶力，在钢管合龙处使用2台液压千斤顶同步分级施加，在施加的过程中应观察横撑的挠度和塔柱的变形情况，当预顶力达到要求后，用连接钢板将横撑钢管连接固定，然后千斤顶回油、卸落，如图5所示。

图4 第1层横撑的平面示意图Fig.4 Schematic diagram ofthe firstlayer initiative horizontalbracing

图5 钢管横撑合龙处照片Fig.5 The picture where steelpipe transverse brace fold

5 施工监测

为验证主动横撑的作用，在桥塔施工过程中对上塔柱底部截面的应力状况进行监测，并将监测结果与有限元分析结果进行对比。

5.1 监测方案

在上塔柱T1节钢壳混凝土施工前，在底部截面埋入ZX-215CT智能混凝土应变传感器，监测施工过程中上塔柱各节段混凝土浇筑完成及施加主动横撑后混凝土应力值。传感器埋入位置如图6所示。

图6 上塔柱底部截面应力测点布置图Fig.6 The stress monitoring arrangement plan of the bottom section in upper tower

5.2 监测结果分析

施工过程中重点关注塔柱底部截面内外侧的混凝土应力状况。取内侧截面测点（242530）、外侧截面测点（242527）与有限元计算的上塔柱底部截面（0-0截面）内外侧最大应力进行对比如图7所示。

图7 上塔柱底部截面内、外侧应力监测与有限元计算结果Fig.7 The results of stress monitoring and finite element analysis on the bottom section inside and outside of upper tower

由图7可以看出实测的应力变化规律与有限元计算结果基本一致。但计算数值与监测结果偏差较大。其主要是因为有限元计算中未考虑温度、钢外壳参与受力作用等因素的影响。从施加主动横撑的各工况监测数据可以看出，在主动横撑施加之后，上塔柱底部截面内侧的压应力都有一定的减小，底部截面外侧压应力有一定的增大，在整个施工过程中，上塔柱底部截面内外侧都处于受压状态。主动横撑方案达到了预期目的。

6 结语

1）主塔作为斜拉桥的主要承重构件，其施工质量直接关系到全桥的安全及使用寿命。从表1的计算结果及图7的监测结果可知，在施加主动横撑后，施工过程中塔柱的拉应力状态被消除，顶端侧向位移明显减小。设置主动横撑的方案能够有效的克服塔柱在施工过程中因自重及施工荷载等因素导致的混凝土受拉及塔柱顶部过大侧向位移。

2）斜拉桥索塔施工主动横撑设计的主要内容为横撑结构形式的选择、布设位置的选取及预顶力大小的确定。主动横撑的结构形式及布设位置应综合考虑与上塔柱在施工过程中形成稳定的框架结构及兼做施工作业平台等因素。考虑到横撑在平面内的稳定性，每一道横撑建议设置2根钢管，钢管间用型钢焊接形成平面桁架体系。在确定横撑预顶力时，混凝土的拉应力控制，虽然规范[5]建议一般控制在1 MPa内，但在条件允许的情况下应加大预顶力以消除混凝土的拉应力状态。同时应注意预顶力也不宜过大，以免横撑处混凝土产生开裂。若计算所需预顶力较大，可在塔柱与横撑连接处加强配筋，避免塔柱混凝土的开裂。

3）从监测结果来看，主动横撑方案达到了消除塔柱拉应力状态的目的。但应力计算结果与监测数值偏差较大，主要是因为有限元计算中未考虑温度、钢外壳参与受力作用等因素的影响。对于复杂受力状态下，有限元计算结果作为研究受力规律比较可靠，但其数值可能与实际值偏差较大。实际施工中应加强施工监测，如有必要应对施工方案进行修正。特别是在桥梁工程中，应重视施工监测[6]。

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[6]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京：人民交通出版社，2008. XIANG Zhong-fu.Bridge construction control technique[M].Beijing:China Communication Press,2008.

Application of initiative horizontal bracing in the construction of steel shell concrete hollow bridge tower

GUAN Bao-hua,HUANG Hai-yong
（The Fifth Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Fuzhou,Fujian 350008,China）

In the process of the main tower of cable-stayed bridge construction,the tower limb is often in a state of a certain angle.Under the action of gravity,construction load and other loads,section at the bottom ofthe upper tower column willform a negative bending moment,may make concrete in tension or the excessive deformation an the top of the tower column.Take the link bridge project of steel shell concrete hollow bridge tower in Zhangzhou China Merchants Economic&Technological Development Zone Shuangyu Artificial Island as example,design the scheme of initiative horizontal bracing by bridge calculation software Midas,and compared with the construction monitoring data.The results show thatthe appropriate initiative horizontal bracing scheme can effectively eliminate the adverse stress state of the tower column and the overlarge lateral displacement at the top of the tower column.Actual construction should be strengthened in the construction monitoring,a modification should be made for the construction plan if necessary.

tower column;initiative horizontal bracing;tensile stress;craze

U443.38

A

2095-7874（2017）02-0074-06

10.7640/zggwjs201702015

2016-09-30

2016-11-08

官保华（1988— ），男，湖北荆门人，硕士，注册一级建造师，工程师，主要从事工程技术管理与工艺技术研发工作。E-mail：450024183@qq.com