新田长江大桥桥塔施工控制关键技术研究

吴凌峰

(西南交通大学土木工程学院,四川成都 100191)

桥塔是大跨度桥梁的重要受力构件。对于高度大，塔柱倾斜的桥塔来说，在施工过程中，裸塔处于倾斜悬臂状态，随着施工高度的增加，塔肢在自重、爬模及风等荷载作用下产生变形，对塔柱根部的受力产生不利影响。为保证塔柱在各个施工阶段截面应力在规定的范围内，以及使桥塔在施工过程中的变形和桥塔的成桥线形能够满足设计要求，需要对桥塔进行施工控制[1-2]。目前普遍采用的做法是：在倾斜的塔柱之间设置一定数量的主动横撑控制桥塔内力，同时设置横向预偏量确保桥塔线形[3-4]。

1 工程概述

新田长江大桥主桥为(247+1 020+280) m的双塔单跨钢箱梁悬索桥(图1)。两岸索塔均采用门式框架结构，塔柱为普通钢筋混凝土结构，横梁为预应力混凝土结构，高峰岸塔柱上游侧高177.5 m,下游侧高161.5 m，新田岸塔柱高均为177.5 m，两岸锚碇均采用重力式锚碇。

图1 新田长江大桥主桥立面布置(单位：cm)

2 桥塔施工方案及有限元建模

2.1 塔柱施工方案

塔柱采用液压爬模施工，液压爬模标准节段高度6 m，通过对塔柱节段划分优化后，最终将上游侧塔柱划分为30节，下游侧塔柱划分为27节(图2)。为确保施工阶段的桥塔应力和施工完成后桥塔的线形，采用设置主动横撑的方式对桥塔施工进行控制。临时横撑布置方案对施工安全进行和桥塔应力合理分布起着关键作用[5]。

2.2 有限元建模

采用有限元软件MIDAS/Civil建立桥塔模型，根据桥塔实际施工过程进行结构离散化，塔柱、横梁及支撑体系均用梁单元模拟，采用切线初始位移法正装计算，计算模型如图3所示。桥塔施工阶段的荷载包括自重、横梁的预应力荷载、施工临时荷载以及横撑的主动顶撑力，同时考虑温度荷载和风荷载。根据桥塔的施工过程在有限元计算中共划分为43个计算工况。

图2 高峰岸桥塔立面布置和浇筑节段划分

图3 高峰岸桥塔有限元模型

3 主动横撑方案比选

3.1 主动横撑方案

在桥塔与横撑形成的时变体系中，结构体系本身和施工荷载都在不断变化，不同的施工路径也改变着体系的边界和约束条件，导致结构的内力和变形不断地重新分布[7-8]。针对新田长江大桥高峰岸桥塔，为控制施工过程中桥塔塔柱的变形和应力，结合现场实际，拟定三种主动横撑方案：各方案的横撑布置高度相同，每道横撑均采用2根φ800×10 mm的水平钢管；与方案二相比，方案一采用不同的横撑初始顶撑力，方案三采用了不同横撑顶撑时机，具体参数见表1，以此来研究横撑初始顶撑力和顶撑时机对桥塔施工变形和应力的影响(图4)。

图4 高峰岸桥塔横撑布置方案(单位:m)

3.2 塔柱位移

三种横撑方案下，桥塔施工完成塔柱最大横向位移值见表2。由表2可知：相同的桥塔施工方案，适当增加初始横撑顶撑力可以改善塔柱内倾情况，但不宜过大，以免塔柱外倾位移过大；相同的初始横撑顶撑力，横撑的顶撑时机对塔柱横向位移影响较大，在下横梁施工前，顶撑第二道横撑，能有效控制塔柱的内倾位移。综上，从控制塔柱的横向位移的角度，方案二为较好的选择。

表1 高峰岸桥塔三种横撑方案

3.3 塔底应力

三种横撑方案下，桥塔施工过程中关键阶段的塔底应力情况如图5所示。由图5可知：三种方案在施工过程中塔底均未出现拉应力，且压应力均控制在22.4 MPa内；方案一和方案三塔底内外侧应力差较大，均大于2 MPa，方案二塔底应力分布较为均匀,应力差控制在1 MPa左右。综上所述，适当增大横撑初始顶撑力以及选择合理的顶撑时机(在横梁施工前顶撑横梁附近的横撑)，可以有效控制施工过程中塔底的应力差。因此，从控制塔底应力的角度看，方案二为较好的选择。

(b)方案二塔底应力

(c)方案三塔底应力

(d)三种方案塔底内外应力差

3.4 横撑内力

三种方案在施工过程中出现的最大横撑力见表3。三种方案在施工过程中均未出现拉力，横撑始终处于受压状态，最大横撑力出现在方案二中的第二道横撑，此时横撑的应力为74.2 MPa，在规范容许值范围内。通过计算，三种方案横撑的强度和稳定性都满足要求。

表3 施工过程中最大横撑力 kN

4 下横梁施工方案研究

悬索桥桥塔下横梁构造复杂，容易开裂，又是受力的关键部位，施工质量的好坏直接决定了桥塔的使用功能[6]。

4.1 下横梁施工方案

上下横梁均采用托架+型钢主梁+盘扣支架的支架系统(图6)现浇施工，塔梁异步施工，待爬模爬架爬升至下横梁之上时开始下横梁的施工。针对新田长江大桥，拟定了两种下横梁施工方案：

方案1：采用两次浇注、一次张拉的施工工艺。先浇筑1/2下横梁，待混凝土强度达到80 %，再开始浇筑上半部分，等后浇部分混凝土强度到达80 % 以上时张拉全部的预应力束。

方案2：采用两次浇注、两次张拉的施工工艺。先浇筑1/2下横梁，待混凝土强度达到80 % 以上时先张拉下横梁底层10束预应力束，张拉完毕再开始浇筑上半部分，等后浇部分混凝土强度到达80 %以上时张拉余下的预应力束。

图6 下横梁支架立面

4.2 下横梁应力

限于篇幅，本文仅列出施工过程中受力最不利阶段的应力计算结果，该阶段为浇筑下横梁上半部分，此时，下横梁上半部分的重量由下半部分和支架共同承受。该阶段下横梁应力计算结果见图7、图8，由图可知：方案一下横梁出现了1.71 MPa拉应力，拉应力超出了规范限值，混凝土将会发生开裂；方案二下横梁全部处于受压状态，未出现拉应力，最大压应力值为6.1 MPa，满足规范要求。

图7 方案一下横梁应力计算结果(单位：MPa)

图8 方案二下横梁应力计算结果(单位：MPa)

5 结论

本文以新田长江大桥为研究背景，针对高峰岸桥塔，提出三种临时横撑方案，两种下横梁施工方案，分别进行了塔柱的位移、应力分析以及下横梁应力分析，以选择合理的临时横撑方案及下横梁施工方案。通过分析对比，得出以下结论：

(1)三种临时横撑方案下，桥塔的位移和应力都能满足要求，从控制桥塔位移和内力的角度，方案二将是一个更合理的选择。

(2)适当增大横撑初始顶撑力以及选择合理的顶撑时机(在横梁施工前顶撑横梁附近的横撑)，可以有效控制施工过程中塔底的应力差，使塔底受力更均匀。

(3)两次浇筑，两次张拉的施工方案，可以使得下横梁下半部分受上半部分荷载时不出现拉应力，保证混凝土不出现开裂，并有较大潜力来应付温度下降所产生的弯矩；同时可以减小下横梁支架的受力，节约支架的成本，降低工程造价。