嘉鱼长江公路大桥索塔应力及线形施工控制

裴山，陈常松

(1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉 430056；2.长沙理工大学 土木工程学院)

1 工程概述

嘉鱼长江公路大桥是武汉城市圈环线高速公路西环孝感～仙桃～咸宁段的控制性工程，桥梁全长4 660 m，嘉鱼长江公路大桥主桥为主跨920 m的混合梁斜拉桥，跨度组合为(70+85+72+73)m+920 m+(330+100)m，主桥北边跨采用预应力混凝土箱梁,长312.5 m，中跨和南边跨采用钢箱梁，钢混结合段在北塔江心侧12.5 m处，钢混结合段长度为8.5 m，全桥共120对斜拉索，南塔高251.41 m，北塔高235 m，总体布置图如图1所示。

图1 嘉鱼桥总体布置图(单位：cm)

北索塔上塔柱高度79 m，中上塔柱结合段高度26.45 m，中塔柱高度98.395，中下塔柱结合段高度21.265 m，下塔柱高度7.9 m，如图2所示。桥塔采用 C50混凝土，除下横梁为全预应力混凝土构件外，其余部分均为钢筋混凝土构件。中上塔柱采用液压爬模施工，下塔柱采用塔梁异步施工，横梁浇筑完成中下塔柱连接段施工并张拉第一批预应力，中塔柱每施工4个节段后安装主动横撑，上塔柱按4.5 m节段施工并安装钢锚梁。

图2 北索塔立面图(单位：cm)

对于超高索塔结构有效地控制应力和线形尤为重要。为了有效降低嘉鱼桥北塔下塔柱根部外侧在张拉第一批下横梁预应力束产生过大的拉应力，采用了低温合龙索塔下横梁的方法，目前这种方法在同类索塔施工中鲜有应用；主动横撑安装过程中计入温度及焊缝收缩影响，有效解决了主动横撑顶推不到位的问题；采用双棱镜法对温度影响量进行修正，为索塔全天候施工放样提供条件。

2 有限元模型建立

利用Midas和BDCMS有限元软件建立嘉鱼长江公路大桥北塔索塔结构施工模型，节段划分高度与实际施工节段一致，标准节段高度4.5 m。索塔模型均采用梁单元进行模拟，主动横撑按照实际刚度考虑，约束条件为：主动横撑与塔柱之间采用刚性连接。基础固结，基础与承台、中塔柱与上塔柱均为刚性连接，支架用弹性连接中仅受压约束方式。下横梁与中下塔柱结合段连接采用带刚臂单元进行模拟，避免了普通梁单元模拟的不准确性。主动横撑的轴力以温度荷载的形式施加，避免顶推力以集中力施加在塔柱上。分阶段施工模型中计入爬模荷载、收缩徐变等作用。全索塔模型中共划分131个节点，136个单元。

3 索塔应力及线形施工控制

3.1 下塔柱施工过程中的应力

通过有限元Midas计算分析，在张拉索塔下横梁第一批预应力束后下塔柱根部外侧拉应力为4.2 MPa，远超安全允许值。针对下塔柱根部外侧应力过大情况，同类型的索塔下塔柱施工中采用了设置横向拉杆方法，但由于嘉鱼桥索塔下横梁支架在设计初期并未考虑横向拉杆的布设空间，在设置上存在一定困难且操作复杂。基于施工方便与结构安全的考虑，采用减少第一批索塔下横梁预应力束，并在低温条件下合龙索塔下横梁的方法。对下塔柱施工工序进行调整，待5～6节段浇筑完成后，在0 ℃条件进行索塔下横梁合龙，然后张拉第一批一半的预应力束。设计基准温度为15 ℃，模型计算中采用降温15 ℃后进行索塔下横梁合龙，再张拉预应力束，调整后的下塔柱应力如图3所示。

由图3可知：预应力束仅张拉一半后，下塔柱根部外侧的最大拉应力从原来的4.2 MPa减少至1.5 MPa，虽有效地减少了下塔柱根部应力偏大的情况，但结构偏不安全。若北索塔下横梁采用低温合龙后再张拉预应力束，塔柱根部外侧拉应力进一步减少，由1.5 MPa减少至0.1 MPa，根部外侧应力维持在较低的水平，有足够的安全储备。低温合龙下横梁利用在温度较低的情况下进行下横梁连接而气温升高进行预应力的张拉，结构在升温过程中将产生伸缩或轴向变形产生附加内力。对塔壁有向外的轴力能部分抵消第一批预应力束张拉产生的向内侧的轴力；另一方面，低温条件充分释放混凝土收缩徐变对下塔柱根部的约束，从而增加塔柱根部外侧的压应力储备。现场施工时选择温度较低的1月份进行下横梁的连接合龙，嘉鱼桥所处地区此时间段温度为0 ℃左右，故选择气温回升的3月份，温度为15 ℃左右的有日照中午进行第一批预应力的张拉。嘉鱼桥索塔已于2018年7月完工，结果显示北索塔下塔柱根部受力性能良好，表面无明显裂缝产生。

(a)仅减少预应力束

3.2 主动横撑的安装

对于双向倾斜的钻石形索塔，在施工过程中索塔截面受力最不利位置受到已浇筑节段的自重作用和施工荷载法向分力弯矩叠加导致截面产生过大的拉应力。为保证索塔结构在施工中的安全性和可靠性，在上下游塔柱之间安装临时横撑并施加一定的顶推力。对中塔柱应力控制关键在于主动横撑的安装，由于对中塔柱应力监测存在困难，所以对主动横撑的安装控制重点是精细化计算和可靠的施工措施，以确保施加的力顶推到位。

应用影响矩阵法确定各道主动横撑最优顶推力，由于主动横撑连接过程中会受到温度的影响，需要计入温度因素。在安装主动横撑工况对结构进行升温10 ℃和降温10 ℃的分阶段模型计算中，可求单位升降温对施加主动顶撑力大小的影响从而确定温度系数。横撑顶推采用液压顶推控制，为了解决液压方式工作期间油压千斤顶持力效果不理想的问题，在顶撑力施加到目标值后，将主动横撑与预埋板间进行焊接，但焊接过程中会出现焊缝收缩等状况，需对焊缝收缩影响顶推力进行补偿，在地面进行焊接试板试验得到焊缝收缩量。计入温度焊缝收缩后最终预顶力计算公式如下：

(1)

式中：ΔL为焊接变形长度；L为横撑长度；ΔF为超顶力；EA为轴向刚度；k为温度修正系数。

依此方法可以确定第1～5道主动横撑实际需要施加的顶推力分别为4 060、4 200、3 750、1 930、2 120 kN。主动横撑安装时需保证上下游塔柱施工到同一节段，避免主动横撑顶推后塔柱产生不均匀的内力。在施力过程中如果发现力值有下降的情况，应适当施加部分顶推力。主动横撑预顶力施加完成后，须在同一均匀温度场中立即将主动横撑与上下游塔柱连接。如果环境温度偏离15 ℃，则实际预顶力需要按式(1)进行修正。主动横撑施加顶推力和焊接工作选择在均匀温度场进行。为了缩短主动横撑与塔壁焊接的时间，应先将主动横撑一端与塔壁先行焊接好，另一端自由，一旦预顶力施加到位后，再将主动横撑的自由端与塔壁焊接，完成主动横撑与索塔两塔肢的快速可靠连接。主动横撑安装过程中关键截面的应力及轴力变化见表1。

表1 主动横撑安装应力变化

由表1可知:安装5道主动横撑过程中，关键截面的拉应力均小于1 MPa，最大值为0.7 MPa，出现在第2道主动横撑安装后中塔柱底部截面外侧，索塔施工过程中的危险状态出现在索塔节段施工最大悬臂状态。在第5道主动横撑安装后，关键截面处于全面受压状态，索塔结构具有足够的安全保证。值得注意的是，主动横撑在安装过程中最大轴力出现在下一道主动横撑安装前，此时塔柱处于最大悬臂状态。

3.3 主塔线形控制

夏季施工温度对立模位置的影响较大，特别是太阳直射造成日照温差的影响尤为明显。由于塔身温度场变化(相对于设计基准温度)导致塔身空间位置发生偏移，这种偏移随塔身高度的增大而增大。嘉鱼长江公路大桥主塔高度超过200 m，温度变化的影响不能忽视。嘉鱼长江大桥主塔6～11月份施工高峰期，根据当地气象资料显示：10月份最高气温仍然高达34°，最低气温为18 ℃，昼夜温差大。如果选择回避温度方法，模板的放样只能在晚上进行。基于节约工期和施工精度的考虑，嘉鱼桥主塔施工过程中选择了双棱镜追踪的方法。

3.3.1 追踪棱镜方法

在塔柱相邻节段或相近节段预埋件适当位置焊接安装两个追踪棱镜, 传统方法安装的都是单个棱镜，但是对于空间坐标仅靠一个点确定预偏量是否准确有待商榷，以棱镜点坐标变化来替代立模坐标是不准确的，因为棱镜点与立模点间存在一定的高差，选择两个棱镜观测点可以确定一条平面直线，通过两点坐标反算实际立模点的预偏值对立模点控制坐标进行修正。追踪棱镜法的流程是：在塔柱爬模系统爬升后次日凌晨时段或温度影响较小时段对两个棱镜观测点进行测量确定基准点位置，具体到模板放样时再次测量两个追踪棱镜并对偏位进行实时修正，获得实时模板放样目标点的放样坐标，具体流程如图4所示。

图4 追踪棱镜法流程图

3.3.2 索塔线形控制成果

为了了解塔柱在温度影响下的偏位情况，在中塔柱上布置棱镜测点，进行24 h观测，观测结果如图5所示。用追踪棱镜法模板放样工作在全天都可以进行，但为了保证施工控制的可靠性，模板验收依旧选择夜间进行(或无温差影响时)，对于成品验收也需要采用追踪棱镜的方法进行温度影响修正。应用追踪棱镜法后索塔偏位如图6所示。

图5 测点24 h内偏位变化

图6 索塔偏位

由图5可知:塔柱在温度影响作用下发生较大偏移，最大偏移量达到16 mm，出现在下午14:30左右，并且索塔高度越高，温度场变化越剧烈，变形量越大，在凌晨03:00～07:00影响较小基本可以忽略，温度影响表现出一定的滞后性，在该时段立模放样可以不进行温度修正，成品验收在非忽略时段和模板放样一样也要进行温度修正。由图6可知：使用追踪棱镜法后塔柱成品偏位大部分控制在10 mm以内(Δx表示顺桥向偏位，Δy表示横桥向偏位)，最大偏移量出现在横桥向，最大值为13 mm。应用双棱镜追踪法，能够有效地控制索塔温度影响偏位，索塔节段绝大多数成品误差控制在1 cm以内。

4 结论

以嘉鱼长江公路大桥北塔为工程背景，对索塔应力及线形进行施工计算分析与控制，得出以下结论：

(1)由于下塔柱在张拉第一批预应力后外侧拉应力过大，采取了减少第一批预应力张拉束并采用低温下合龙索塔下横梁的技术，下塔柱根部外侧应力水平降低，有效地控制了应力水平。

(2)主动横撑安装过程中温度和焊缝收缩对顶推力影响明显，通过精细化计算和可靠的施工措施以确保施加的力顶推到位，结果表明中塔柱应力控制在安全水平。

(3)温度对塔柱的偏位影响在下午14:00时最大，在凌晨03:00～07:00影响较小，可以忽略，应用双棱镜追踪法能够很好地消除因温度影响造成立模控制点的偏位，嘉鱼桥索塔节段绝大多数成品误差控制在1 cm以内，索塔线形控制较好，目前嘉鱼桥索塔于2018年7月施工完成，结构线形控制满足规范要求。