桃花峪黄河大桥主塔施工优化计算分析及应用

周小勇、杨梅枝、周童

（1.湖南湘实工程科技有限公司，湖南 长沙 410505；2.湖南雅康和一医药有限公司，湖南 长沙 410505）

1 工程概况

武西高速桃花峪黄河大桥是自锚式悬索桥，主桥采用扁平钢箱梁形式加劲梁，加劲梁采用单箱三室截面形式，主缆采用平面布置在钢箱梁两侧。

桥梁主塔为门式塔结构，包括上下游两侧塔柱、顶部和底部横梁、塔底座和塔冠。 桥塔高度为133.56m。塔柱截面采用单箱单室形式，主塔横桥向呈圆端型，如图1 所示。

图1 主塔立面图

2 施工工艺

根据主塔结构情况，主塔塔柱按每节段6m 采用液压爬模自带爬架施工。底部横梁采用落地支架方案施工，顶部横梁采用型钢托架方案施工。施工步骤为：承台施工—塔底座施工—主塔底实体段施工—液压爬模安装—下塔柱分节浇筑—主塔施工至下横梁以上8m 左右—支架法分两次施工下横梁—逐段浇筑塔柱混凝土至塔顶—托架法分两次浇筑上横梁—施工塔冠[1]。

3 主塔施工优化计算分析

采用有限元软件Midas 模拟主塔施工全过程，采用梁单元模拟，在横梁与塔柱连接处采用释放梁端约束模拟铰接，横撑与横梁采用弹性连接模拟其支撑作用[2]。

根据计算分析结果确定，考虑施工过程收缩徐变完成时，主塔横桥向及竖向位移、塔柱施工过程中横撑及连接系的最大最小轴力，以做后续施工监控过程中的指导性数据，如表1、表2 所示。

表1 考虑施工过程时收缩徐变完成时（成桥10年）主塔横桥向及竖向位移数据表

表2 塔柱施工过程中横撑及连接系的最大最小轴力

表1续表

4 主塔施工优化后施工监控

由于以下三种因素：一是主塔基础存在一定的沉降，二是主塔为钢筋混凝土结构，存在收缩徐变，三是主缆将通过主索鞍给塔顶传递较大的压力，将使得塔顶标高在成桥后相当长时间内逐渐降低直至趋于稳定[3]。

因此，塔柱施工过程中的监控重点为塔柱下横梁及塔顶预抬高量的计算，并在塔柱关键截面预埋应变传感器。而预抬高量的计算须以塔结构混凝土收缩徐变影响的有关参数的收集与整理、塔底沉降观测资料的收集为基础。

4.1 塔结构混凝土收缩、徐变影响的有关参数的收集

在每个塔距离承台顶面25m 处和塔顶主索鞍底面截面各选1 个点，安装固定棱镜，进行标高的长期观测，同时记录日期、气温及桥塔混凝土温度、具体工况等相关信息。观测工况为桥塔施工至该截面时、主塔施工每浇筑2 段后、桥塔施工完毕时、每一个比较明确的受力工况结束时、每一个比较明确的受力工况每隔10h。

4.2 塔底沉降观测资料的收集

在每个承台以上10m 处布置一个标高永久观测点，用精密水准仪观测其标高变化。永久观测点的布设方法参照规范，埋设时间为对应位置混凝土浇筑完毕后第十天。测量工况为主塔每个节段浇筑完毕后直至封顶前。通过对实际施工过程中塔底截面标高变化的测试与分析，获取塔底沉降的时变曲线，提出塔底沉降值变化的时变预测曲线[4]。

4.3 主塔底部横梁及塔顶预高量的计算

在获取了收缩徐变及沉降观测数据后，可以建立主塔及基础的有限元模型，先初定收缩、徐变及沉降的相关参数，然后考虑进行施工过程的有限元仿真计算，计算结果与实测值比较，修正相关参数，直至吻合。然后在此基础上，算到成桥十年后，确定出主塔下横梁及塔顶所需的预抬高量作为相关位置的标高控制值。

4.4 塔柱应变与温度场测试断面的选择、测点布置与测试工况

4.4.1 应变监控

考虑以下两个因素：一是塔梁交界处为塔柱截面的变化点；二是主塔根部一般为弯矩最大截面。所以选取塔梁交界附近（A 截面）、塔根附近（B 截面）及塔柱下横梁纵桥向中心截面（C 截面）为塔柱应变测试截面，见图2。

图2 应变布置示意图

4.4.2 温度监控

选择A 应变测试断面同时作为温度场测试断面，布设温度场测点。测点布置见图3，截面中心及边缘的温度计将采用光纤光栅型温度元件（9 个），其余8个采用热敏电阻型温度元件，埋设时间为对应位置混凝土浇筑前钢筋绑扎完毕后。

图3 温度测点布置示意图

每个季节选择有代表性的天气进行24h 连续观测，每1h 观测一次。根据测试结果，将非线性温度场放入仿真计算程序中，得到考虑最不利荷载和主塔最不利温度场时的主塔应力分布[5]。

5 主塔施工控制成果

5.1 主塔应力

在主塔施工相应工况下进行应力测量，实测值与理论计算值相差较小，满足设计要求。

5.2 主塔线性

在每节主塔施工完成后进行横向坐标测量，主塔竣工横向轴线坐标最大差值为6mm，满足设计要求，如表3 所示。

表3 塔柱竣工后轴线偏差实测表（单位：m）

表3续表

6 结语

在桃花峪黄河大桥的主塔施工中，针对过程进行了详尽的优化仿真计算，同时连续监测大桥主塔施工过程的结构应变、位移变化情况，为施工提供了可靠的技术保证。采用液压自爬模施工时，通过采用有效的施工控制措施，保证了施工阶段结构的安全及成桥状态下结构的线形、内力等满足设计要求。通过理论数据与实际施工数据分析比较，表明运用仿真优化计算模型对梁桥主塔施工过程进行优化计算是可行的，计算结果也很好地指导了后续施工的具体操作。实践证明，本桥主塔施工过程中，采取的施工监控措施是合理及有效的，对同型桥梁主塔施工具有借鉴意义。