千米级悬索桥塔柱横撑施工技术与仿真分析

陈 敏

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361021）

0 引言

当建设千米级大跨度桥梁时，悬索桥往往成为首选[1]，为了满足悬索桥所要求的垂跨比，跨度千米级的悬索桥，桥塔高度往往会达到百米级别[2]。而横撑的设置会对塔柱受力有较大的影响[3]，为确保桥塔在施工过程中的安全与合理，有必要对塔柱横撑施工技术与仿真分析进行研究。吴凌峰[4]指出桥塔是大跨度桥梁的重要受力构件，随着施工高度的增加，变形增大，对塔柱根部的受力将产生不利影响。向学建[5]对果子沟大桥桥塔施工过程进行分析，指出需要对桥塔进行施工控制，才可保证塔柱线形应力和稳定性满足设计与施工要求。

本文依托新田长江大桥为主跨1020 m 双塔单跨钢箱梁悬索桥，桥塔采用门式框架结构，塔柱为钢筋混凝土结构，横梁为预应力混凝土结构。对其塔柱横撑施工技术与仿真分析进行研究，建立了主塔整体有限元模型并进行安全性验算，所得施工技术经验可为同类桥梁塔柱横撑施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

新田长江大桥全长约1.7 公里，主桥采用主跨1020 米双塔单跨钢箱梁悬索桥，北塔柱上游侧高177.5 米，下游侧高161.5 米，南塔柱高均为177.5 米，主塔单肢塔柱基础采用18×18 米的矩形承台，下设9 根直径3 米的灌注桩。

索塔采用简洁的门型塔，设置上、下两道横梁。索塔由塔柱、横梁组成钢筋混凝土框架结构，塔柱为普通钢筋混凝土结构。索塔塔柱总高169.5m，其中上塔柱高115.5m（下横梁顶至主索鞍底），下塔柱高54.0m（下横梁顶至塔座顶），为使索塔线性柔顺，索塔设置直径0.5m 圆弧倒角，提升景观效果。（索塔高度不包含鞍罩部分）

索塔两塔柱横桥向内倾，下横梁顶为斜率变化点，上塔柱内、外侧斜率均为1/29.737，下塔柱外侧斜率为1/16.285，内侧斜率为1/29.737，顺桥向上塔柱保持不变，下塔柱斜率为1/54.000。上塔柱为等截面结构，截面尺寸为8.0（顺桥向）×6.0m（横桥向）；下塔柱为变截面结构，下横梁顶线性变化至塔底10.0m（顺桥向）×7.5m（横桥向）。索塔下塔柱底部5.0m 范围设置实心段，上塔柱顶部设置4.5m 的实心段。

2 塔柱横撑设计及安装

2.1 塔柱结构形式

塔柱采用箱式结构，上塔柱壁厚为1.0m，下塔柱壁厚1.2m，塔柱与横梁相交处壁厚增加为1.6m。为降低索塔内外温差，改善通风状况，在塔柱横桥向内、外侧塔壁沿中线处均设置通风管。通风管采用φ7.5cm 的PVC 管作为通气孔，通气孔沿塔高度按5m 间距布置，通风孔由内向外向下倾斜5%。为便于通行和检修维护，塔柱在桥面处、塔内隔板及上、下横梁顶面均设有人孔，塔柱、横梁、塔内隔板的人孔均相互连通。

塔柱根部混凝土截面应力是控制水平横撑设计的关键因素，水平横撑间距是塔柱悬臂施工过程中，塔柱各截面不产生拉应力的最大悬臂高度，该高度还要满足施工工艺及施工空间要求。

2.2 塔柱水平横撑设计

为了保证对主塔的弯矩及应力控制，经计算在主塔施工过程中应设置3道水平横撑，下横梁不单独设置横撑，上横梁设置3 道水平横撑，第1 道水平横撑距下横梁顶13m，第2 道水平横撑距第1 道水平横撑40m，第3 道水平横撑距第2 道水平横撑40m。横撑采用2zφ1000mm×12mm 钢管，在横撑位置相应节段施工完成且满足相应工艺的构造要求后即安装横撑，水平横撑位置见下图1。本方案水平横撑的设计主要满足塔柱施工阶段应力水平的控制，水平横撑最终具体要求以监控单位的要求为准。

图1 类似工程水平横撑

2.3 塔柱水平横撑施工

2.3.1 安装施工

塔柱水平横撑安装前，两塔柱内侧先安装施工操作平台和施工通道，然后安装锚板、支座，最后利用塔吊吊装水平支撑。水平支撑定好位后用千斤顶顶升至设计吨位，焊接连接构件固定。

2.3.2 水平顶推力施加

根据监控单位的最终结果，确定是否施加顶推力，以及施加顶推力的大小。如需施加顶推力，则采用液压千斤顶在水平横撑一端同步分级施加。水平钢管施加力的同时应观测水平横撑的挠度和塔柱的变形情况，顶力满足要求后，停止施加力，用连接型钢将钢管与横撑支座焊接固定，然后千斤顶回油、卸落。

2.3.3 水平横撑拆除

水平横撑系统拆除采用塔吊配以卷扬机进行。横撑系统拆除时先拆剪刀撑、走道栏杆，后拆除钢管。钢管拆除时，分段割除连接型钢，逐步释放钢管内力，待连接型钢全部割除后切割固结端连接，而后用塔吊和卷扬机起吊钢管。

水平横撑拆除顺序：先放松水平支撑力→拆除水平联杆→拆除水平钢管→拆除支座、锚板和牛腿。

下横梁施工完成且张拉完毕后，即可拆除其下水平横撑系统；上横梁施工完成且张拉完毕后，可拆除剩余全部水平横撑系统。

3 仿真分析

下塔柱段不单独设置横撑，上塔柱段设置三道横撑，横撑采用两根φ 1000mm×12mm 钢管，在横撑位置相应节段施工完成后立即安装横撑。

3.1 计算参数

3.1.1 荷载统计

1.风荷载

万州地区10年重现期基本风压ω0=0.2kN/m2。

距地面10m 处风荷载标准值：ωk=μzμsω0=1.0×1.4×0.2=0.28kN/m2

2.主塔塔柱自重荷载

塔柱混凝土荷载取26kN/m3。

3.横梁施工时托架荷载

横梁托架荷载计算情况如下图2 所示。

图2 上横梁托架荷载

3.1.2 塔柱截面特性

1.下塔柱底部标准断面参数：A=36.2m2，Wx=7.13×1010mm3。

2.下塔柱上部标准断面参数：A=27.8m2，Wx=4.07×1010mm3。

3.上塔柱标准断面参数：A=24.0m2，Wx=3.73×1010mm3。

3.2 计算模型及荷载

采用MIDAS CIVIL 软件对主塔整体建模计算，计算模型见下图3。

图3 主塔整体模型

3.3 计算分析

主塔横撑设计分五个工况，如下概况进行设计计算。

工况一：塔柱施工至下横梁以上。

由计算结果得出，主塔弯矩M=1.21×105kN·m，主塔轴力Fx=6.49×104kN。

工况二：塔柱下横梁施工完成，塔柱施工至可安装第一道横撑位置。

由计算结果得出，主塔弯矩M=2.1×104kN·m，主塔轴力

工况三：塔柱施工至可安装第二道横撑位置，未安装第二道横撑。

由计算结果得出，主塔弯矩M=4.23×104kN·m，主塔轴力Fx=4.08×104kN。钢管内支撑最大组合应力为45.3N/mm2＜215N/mm2，强度满足要求。

工况四：塔柱施工至可安装第三道横撑位置，未安装第三道横撑。

由计算结果得出，主塔弯矩M=4.05×104kN·m，主塔轴力Fx=6.95×104kN。钢管内支撑最大组合应力为60.3N/mm2＜215N/mm2，

工况五：塔柱施工上横梁，已安装第三道横撑。

由计算结果得出，主塔弯矩M=6.56×104kN·m，主塔轴力Fx=9.69×104kN。钢管内支撑最大组合应力为53.9N/mm2＜215N/mm2，强度满足要求。Fx=2.6×104kN。强度满足要求。

施工完下横梁后，上塔塔柱固结点取下横梁位置。

3.4 各工况混凝土塔柱应力计算

经计算，工况1-工况5 时塔柱截面边缘应力外缘分别为-0.09Mpa、-0.56 Mpa、-0.66 Mpa、-1.91 Mpa、-2.43 Mpa，内缘分别为-3.49 Mpa、-1.64 Mpa、-2.74 Mpa、-3.89 Mpa、-5.65 Mpa。

4 结论

（1）计算结果说明，塔柱在各施工工况下内外侧混凝土均未出现拉应力，塔柱横撑钢管在各施工工况下强度均满足要求。

（2）本桥塔柱共设置三道横撑，横撑应在塔柱对应节段施工完成后及时安装，横撑预顶力由施工监控单位根据塔柱线型控制给出，并听从监控单位指令施加预顶力。

（3）新田长江大桥塔柱横撑施工技术目前已成功应用，实际效果良好。可为以后类似的工程提供新的思路，具有较强的借鉴和指导价值。