花江峡谷大桥索塔主动横撑设计及验算结果分析

吴朝明

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

1 工程概况

主动横撑是为确保塔柱施工过程的安全性而采取的重要临时设施。六枝至安龙高速起点位于关岭县与贞丰县交界处的花江峡谷大桥5号索塔处，与第LATJ-7合同段相接，设计起点桩号为K61+235，路线往南布线，以悬索桥跨越北盘江，标段截止时桩基的桩号为K64+300，与第LATJ-9合同段相连接，道路长度共13.065km。

花江峡谷大桥为六枝至安龙高速公路项目控制性工程，桥梁全长2890m，安龙岸索塔塔柱为内倾斜式，上部的倾斜率内侧和外侧一致，倾斜率为1/56.0714，下部的倾斜率内侧与外侧不等，分别为1/157.7367、1/30.3624。索塔塔柱的底部高程为1051.987m，塔柱的顶部高程为1255.987m，总高度为204m。塔柱采用六边形空心箱形断面，纵桥向为变宽截面，上塔柱宽度由9m按1/169.4525的坡率渐变为10.8m，下塔柱由10.8m按1/62.6667的坡率再渐变为塔底12.3m；水平横桥方向的上塔柱为等宽截面，横向尺寸为7.5m，下塔柱为变宽截面，横向尺寸由7.5渐变为8.75m。上塔柱在纵桥方向上和横桥方向的柱壁厚度存在20cm的差值，在纵桥方向上的柱壁厚度为1.2m。与上塔柱柱壁厚度相比，下塔柱部分在纵桥方向上的厚度均为1.4m。塔顶处设置6m厚实心段，塔底处设置3m厚实心段。塔顶设置塔冠，形成由钢筋混凝土为主要材料的主索鞍鞍罩。

2 主动横撑设计

2.1 临时支撑设置情况概述

安龙岸索塔设计桩号K62+655，采用群桩基础，单桩直径为3.6m，群桩基础的布置形式从主线前进方向来看为4排，4×3共计12根人工挖孔桩；承台布设为矩形，尺寸为20.6m（横桥向）×28m（顺桥向），高度为8m，承台间由地系梁连接。

根据施工图纸的设计要求，塔柱向内倾斜，随着倾斜角度和高度的不断增加，从而形成悬臂状态，且斜率值要高于普通水平。在悬臂状态下塔柱自身会因受力不均匀产生偏心压力，当偏心受力过大时会在根部位置产生影响混凝土整体性的较大弯矩。当弯矩过大时会在混凝土底部位置形成裂缝，伴随着塔柱偏位的现象，弯矩是否对混凝土产生影响的主要依据是极限抗拉强度是否超过C55级混凝土的强度。裂缝的产生会严重影响到结构的稳定性，因此为避免这种现象的产生，需要在索塔塔柱的施工节段加入主动横撑作为临时的支撑体系。以此抵消因为塔柱自身重量产生的偏心压力，防止混凝土裂缝的产生。同时临时支撑体系也能控制塔柱的变形，起到稳定结构的作用[1]。

2.2 临时支撑位置的确定原则

临时支撑杆方位的确定主要是根据悬臂状态下塔柱底部浇筑混凝土时，在塔柱自身重量和施工产生的荷载作用下混凝土不产生裂纹与塔柱轴线偏位在规定范围内的最大悬臂高度。通过参考初步计算的结果、索塔的横梁支架施工要求和工艺参数，索塔在施工时共需设置7道水平撑杆，水平撑杆由两根φ 630×14mm钢管和I32b工字钢平联组成，φ630×14mm钢管与塔柱间采用预埋件连接，撑杆设计为主动受力形式。

（1）温度的影响

索塔结构使用C55级混凝土，C55级混凝土具有以下性能：其热膨胀系数为1.0×10-5，主动横撑的材料采用Q235级钢材，其材料性能中热膨胀系数为1.18×10-5，由于混凝土和主动横撑的热膨胀系数比较接近，所以由温度变化引起的索塔各结构变形很小。温度对组成的整体框架的应力同样很小，所以在主动横撑的设计时可不考虑温度产生的影响。

（2）主动力的确定

根据公式（1）和（2）计算：

当施加应力后，水平横撑与塔柱形成了一个基础框架，在这个框架上部的自重荷载对支承位置的塔柱混凝土作用最为显著，反观下部的塔柱受到影响的区域就很小，因此在每次施加主应力时要按照前一次施加应力处结构所在的自由面为基准，主动力与后续施工节段塔柱荷载的弯矩尽量达到平衡，以此为计算原则近似计算每道横撑主动力。

2.3 钢管横撑安装施工

钢管横撑由厂家定尺加工，现场使用法兰对接，支承与主体结构之间采用焊接的连接方式。在塔底将两根钢管采用I25平联焊接连城整体，利用塔吊提升安装。

为保证横撑安装方便，在前期塔柱施工时，同步搭设横梁支架，利用横梁支架安装临时支撑固定横撑，待一道横撑安装完成并施加主动荷载后，采用型钢将横撑与索塔连接成整体，再将横撑与横梁支架焊接。图1为横撑施加主动荷载及固定示意图。

图1 横撑施加主动荷载及固定示意图

施工注意事项：

（1）横撑钢管在厂家加工，运至现场后与I20b工字钢焊接加工成桁片，在塔底完成加工制作，保证加工制作精度，为防止钢管在使用过程中出现应力集中的情况并确保焊接的品质，最后必须经过质量验收才能进入工地使用。

（2）千斤顶施顶应在清晨施加。

（3）施顶分三级进行，每次施顶荷载及位移记录都需独立记录，顶推到设计施工荷载后，焊接连接型钢将横撑与塔柱连接牢固。

（4）不同施工阶段要做好相应的塔柱位移记录，并与监控单位对接，了解在不同条件下施工时以及不同的施工阶段塔底应力，一旦出现异常立刻进行调整。特别是在设置钢管主动横撑前后，此时的位移和荷载的关系与其他施工阶段存在明显差异[2]。

3 计算说明

安龙索塔准备设置七道钢管主动横撑作为临时的支撑体系满足施工要求，塔柱下部不设置临时支撑，所有的钢管临时主动横撑都放置在塔柱的上部，第一部分的钢管主动横撑距下横梁16m，剩下钢管主动横撑之间的间隔均为20m。

3.1 设计依据

按照《六枝至安龙高速公路工程两阶段施工图设计》；《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650—2020）；《钢结构设计标准》（GB50017—2017）；《路桥施工计算手册》中的相关标准进行设计。

3.2 计算参数

3.2.1 材料特性

钢材容重：γ=78.5kN/m³弹性模量：E=206GPa

混凝土容重：26kN/m³

3.2.2 材料力学性能

钢管力学性能见表1。

表1 钢管力学性能表（容许应力）

C55混凝土轴心抗拉设计值为1.89MPa。

4 水平主动横撑验算

4.1 荷载计算

主动横撑验算仅考虑C55混凝土自重，结果自动计算，考虑到施工模板荷载，将其全部加在混凝土自重中，加自重荷载时，取1.2倍[3]。

4.2 横撑计算结果

施工阶段验算结果见表2。

表2 施工阶段各项指标验算结果

水平主动横撑验算：水平主动横撑用Φ630×14钢管，其相关参数为：A=270.681cm2，Ix=128574.344cm4，i=21.784cm，轴向允许应力为215MPa。

经过强度验算：其最大轴力为Nmax≤Af=27068.1×215=5819.64kN，由上述结果，轴力均小于Nmax，所以七道水平主动横撑的强度均满足规范要求。

6 结语

经过计算，可以看出塔柱在各施工阶段其水平横撑的强度均满足规范要求，塔柱倾斜度小，承载能力强，结构稳定安全。施工阶段共设置七道横梁，每道横梁的拉应力和倾斜度均满足规范要求。花江峡谷大桥塔柱主动横撑施工技术已应用成功，施工现场可操作性高，支撑情况良好。可以为以后同类桥梁索主动横撑的施工提供理论支撑。