外倾式矮塔斜拉桥上塔柱施工技术

董阳阳

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

斜向双索面PC 矮塔斜拉桥是近年来新兴的一种斜拉桥形式。由于上塔柱向外倾斜，成桥之后，外倾式上塔柱的重力向外的分力完全依靠斜拉索拉应力向内的分力进行稳定，促使上塔柱最终处于平衡状态，根部不至于产生拉应力[1-2]。但是在上塔柱施工过程中，斜拉索并未安装，上塔柱的重力以及施工荷载等向外的分力导致上塔柱根部内侧产生的拉应力超过混凝土的轴心抗拉强度设计值之后，可能引起混凝土开裂，从而影响工程质量。为了减小施工过程中不平衡力的影响，就必须考虑在施工阶段采取临时支撑措施避免混凝土产生拉应力，防止混凝土开裂。

1 工程概况

丞相河特大桥主桥采用双塔双索面PC 矮塔斜拉桥现浇箱梁设计，共两联，每联孔跨布置为：（87+160+87）m。主塔外立面呈Y 形，其中上塔柱（桥面标高以上部分）高24.8m；主塔横向分左右两肢，依靠上、下横梁连接，并于桥面以下约29m处向上外倾斜，与竖直方向成22°夹角；塔顶每肢横向宽度为2.5m，纵桥向宽4m，采用C55 实心混凝土结构。上塔柱有索区斜拉索的竖向间距为1.5m，采用分丝管转向鞍通过主塔，共设置索鞍64 套，斜拉索64 道，每座主桥斜拉索共有8道，其中前六道每道由61 根钢绞线组成，其余两道每道由73 根钢绞线组成。梁面位置锚固点设置在两侧防撞护栏外侧，通过预埋索导管进行固定。

2 上塔柱施工总体部署

上塔柱分为无索区和有索区，全部采用翻模施工工艺，每节模板高度为1.5m，每次施工浇筑高度为3m。有索区施工时将原模板进行局部改造，以满足有索区施工的要求[3]。

施工时采取在梁面中心顶标高+8.5m 和+17m 两处分别设置两道横向临时支撑，同时防止塔柱发生扭曲变形，每道临时拉索在靠近大小里程面处各设置一个支撑点，上塔柱施工过程中通过预埋件与塔柱内的钢筋骨架焊接，临时支撑区模板拆除之后，穿入钢绞线经千斤顶对塔柱施加一定的水平力达到临时支撑的目的。总体部署如图1所示。

图1 上塔柱施工布置（单位：mm）

要求在有索区梁段施工之前，上塔柱必须全部施工完成，并依靠横向临时拉索进行支撑[4]。上塔柱施工过程中在上塔柱根部预埋测力元件，监测上塔柱不同施工阶段根部的受力情况，以便对上塔柱临时支撑体系的支撑力进行调整。后期根据根部拉应力的监测情况以及模型分析，二者相互对比逐一拆除上塔柱临时拉索。所有斜拉索安装完成后，上塔柱完全依靠斜拉索进行平衡。

3 临时支撑的确定

混凝土是一种受压材料，但是在承受拉应力时极易产生开裂而破坏。丞相河上塔柱设计为C55 混凝土，其轴心抗拉强度设计值为1.96MPa，也就是说无论在何时上塔柱根部产生的拉应力不得超过1.96MPa，故上塔柱受力分析时，应以1.96MPa为界限进行受力控制。

上塔柱根部混凝土截面应力控制是整个上塔柱施工控制的关键，临时支撑位置的设计、支撑力大小的确定和施加支撑力值的时间节点、支撑材料的选取尤为重要。横向支撑位置的设计是根据上塔柱在悬臂浇筑过程中根部在自重和施工荷载等的作用下不产生拉应力或产生的拉应力不至于引起混凝土开裂为原则（应留有一定的安全储备），并结合施工现场的实际情况确定上塔柱临时拉索的位置。

3.1 临时支撑力的计算和施加力的时间

3.1.1 第一道临时支撑的设置

通过建立有限元模型受力分析和力学计算得出桥面以上第四节段混凝土施工完成后（桥面中心标高+11.392m），不做任何临时支撑的情况下，上塔柱受重力和施工荷载的影响，在上塔柱根部内侧产生拉应力，其力大小为1.6MPa，模型结果如图2所示，第四节顶处位移fx= 2.4mm,fy= -2.7mm，而允许最大拉应力为1.96MPa。综合考虑现场的实际情况，计划第四节混凝土施工完成后第五节混凝土施工之前在第四节安装横向水平支撑体系（支撑体系距桥梁中心高度为8.5m）。

图2 上塔柱1～4节段模型计算

第一道临时支撑第一次施加支撑力为每个支撑点承受支撑力30t，合计支撑力为60t。通过计算可知，施加第一次支撑力60t 后塔柱根部内侧拉应力和变形值明显减小，通过模型得知，根部内侧截面位置处的拉应力由施加拉应力前的1.6MPa 减小至0.3MPa，结构变形值减小为：fx= 1.1mm,fy= -2.3mm。

第五节段混凝土施工完毕之后，由于上塔柱自重和悬臂长度均增加，导致在塔柱根部内侧产生的拉应力相应增加，塔柱根部内侧截面位置处的拉应力变为1.2MPa，结构变形值为：fx= 2.0mm,fy= -1.3mm。

因此，在第五节混凝土施工完成后第六节段施工之前对第一道临时支撑施加第二次支撑力。通过模型计算第二次支撑力为每个支撑点施加30t，合计共施加60t，此时第一道临时拉索前后共施加两次支撑力共计120t。支撑力施加完成后，通过模型计算第二次支撑力施加后前五段塔柱根部内侧截面的拉应力为0.2MPa，结构变形值为：fx= 0.3mm,fy= -0.6mm。

3.1.2 第二道临时支撑的设置

通过有限元模型计算，第七节段施工完成后，上塔柱根部截面处的拉应力为2.5MPa，模型结果如图3所示，结构变形值为fx= 6.1mm,fy= -2.9mm，超过了该塔柱混凝土的轴心抗拉强度设计值1.96MPa。故应在第七节段施工时增加临时支撑力，以减小上塔柱根部内侧的拉应力，防止混凝土开裂。通过有限元模型分析采取对塔柱设置第二道临时支撑，其距离桥梁中心高度17m处，支撑力施加依然分两次进行，第一次每个支撑点临时拉索施加30t，两束合计支撑60t。

图3 上塔柱1～7节段模型计算

通过模型分析得出，第二道临时支撑第一次施加支撑力之后，上塔柱前七节根部内侧拉应力为0.1MPa，结构变形值为：fx= -2.1mm,fy= 0.3mm。满足结构受力要求。

第八节段施工完成后塔柱根部截面内侧位置处的拉应力为1.6MPa，结构变形值为：fx= 7.8mm,fy=-3.7mm。

因此，在塔柱第八节段施工完成后第九节段施工之前对第二道临时支撑施加第二次支撑力。第二次支撑力对每个支撑点施加30t，合计60t 的力。计算可知，第二道临时支撑施加第二次支撑力后上塔柱根部内侧拉应力为0.4MPa，结构变形值为：fx= 3.0mm,fy=-1.7mm。满足结构受力要求。

第九节段施工完成既上塔柱全部施工完成后，根部拉应力为1.4MPa，模型结果如图4 所示，fx=6.6mm, fy= -3.1mm。满足结构受力要求。

通过以上分析可知上塔柱施工过程中，需要分阶段在不同荷载工况下对两道临时拉索施加临时支撑力，平衡上塔柱在自重和其他荷载作用下产生的向外的分力，从而减小上塔柱根部的拉应力，防止混凝土因承受拉应力而导致开裂。通过施加临时支撑力，可保证上塔柱的施工质量和施工安全。

3.2 临时支撑位置的设置

由图4 有限元模型计算结果可以看出，上塔柱1～4节段浇筑施工完成以后（桥梁中心标高+11.392m），上塔柱根部内侧拉应力为1.6MPa，而上塔柱混凝土的轴心抗拉强度设计值为1.96MPa，考虑一定的安全储备并结合现场的实际翻模施工节段等情况，计划在桥梁中心+8.5m处设置第一道临时拉索。

图4 上塔柱1～9节段模型计算

第一道临时拉索施加拉应力至最终设计值，且第七节段施工完成后（桥梁中心标高顶+20.058m），上塔柱根部拉应力为2.5MPa，故计划在桥梁中心标高+17m处设置第二道临时拉索，以平衡上塔柱向外的分力，减小上塔柱根部的拉应力，防止混凝土因拉应力过大而产生开裂。

第二道临时拉索施加拉应力至最终设计值，且第九节段施工完成后既上塔柱施工完成后（桥梁中心标高顶+25m），上塔柱根部拉应力为1.4MPa，小于混凝土轴心抗拉强度设计值。

综上所述，上塔柱施工共设置两道横向支撑形成上塔柱施工的临时支撑体系，平衡外倾式上塔柱的重力和施工荷载共同作用下向外的分力，减小上塔柱根部的拉应力，防止混凝土在拉应力作用下产生开裂。

3.3 临时支撑材料的选取

丞相河特大桥上塔柱外立面整体向外倾斜，重力和施工荷载向外的分力是对上塔柱根部受力情况最大的影响，所以临时支撑只需要能够抵抗向外的力即可，故选择一种能够承受拉应力，且方便施工的材料。因此采用预应力体系中最常见的钢绞线作为临时支撑材料，对塔柱左右肢进行水平对拉，在不同的施工节段使用千斤顶对钢绞线施加应力即可满足设置水平横向支撑的要求。

经建立的模型对上塔柱临时支撑力计算，两道临时拉索各承受120t 的拉应力，既每道临时拉索的每个受力点各承受60t的力。而ϕ15.24mm钢铰线抗拉强度标准值为fpk= 1860MPa，所以单根钢绞线的标准抗拉力T= 1860 × 139 = 258540N ≈ 26t。为方便临时支撑的安拆和支撑力的调整，控制每根钢绞线的最大承载力不得超过15t，故每个受力点设置5 根ϕ15.24mm 钢绞线，则每根钢绞线的控制张拉力为δK= 0.462fpk=858.46MPa。

故每个受力点采用5 根ϕ15.24mm 钢绞线，穿入ϕ内=55mm的波纹管内对左右塔柱进行对拉。

4 结语

斜向双索面PC 矮塔斜拉桥上塔柱施工过程中，随着施工高度的增加，自重和悬臂长度的加大，重力和施工荷载产生的弯矩引起上塔柱根部内侧的拉应力和位移也在增大，通过模型验算得出上塔柱施工过程中共增设两道临时拉索，每道拉索都分两次张拉施加力，每次张拉力为60t，每道拉索均设置两个支撑点以平衡施工中的荷载，才能保证上塔柱施工过程中的安全和质量。