孫旭東

【摘 要】本文通過對某斜拉橋塔柱施工的實例計算分析索塔施工初應(yīng)力，并采取水平拉桿、橫向支撐的形式進行消除，通過多種方式的分析計算分別確定應(yīng)力值，有效避免索塔因初應(yīng)力引起的不良現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】A型索塔；施工應(yīng)力；分析；應(yīng)對技術(shù)

1 概述

某斜拉橋7號索塔為A型索塔，索塔高121.5m，設(shè)兩道橫系梁，索塔分為上塔柱和下塔柱兩部分，其混凝土設(shè)計標號均為C50。索塔采用箱形截面，塔柱雙向變坡。

上塔柱橫橋向?qū)?.5m，順橋向?qū)?～8m，塔高76m；下塔柱橫橋向?qū)?～8m，順橋向?qū)?～9米，下塔柱高為40.5m。索塔上橫梁為實心截面，高2～2.5m，箱寬7.5m；索塔下橫梁為箱型截面，箱高2.5～5m，箱寬7.5m，頂、底板厚度0.6m，腹板厚1.2米。

2 總體施工方案

本橋A型索塔由下塔柱、下橫梁、上塔柱和上橫梁四部分組成。施工總體順序為下塔柱→下橫梁→上塔柱→上橫梁。下塔柱和上塔柱采用翻模法施工。下橫梁采用鋼管柱支承，搭設(shè)萬能桿件桁架梁承托的梁柱組合式落地支架施工。上橫梁采用型鋼托架支承，萬能桿件桁架梁承托的現(xiàn)澆施工。在下塔柱施工至一定高度后施加一定橫向拉應(yīng)力，在下橫梁施工完成后撤出。上塔柱在施工至一定高度后施加橫向水平支撐，在上橫梁完成后撤出。

3 下塔柱拉桿計算分析

本橋索塔下塔柱為倒八字形，在處于懸臂施工狀態(tài)（即塔柱橫梁未施工完成）時，其自重和施工荷載等在塔柱橫截面上會形成彎矩，可能會導致塔柱薄弱截面（如下塔柱根部）邊緣混凝土出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力而開裂，且成塔后壓應(yīng)力超出設(shè)計要求。為消除傾斜塔柱薄弱截面混凝土的不良應(yīng)力狀態(tài)，在施工過程中，設(shè)置拉桿形成反彎矩，抵消自重等產(chǎn)生的彎矩，以避免殘余應(yīng)力和裂縫。

3.1 計算條件

以高塔為例，下塔柱高40.5m，傾斜率高塔為4.154：1。施工節(jié)段劃分為10段（2.25+8×4.5+2.25），所有節(jié)段均采用翻模工藝施工。

截面混凝土應(yīng)力公式：

σ=（M/ I）y-M/A ≤Ri（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負）

式中：σ為截面邊緣混凝土的計算應(yīng)力；I為截面慣性矩；y為截面中性軸到邊緣的距離；A為截面面積；Ri為控制應(yīng)力，必須小于塔柱C50混凝土的抗拉設(shè)計應(yīng)力，取Ri=1.0MPa。

塔柱作用力分析：

①已經(jīng)澆筑的塔柱重力，混凝土重度25kN/m?。

②施工荷載。翻模（包括作用在模板上的施工荷載）按300kN 考慮，為豎直方向荷載，其作用點位于已澆筑段混凝土頂面以下約1.2m。

③澆筑下橫梁第一級時，下橫梁支架對塔柱的作用力。由于采用直板牛腿，作用力方向垂直向下。該位置鋼管進行局部加強。

④主動拉桿作用力，水平方向。設(shè)拉桿主動力為F，則拉桿產(chǎn)生的彎矩為M=F×H。截面模量暫不考慮鋼筋的作用，將其作為應(yīng)力儲備。

3.2 不設(shè)主動拉桿各工況塔肢根部截面應(yīng)力分析

下塔柱根部在內(nèi)塔壁向上收分，故底部截面比中間截面要強一些，同時計算根部截面和2號段底部截面。

3.2.1 施工工況分析

共分11個工況進行分析，分別是：3號段完成后翻模升到4號段時、4號段完成后翻模升到5號段時、……、9號段完成后翻模升到10號段時、拆除塔肢模板、安裝下橫梁支架并澆筑下橫梁第一級混凝土、第一級混凝土達到85%強度后并張拉部分底板預應(yīng)力、澆筑下橫梁第二級混凝土。

3.2.2計算模型

采用結(jié)構(gòu)力學求解器計算塔肢的內(nèi)力和位移。各單元軸線為塔肢重心線。塔肢底端設(shè)為固結(jié)。塔肢重力按豎向的指向單元的均布荷載沿單元垂直方向分布。施工荷載和支架作用力作為集中力作用到相應(yīng)位置。結(jié)構(gòu)計算見下頁圖1。

由于下橫梁底板預應(yīng)力的張拉，工況9及以后，內(nèi)塔肢根部截面內(nèi)、外邊緣的拉應(yīng)力比之前最大應(yīng)力要小，故不需計算，計算結(jié)果如表1所示：

3.3主動拉桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

3.3.1 主動拉桿設(shè)置原則如下

（1）確保能消除消除傾斜塔柱薄弱截面混凝土的不良應(yīng)力狀態(tài)；

（2）設(shè)置位置合理，便于施工操作，同時不對后續(xù)施工造成不良影響。

3.3.2拉桿主動拉力計算

由表2的計算結(jié)果可以看出，在工況3即及澆注5節(jié)段混凝土時，塔肢根部內(nèi)邊緣的截面拉應(yīng)力已經(jīng)大于1MPa，故需要在澆注5節(jié)段混凝土前設(shè)置拉桿并施加拉力，以確保后續(xù)施工的安全，又因為施工標準節(jié)段為4.5m，為了施工方便起見，在9m處設(shè)置拉桿，較為合理，同時后續(xù)拉桿也均為9m一道，便于施工操作。

σ1=My/I=Fhy/I（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負）

式中：h、y、I等參數(shù)均為固定值，設(shè)置拉桿時塔柱底面應(yīng)力由主動拉力產(chǎn)生的塔肢底面應(yīng)力和不加主動拉桿時各工況塔肢底面應(yīng)力疊加而成。

計算后得到拉桿力經(jīng)取整后為2000kN。

3.4主動拉桿結(jié)構(gòu)驗算力學模型如圖1所示，計算結(jié)果見表2。

由上表可知

最大拉應(yīng)力為：0.347MPa≤1MPa，滿足要求；

其水平方向位移遠大于垂直方向位，水平方向最大位移：3.48mm≤H/3000=40500mm/3000=13.5mm，滿足要求。

4 上塔柱橫撐計算分析

上塔柱呈“八”字型，傾斜率高塔為7.6：1，隨著塔柱混凝土的爬升，塔柱自由懸臂長度逐漸增大，塔身在混凝土自重、施工荷載、風載及日照溫差等作用下，在上塔柱外側(cè)根部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。為確保塔柱施工節(jié)段的穩(wěn)定，控制其變形，消除上塔柱根部的施工初應(yīng)力，在上塔柱雙肢間需要設(shè)水平主動橫撐。為了合理的設(shè)置水平主動橫撐，以達到消除上塔柱根部的施工初應(yīng)力，同時不至于因為水平主動橫撐力過大而導致上塔柱根部內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，需要對設(shè)置主動橫撐力的大小進行計算。這里采用專業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件midas/civil建立索塔模型進行分析，所要達到的合理狀態(tài)為上塔柱的根部內(nèi)外側(cè)應(yīng)力在各階段施加主動橫撐后應(yīng)大致相等，并同為壓應(yīng)力。主動橫撐采用桿系結(jié)構(gòu)，剛度設(shè)置為無限大，即在受力后不發(fā)生形變，而后根據(jù)桿的軸力對主動橫撐力取整，去掉無限剛度系桿單元，在同樣的位置對索塔施加取整后的主動橫撐力，計算上塔柱根部的應(yīng)力是否符合要求。

上塔柱主動橫撐以10m設(shè)置一道，其模型及計算結(jié)果如圖2所示：

由上圖的計算結(jié)果可以得出上塔柱的水平主動橫撐力如下表：

為確保施加主動應(yīng)力后能達到預期效果，在上塔柱根部埋設(shè)應(yīng)力測試元件，用以監(jiān)測施加主動橫撐前后上塔柱根部的應(yīng)力，其布置如圖3所示，布置2個測試斷面，共8個測點。

為判斷施加水平主動橫撐的效果，現(xiàn)取第一道水平主動橫撐施加前后上塔柱根部的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果為例加以分析，見表4。

數(shù)據(jù)顯示，實測結(jié)果與理論計算相吻合，誤差在傳感器測量誤差范圍內(nèi)，由數(shù)據(jù)可看出上塔柱根部外側(cè)最大拉應(yīng)力為0.215MPa，滿足結(jié)構(gòu)安全施工要求。當加第一道橫撐后，根部全截面受壓，說明施加橫撐力后，有效地改善了結(jié)構(gòu)受力，并給后續(xù)節(jié)段施工提供了足夠的安全儲備。

5 結(jié)語

通過文中介紹的兩種計算方式，均能夠準確計算A型索塔在施工過程中出現(xiàn)的應(yīng)力，采用主動拉桿或水平橫向支撐的形式有效抵消了施工應(yīng)力，并付諸于施工實踐中，確保了A型索塔的質(zhì)量符合設(shè)計及規(guī)范要求。

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