田達(dá)光

（保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

中山港特大橋呈南北走向，接S111省道，上跨科技大道并與之通過(guò)立交相接。橋位跨東河、小欖及兩者之間的半島，橋址西側(cè)現(xiàn)有一座舊中山港大橋。

主橋?yàn)椋?25+265+125）m三跨雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，全長(zhǎng)515m，為單向行駛左幅橋。斜拉索布置在主梁兩側(cè)成空間雙索面。主塔塔形為寶瓶形，采用C50混凝土。承臺(tái)頂高程為+3.5m，塔頂高程為+94.646（+97.983）m。上塔柱采用箱型截面，縱向?qū)挾葹?m，壁厚1m；橫向?qū)挾葹?.5m，壁厚0.8m。主塔兩側(cè)各分布18對(duì)斜拉索，塔上索距為1.8m，采用混凝土錨墊塊的方式進(jìn)行錨固。

2 中塔柱撐桿布置

為避免塔柱在施工過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力及位移，采用Φ820mm×12mm鋼管設(shè)置2層橫向鋼管支撐，分別位于下橫梁梁頂上方13.5m和23.5m處，每層兩根。在合攏處，采用4道H588型鋼作為內(nèi)撐，同時(shí)也作為合攏段施工的荷載承載基本構(gòu)件[1]。

方案計(jì)劃設(shè)置2層臨時(shí)撐桿，劃分成3個(gè)施工階段進(jìn)行。第一階段：無(wú)任何輔助受力的臨時(shí)設(shè)施幫助受力的條件下，依靠結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度承載自重，直至中塔柱完成第三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的施工。此時(shí)中塔柱塔頂距下橫梁頂端的垂直距離約為21.25m。第二階段：完成第一階段的施工后，在下橫梁頂端上方13.5m處設(shè)置臨時(shí)撐桿；然后再繼續(xù)完成總共高13.5m的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工。此時(shí)中塔柱已完成部分的塔頂距下橫梁頂端的垂直距離約為34.75m。第三階段：完成第二階段的施工后，在第一道臨時(shí)撐桿上方13m、下橫梁頂端上方26.5m處，設(shè)置第二道臨時(shí)撐桿；然后繼續(xù)中塔柱施工直至合攏段。此時(shí)中塔柱已完成部分總高約42.65m。

臨時(shí)橫撐隨塔柱施工依次安裝，待塔柱封頂后進(jìn)行拆除，拆除順序依次從上往下通過(guò)塔吊進(jìn)行拆除。中塔柱施工臨時(shí)橫撐布置如圖1所示。

3 塔柱結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

圖1 中塔柱臨時(shí)橫撐布置圖

主塔為寶瓶形，中塔柱向橫橋向內(nèi)側(cè)傾斜，在施工過(guò)程中會(huì)因自重而產(chǎn)生受拉區(qū)域。因此，為確保中塔柱在施工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力和變形導(dǎo)致質(zhì)量和安全隱患，需要在上橫梁施工完成且混凝土達(dá)到足夠強(qiáng)度前，設(shè)置臨時(shí)撐桿幫助受力，減小混凝土結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力。為檢驗(yàn)臨時(shí)撐桿的合適位置，采用Midas FEA對(duì)中塔柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力驗(yàn)算。鑒于混凝土的材料特性，計(jì)算結(jié)果主要關(guān)注最大剪應(yīng)力、第一主應(yīng)力和位移[2]。規(guī)范沒(méi)有對(duì)混凝土抗剪作明確要求，根據(jù)已有研究報(bào)告的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比為0.056～0.316，這里取τ=0.056×fc=0.056×50=2.8MPa?；炷寥葜厝?.6t/m3，并考慮1.2倍安全系數(shù)[3]。

3.1 第一階段結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

第一階段的模型及其工況情況：21.25m高中塔柱，模型底部施加固定約束，只加入1.2倍的自重荷載，無(wú)其他外荷載和邊界條件。

計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)在材料的強(qiáng)度范圍內(nèi)：最大剪應(yīng)力約為0.91MPa＜2.8MPa，出現(xiàn)在塔柱內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角處；最大拉應(yīng)力約為0.72MPa＜1.89MPa，出現(xiàn)在塔柱垂直段轉(zhuǎn)傾斜段的外側(cè)，即最大剪應(yīng)力極值處的對(duì)面；塔頂位移約為3.2mm。具體計(jì)算結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2可以看出，第一階段的中塔柱出現(xiàn)明顯剪應(yīng)力分布的部位主要在塔柱內(nèi)側(cè)。其中，斜塔柱部分的剪應(yīng)力值大致呈上小下大的線性變化，在直塔柱轉(zhuǎn)斜塔柱的轉(zhuǎn)角位置附近出現(xiàn)約0.91MPa的最大值；豎直部分的剪應(yīng)力普遍在0.62MPa以上。塔柱外側(cè)的剪應(yīng)力主要分布在下半段，最大值約0.39MPa，位于直塔柱轉(zhuǎn)斜塔柱的轉(zhuǎn)角位置的對(duì)面。從圖3可以看出，塔柱內(nèi)側(cè)以受壓為主，量級(jí)主要為10-2MPa，極少出現(xiàn)拉應(yīng)力。塔柱外側(cè)上方約1/3長(zhǎng)的部分出現(xiàn)數(shù)量級(jí)為10-2MPa的壓應(yīng)力，只在下方約2/3長(zhǎng)出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力。在內(nèi)側(cè)豎直面轉(zhuǎn)傾斜面的轉(zhuǎn)角位置的對(duì)面，出現(xiàn)0.72MPa的拉應(yīng)力最大值。從圖4可以看出，在模型頂部，中塔柱位移約3.2mm。

圖2 第一階段中塔柱最大剪應(yīng)力分布圖

圖3 第一階段中塔柱第一主應(yīng)力分布圖

圖4 第一階段中塔柱位移圖

3.2 第二階段結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

第二階段的模型及其工況情況：在第一階段模型的基礎(chǔ)上，于塔柱內(nèi)側(cè)13.5m高的位置對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)固定約束以模擬兩根臨時(shí)內(nèi)撐，并增加13.5m高塔柱柱體，只加入1.2倍自重荷載，無(wú)其他外荷載和邊界條件。

計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)在材料強(qiáng)度范圍內(nèi)：除應(yīng)力集中部位外，最大剪應(yīng)力約為2.37MPa＜2.8MPa，出現(xiàn)在臨時(shí)內(nèi)撐所支撐的位置附近；最大拉應(yīng)力約為1.05MPa＜1.89MPa，出現(xiàn)在臨時(shí)內(nèi)撐所支撐的位置；最大位移約4.2mm。具體驗(yàn)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 第二階段中塔柱最大剪應(yīng)力分布圖

圖6 第二階段中塔柱第一主應(yīng)力分布圖

圖7 第二階段中塔柱位移圖

從圖5可以看出，第二階段中塔柱的最大剪應(yīng)力主要分布在塔柱內(nèi)側(cè)。因模型中將臨時(shí)內(nèi)撐簡(jiǎn)化為點(diǎn)約束導(dǎo)致應(yīng)力集中，在支撐點(diǎn)處出現(xiàn)了最大達(dá)到2.37MPa的剪應(yīng)力。實(shí)際施工過(guò)程中，臨時(shí)內(nèi)撐所采用的Φ820mm鋼管通過(guò)直徑1.28m的鋼板預(yù)埋件支撐到塔柱上，接觸面積大于圖5所示的應(yīng)力集中的范圍。除應(yīng)力集中的部分之外，剪應(yīng)力數(shù)值在1.92MPa以?xún)?nèi)。

從圖6可以看出，第二階段中塔柱的拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在臨時(shí)內(nèi)撐的支撐點(diǎn)處，約為1.05MPa。塔柱外側(cè)的最大拉應(yīng)力值小于0.88MPa，位于臨時(shí)內(nèi)撐支撐點(diǎn)的對(duì)面。

從圖7可以看出，第一階段對(duì)應(yīng)的塔柱柱體頂端和第二階段對(duì)應(yīng)的塔柱柱體頂端出現(xiàn)約超過(guò)4mm位移。其中，第二階段對(duì)應(yīng)的塔柱柱體頂端位移為最大值，約4.19mm。

3.3 第三階段結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

第三階段的模型及其工況情況：在第二階段模型的基礎(chǔ)上，于塔柱內(nèi)側(cè)26.5m高的位置對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)固定約束以模擬兩根臨時(shí)內(nèi)撐，并增加約8m高的塔柱柱體，只加入1.2倍自重荷載，無(wú)其他外荷載和邊界條件。

計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)在材料的強(qiáng)度范圍內(nèi)：最大剪應(yīng)力極值約為2.45MPa＜2.8MPa；最大拉應(yīng)力約為1.59MPa＜1.8MPa；最大位移約為4.5mm。最大剪應(yīng)力極值和最大拉應(yīng)力皆出現(xiàn)在第一道臨時(shí)內(nèi)撐所支撐的位置。具體計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 第三階段中塔柱最大剪應(yīng)力分布圖

圖9 第三階段中塔柱第一主應(yīng)力分布圖

圖10 第三階段中塔柱位移分布圖

從圖8可以看出，第三階段中塔柱最大剪應(yīng)力主要出現(xiàn)在塔柱的內(nèi)側(cè)面，在臨時(shí)內(nèi)撐所支撐的位置出現(xiàn)極大值。其中，第一道內(nèi)撐的支撐點(diǎn)處的最大值約為2.45MPa，第二道內(nèi)撐的支撐點(diǎn)處最大值約為2.2MPa。實(shí)際施工過(guò)程中，臨時(shí)內(nèi)撐所采用的Φ820mm鋼管通過(guò)直徑1.28m的鋼板預(yù)埋件支撐到塔柱上，接觸面積大于圖5所示的應(yīng)力集中的范圍。除應(yīng)力集中的部位以外，結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力極值約為1.98MPa。

從圖9可以看出，第三階段中塔柱拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在塔柱的外側(cè)面，數(shù)值在1.1MPa以?xún)?nèi)。最大值出現(xiàn)在內(nèi)撐的支撐點(diǎn)處，約1.59MPa。實(shí)際施工過(guò)程中，臨時(shí)內(nèi)撐所采用的Φ820mm鋼管通過(guò)直徑1.28m的鋼板預(yù)埋件支撐到塔柱上，接觸面積遠(yuǎn)大于圖5所示的應(yīng)力集中的范圍。除應(yīng)力集中的部位以外，塔柱內(nèi)側(cè)面的最大拉應(yīng)力約為0.27MPa。

從圖10可以看出，第一階段對(duì)應(yīng)的塔柱柱體頂端和第二階段對(duì)應(yīng)的塔柱柱體頂端出現(xiàn)約超過(guò)4mm位移。 其中第三階段對(duì)應(yīng)的塔柱柱體頂端位移為最大值，約4.5mm。

3.4 臨時(shí)支撐鋼管受力驗(yàn)算

臨時(shí)支撐為受壓構(gòu)件，需考慮壓桿穩(wěn)定性。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果中邊界約束條件導(dǎo)致的約束反力可知，臨時(shí)支撐所受的最大軸向壓力約為16.1t。臨時(shí)支撐采用Φ820mm鋼管，計(jì)算長(zhǎng)度取l=16m，截面積A=2.54×10-2m2，慣性矩I=2.087×10-3m4。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，可取μ=1，得長(zhǎng)細(xì)比為55.8，查鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范附表可得穩(wěn)定系數(shù)為φ≈0.829[4]。

鋼 管 壓 應(yīng) 力 σ=16.1/（2.54×10-2）≈6.2MPa＜ φ[σ]=0.829×215≈178.2MPa故臨時(shí)鋼管支撐滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

中塔柱結(jié)構(gòu)分三個(gè)施工階段進(jìn)行驗(yàn)算分析，模擬了上塔柱“澆筑→設(shè)置第一道臨時(shí)支撐→繼續(xù)澆筑→設(shè)置第二道臨時(shí)支撐→繼續(xù)澆筑直至合攏”的過(guò)程，并分三個(gè)階段考察結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。結(jié)果表明：在整個(gè)施工過(guò)程中，上塔柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)在材料的強(qiáng)度范圍內(nèi)[5]。臨時(shí)支撐鋼管受力驗(yàn)算結(jié)果也符合受力和穩(wěn)定性要求。驗(yàn)算結(jié)果匯總表如表1所示。

表1 驗(yàn)算結(jié)果匯總表