何豐瀚，李 明，彭章良

（1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽421001；2.中交四公局總承包分公司，北京100020）

有背索斜塔斜拉橋[1-3]，其結(jié)構(gòu)受力形式更接近直塔斜拉橋，與直塔斜拉橋不同的是利用兩側(cè)索力的差異來平衡斜塔的自重，形成一個平衡體系，由于背索索力的作用，一般情況下有背索斜塔比無背索斜塔水平傾角更大。無索區(qū)段主塔施工中，受到斜塔塔身自重影響將在塔底產(chǎn)生傾覆力矩和較大的拉應(yīng)力，并隨著塔身的升高，塔柱順橋向的傾覆力矩將進一步增加，為避免出現(xiàn)過大的裂縫，無索區(qū)段塔柱施工過程中必須分節(jié)段設(shè)置背向斜撐，采用千斤頂施加頂壓平衡傾覆力矩[4-5]。本文重點探討的是主塔施工節(jié)段中 11、13、17節(jié)段內(nèi)背向斜撐的設(shè)計與施工技術(shù)。

本項目斜塔斜拉橋采用“琵琶”形斜向主塔，主塔塔身由上塔柱、下塔柱、橫梁等組成，效果圖見圖1。主塔總高126m，塔身為箱形截面，順橋向偏離鉛垂面10°，傾向岸側(cè)，共分29個施工節(jié)段，主塔施工節(jié)段劃分圖如圖2所示。

圖1 斜塔斜拉橋效果圖

圖2 主塔施工節(jié)段劃分圖

1 斜撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 支撐結(jié)構(gòu)概況

背向支撐一共有三道，每道支撐都分為左右兩個對稱部分。每道支撐都由斜、豎向鋼管，鋼管間連接、分配梁以及支撐與橋塔連接的三角架組成。第一道斜撐順橋向有三排，每排共有4根，左右八字形沿橋梁對稱布置。第一道斜撐全部落在地面上，落于地面上的橫橋向內(nèi)側(cè)斜撐距承臺中心19.39m，外側(cè)斜撐距內(nèi)側(cè)斜撐3m。第二、三道支撐落在主梁上，除未沿橫橋向傾斜外，其余布置形式均與第一道支撐相似。三道背向支撐具體布置形式如圖3所示。

圖3 斜撐總體布置圖

為利于斜撐反力傳遞到主梁現(xiàn)澆支架上，在鋼管支撐柱腳點對應(yīng)橋面位置的主梁箱室內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐。內(nèi)支撐鋼管數(shù)量、直徑同外斜撐一一對應(yīng)，內(nèi)支撐中部設(shè)一道平聯(lián)，下端與梁體內(nèi)箱內(nèi)底板預(yù)埋件焊牢固定，上端設(shè)置鋼質(zhì)卸落調(diào)節(jié)塊。內(nèi)支撐在梁體砼頂板澆筑后處于受力狀態(tài)，整個斜支撐施工和使用過程，梁體現(xiàn)澆支架始終存在。搭設(shè)第二、三道斜撐（位于橋面上）時，要等到橋面混凝土強度達到100%方可進行。

1.2 支撐建模計算

1.2.1 模型建立

大量臨時支撐結(jié)構(gòu)文獻[6]研究表明，建立臨時支撐結(jié)構(gòu)模型時，無需考慮全部荷載類型，故本節(jié)在針對臨時支撐架模型添加荷載時不考慮振搗荷載、沖擊荷載等。

將主動力、爬模荷載、自重、預(yù)應(yīng)力、風(fēng)荷載等各種荷載羅列并根據(jù)實際工況組合后運用Midas/Civil有限元分析軟件，對支撐結(jié)構(gòu)包括斜豎向鋼管、鋼管間連接和分配梁進行仿真建模[7]。結(jié)構(gòu)自重均按照1.0倍進行加載，施工荷載則按線荷載或節(jié)點荷載進行加載，支撐整體模型圖與應(yīng)力圖如圖4、圖5所示。

圖4 斜撐整體模型圖

圖5 斜撐整體應(yīng)力圖

根據(jù)Midas/Civil計算得出：

第一、二、三道背向支撐斜、豎向鋼管的最大軸力，背向支撐鋼管的最大軸力以及最大組合應(yīng)力均滿足要求。

1.2.2 各節(jié)段支撐最大組合應(yīng)力

隨著施工過程的進行，支撐的內(nèi)力也隨之變化。第一道支撐各構(gòu)件均在 13施工節(jié)段完成之后，第二道支撐未搭設(shè)之前這一階段產(chǎn)生最大組合應(yīng)力。第二道支撐各構(gòu)件最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在 17節(jié)段施工完成之后，第三道支撐未搭設(shè)之前這一階段。第三道支撐的各個構(gòu)件最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在二張拉索3這一節(jié)段。通過計算三道支撐的最大組合應(yīng)力均小于《公路鋼結(jié)構(gòu)橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）[8]所規(guī)定的鋼材設(shè)計強度275MPa，滿足要求。

1.2.3 斜、豎向鋼管穩(wěn)定性計算

φ800×10mm鋼管在支撐搭設(shè)及整個橋塔施工階段主要的內(nèi)力包絡(luò)圖可以由Midas/Civil導(dǎo)出。

鋼管最大計算長度L=5m，回轉(zhuǎn)半徑ix=279mm，長細比λ=17.9，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.978。

則穩(wěn)定性驗算：

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9]其穩(wěn)定計算應(yīng)力需滿足以下公式：

（滿足要求）。

（滿足要求）。

γx=1.15，截面影響系數(shù)η=0.7，等效彎矩系數(shù)βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.4 鋼管間連接穩(wěn)定性計算

φ273×6.5mm鋼管間連接在支撐搭設(shè)及整個橋塔施工階段主要的內(nèi)力包絡(luò)圖可以由Midas/Civil導(dǎo)出。

鋼管最大計算長度L=4.7m，回轉(zhuǎn)半徑ix=94mm，長細比λ=50，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.881。

則穩(wěn)定性驗算：

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9]其穩(wěn)定計算應(yīng)力需滿足以下公式：

（滿足要求）。

（滿足要求）。

γx=1.15，截面影響系數(shù)η=0.7，等效彎矩系數(shù)βmx=1.0，βtx=1.0。

1.2.5 整體穩(wěn)定

臨時支撐結(jié)構(gòu)是施工階段的主要構(gòu)筑物之一，由于臨時支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌而引發(fā)的工程事故屢見不鮮。在所發(fā)生的事故當(dāng)中，由于臨時支撐結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不符合要求而造成的問題最為突出[10-12]，因此整體穩(wěn)定分析必不可少。第二、四、六階失穩(wěn)模態(tài)如圖6、圖7、圖8所示，對應(yīng)的臨界荷載系數(shù)如表1所示。

圖6 第二階失穩(wěn)模態(tài)

圖7 第四階失穩(wěn)模態(tài)

圖8 第六階失穩(wěn)模態(tài)

表1 各階失穩(wěn)對應(yīng)的臨界荷載系數(shù)

2 斜撐現(xiàn)場施工安裝

2.1 測量放樣

采用坐標(biāo)法放樣，首先根據(jù)設(shè)計圖提供的坐標(biāo)進行復(fù)核，確認準(zhǔn)確性。然后利用全站儀精確放出地面（或橋面）柱腳中心位置，對應(yīng)埋設(shè)預(yù)埋件。立柱安裝前，在柱腳預(yù)埋件上放出鋼管支撐的輪廓線，離邊輪廓線30cm放一條輔助線，便于鋼管施工過程垂直度檢查。

2.2 鋼管接長及安裝

在后場完成鋼管立柱、平聯(lián)、縱聯(lián)的加工制作。為便于安裝，采用塔吊將分節(jié)好的管節(jié)逐根吊裝組拼，并設(shè)置三面纜風(fēng)繩臨時穩(wěn)定。第一節(jié)立柱安裝前對立柱底口進行修邊，并在埋件上用石筆提前畫出立柱安裝外輪廓線，立柱焊接前將立柱吊裝至埋件處進行試拼，當(dāng)立柱尺寸存在偏差時現(xiàn)場進行割除，安裝過程中嚴格控制立柱底部焊縫寬度，確保焊接質(zhì)量。立柱底部焊接完成后，使用t=12mm鋼板進行加勁，確保立柱底口與預(yù)埋件完全連接。立柱對接焊接采用坡口焊，上端立柱開設(shè)45°坡口，焊接過程中利用內(nèi)側(cè)襯管作為內(nèi)襯，確保焊接過程中熔透。接長一段用3kg垂球進行初測垂直度，滿足要求后，用全站儀精確復(fù)核，合格后再進行焊死。同樣方法，進行后續(xù)鋼管接長施工。

立柱鋼管對接焊縫施工示意圖如圖9所示。

圖9 立柱鋼管對接焊縫施工圖

根據(jù)斜撐柱腳點的位置，放出內(nèi)支撐腳點，再用塔吊將后場制作好的內(nèi)支撐一一吊運組裝，為便于拆除，內(nèi)支撐頂端設(shè)置可調(diào)鋼質(zhì)卸落塊，每根鋼管頂端放置一個。將荷載試驗合格的卸落塊分別放置在每根鋼管頂端，測量調(diào)整好高度位置，最后在卸落塊頂部對應(yīng)設(shè)置預(yù)埋件，澆筑箱梁頂板砼，內(nèi)鋼支撐處于受力狀態(tài)。

2.3 塔端及梁端預(yù)埋件制作安裝

塔端和梁端預(yù)埋件在后場制作，錨筋或型鋼錨件應(yīng)嚴格按照設(shè)計圖加工和焊接。安裝時，用全站儀在塔端對應(yīng)位置放出中心點，預(yù)埋件端面與模板面間隔5mm，并在模板上用油漆標(biāo)注清晰位置，拆模時便于查找，預(yù)埋件A上方設(shè)置三層鋼筋網(wǎng)片，用于抗剪。梁端基礎(chǔ)預(yù)埋件采用25mmHRB400螺紋鋼筋，提前將其加工完畢預(yù)埋于主梁上，鋼板厚度δ=30mm，根據(jù)預(yù)埋鋼筋位置穿孔，并用固定螺紋套筒將鋼板固定緊貼于主梁砼表面。

2.4 反力架及樁頂支架制作安裝

塔柱反力架結(jié)構(gòu)形式為三角撐，在后場分片加工，反力架橫撐、斜撐應(yīng)滿焊。檢驗合格后，用塔吊分片提升到設(shè)計位置安裝，滿焊于墩身預(yù)埋件上。樁頂支架包括：樁頂橫梁、樁頂縱梁、分配梁。由于塔吊提升能力受限，在后場先進行型鋼加勁板的焊接施工，待所有加勁板焊接質(zhì)量檢驗合格后，方可提升到位，進行型鋼之間的組合焊接，型鋼之間端頭隔板滿焊，翼緣板之間間隔點焊。

3 結(jié)論

本項目斜塔斜拉橋主塔高度達126m，在同類型橋梁中處于較高的水平。主塔的施工難度在整個橋梁中是最大的，同時也是工程量最多、危險系數(shù)最大的施工步驟。而本文重點探討的主塔背向支撐是主塔施工中必不可少的臨時支撐體系，也是整個主塔施工的技術(shù)核心所在。主塔斜撐的設(shè)計必須考慮諸多的影響因素，不僅要使支撐結(jié)構(gòu)符合力學(xué)基本原理，同時也要把現(xiàn)場的施工環(huán)境考慮在內(nèi)，以免出現(xiàn)實際與設(shè)計不符的情況，造成不必要的麻煩。