佟志峰， 熊雷， 劉小奇， 曹鴻猷*

(1.中交第四公路工程局有限公司， 北京市 100022； 2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

相較于普通斜拉橋，獨斜塔斜拉橋不僅具有結(jié)構(gòu)輕盈、線形流暢的特點，而且傾斜的橋塔更給人們帶來不對稱的美感和強大的視覺沖擊力[1]。

然而，相較于直塔斜拉橋，斜塔由于塔身的傾斜，自重作用會對橋塔的根部產(chǎn)生較大的彎矩，從而對施工過程中臨時支撐的設(shè)計提出了更高技術(shù)要求[2-3]。目前已建成的多座斜塔斜拉橋，如中山市板芙二橋[4]采用支架和懸臂澆筑施工技術(shù)；哈爾濱太陽橋[5]采用斜塔吊裝技術(shù)；合肥市銅陵路斜拉橋[6]采用懸臂內(nèi)拉法，其優(yōu)點是能在滿足施工安全前提下降低施工成本；沈陽市富民橋[7]采用體內(nèi)勁性支架施工法，其特點是主梁與斜塔采取同步懸臂施工；南京市世紀(jì)塔[8]采用自平衡施工技術(shù)；新密市溱水路大橋[9]斜塔采用滿堂支架及預(yù)埋鋼板斜拉帶法施工。

斜拉橋為多次超靜定結(jié)構(gòu)，其施工工期長，主梁及橋塔受力復(fù)雜，影響參數(shù)眾多[10]。其施工方法和安裝過程與成橋后結(jié)構(gòu)內(nèi)力有密切關(guān)系，多種因素和結(jié)構(gòu)參數(shù)均可能對橋塔及主梁施工控制結(jié)果產(chǎn)生重要影響[11]。黃燦[12]對蘇通長江大橋進行了材料彈性模量、重量、塔高及溫度等參數(shù)影響分析，認為塔高和溫度是最為敏感的因素；劉旭政等[13]對獨塔斜拉橋多種結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，認為主梁重度值、主梁超方量及拉索索力值對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大。目前獨斜塔斜拉橋施工研究及參數(shù)影響分析已取得豐碩的成果，然而對軟弱地基條件下采用背撐支撐施工的獨斜塔斜拉橋的研究較少。鑒于此，該文以香溪河大橋為工程背景，分析支撐主動頂推力大小和背撐頂三角撐角度、主梁配重及拉索張拉力等設(shè)計參數(shù)對橋塔及支撐的影響，識別出影響空間異形獨斜塔斜拉橋的施工關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，為以后類似工程的施工設(shè)計提供參考。

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

興山縣峽口香溪河大橋為獨斜塔單索面混合梁斜拉橋，其跨徑布置為(90+238) m，如圖1所示。該橋為塔梁固結(jié)體系，其邊跨和主跨分別采用混凝土主梁和鋼箱主梁，鋼-混結(jié)合段設(shè)在主跨側(cè)距橋塔中心線11 m處。邊跨主梁采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，標(biāo)準(zhǔn)梁段高2.98 m，寬22.5 m，主跨主梁為整體鋼箱梁，梁高3 m。橋塔采用“琵琶”形斜向橋塔，塔身順橋向偏離鉛垂面10°，傾向邊跨側(cè)。主塔總高度豎向為126 m，塔身采用箱形截面，全橋共68根斜拉索。

圖1 香溪河大橋橋型布置圖(單位：m)

橋塔采用液壓爬模系統(tǒng)逐段現(xiàn)澆施工，無索區(qū)段主塔施工過程中，由于斜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，同時在斜拉索掛索過程中，水平分力的不對稱性，加劇了傾覆力矩和拉應(yīng)力的發(fā)展，為避免出現(xiàn)裂縫，無索區(qū)段塔柱施工過程中分階段設(shè)置背向斜撐，采用千斤頂施加主動頂推力平衡傾覆力矩。

當(dāng)塔柱施工高度至46、57和77 m時，施工相應(yīng)高度的橋塔背向支撐并施加頂推力，當(dāng)塔柱施工高度至81 m時開始主梁懸臂吊裝施工及張拉斜拉索。3道背向支撐與橋塔間通過三角架傳力。每道支撐在橫橋向分左右兩部分對稱布置，材料均采用Q345鋼材，支撐高度由低至高定義為支撐1、支撐2和支撐3。墩臺采用端承樁基礎(chǔ)，根據(jù)勘察資料及巖、土室內(nèi)試驗結(jié)果，該橋址表層為軟弱地基土，承載能力較低，因此在橋塔施工過程中背撐所能承受的荷載有限。

該橋為塔梁固結(jié)體系，考慮橋塔根部受力較為復(fù)雜和施工的安全性，在施工過程中橋塔的最大拉應(yīng)力不得超過1.5 MPa，支撐鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不超過250 MPa，支撐的地基承載力按340 kPa計算，鋼主梁應(yīng)力不超過規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力值。

1.2 有限元模型

采用Midas/Civil建立香溪河大橋有限元模型，主梁建模方式采用魚骨梁，主梁、主墩及橋塔采用空間梁單元模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬，橋塔處主梁通過剛性連接固結(jié)于塔墩上，混凝土主梁的澆筑支架按僅受壓節(jié)點彈性支撐模擬，樁基采用土彈簧模擬樁土間相互作用，樁基上端點與橋塔間通過鋼臂(彈性連接)連接，下端點與地面固結(jié)來模擬端承樁。全橋模型共有4 459個節(jié)點、4 909個梁單元和70個桁架單元，施工階段按實際施工過程模擬，模型中滿堂支架采用只受壓彈簧模擬。

圖2為3道背撐的細部構(gòu)造及設(shè)計參數(shù)，每個斜撐由6根φ800壁厚為10 mm的主管組成，采用φ270壁厚為6.5 mm的小鋼管通過焊接將6根主管聯(lián)結(jié)形成主體。支撐頂部的三角架由雙拼45a的工字鋼焊接而成。

圖2 3道支撐的設(shè)計參數(shù)(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

由于該橋傾斜的橋塔在施工過程中不僅受自重的影響較大，而且同時受3道背撐和分批張拉的斜拉索的共同作用，因此橋塔受力較為復(fù)雜。為確保橋塔施工全過程拉、壓應(yīng)力在規(guī)范允許的限值范圍內(nèi)，需對橋塔施工全過程應(yīng)力進行控制。此外，背撐自身的安全性也直接關(guān)系整個橋塔的施工安全，所以還需控制背撐應(yīng)力在鋼管材料允許范圍內(nèi)。除此之外，基于該橋地質(zhì)條件為軟弱地基層，承載能力較低，為避免由于橋塔背撐作用過大而導(dǎo)致基礎(chǔ)承載能力不足，橋塔背撐最大豎向力也是該橋塔施工的關(guān)鍵控制參數(shù)。

根據(jù)香溪河大橋結(jié)構(gòu)特點及施工方式，該文選取對橋塔應(yīng)力和支撐應(yīng)力及軸力影響較大的支撐主動頂推力大小和角度、主梁配重、拉索張拉力為研究參數(shù)。

2.1 頂推力大小對橋塔應(yīng)力的影響

香溪河大橋橋塔背向支撐通過千斤頂施加主動頂推力，主動頂推力過大會導(dǎo)致橋塔邊跨側(cè)拉應(yīng)力較大，對橋塔產(chǎn)生不利影響；主動頂推力過小會導(dǎo)致其豎向分力很小，不能發(fā)揮支撐對橋塔的約束作用。

根據(jù)香溪河大橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合支撐特點，原設(shè)計中3道支撐每側(cè)頂推力分別為4 000、4 800和5 500 kN。分別改變3道支撐主動頂推力大小研究其對橋塔受力的影響，分析結(jié)果如表1所示。

表1 改變各道支撐頂推力時橋塔施工過程中最大應(yīng)力

由表1可知：隨著支撐1、2、3主動頂推力增加，橋塔施工階段最大拉應(yīng)力均逐漸增加，最大壓應(yīng)力均逐漸減小，且變化規(guī)律呈線性變化。

2.2 頂推力大小對支撐應(yīng)力的影響

表2為不同主動頂推力作用下，施工過程中各背撐的最大應(yīng)力值。

表2 改變各道支撐頂推力時支撐施工過程中最大應(yīng)力

由表2可知：隨著支撐1、2、3主動頂推力增加，支撐1、2、3施工階段最大拉應(yīng)力均逐漸增加，最大壓應(yīng)力均逐漸增加。

總體而言，橋塔背向支撐施工過程中最大拉、壓應(yīng)力均隨著支撐主動頂推力增加而增大，變化規(guī)律基本呈線性變化。

香溪河大橋背撐采用Q345鋼，根據(jù)上述參數(shù)分析結(jié)果，最終3道支撐主動頂推力分別確定為4 000、5 000、5 500 kN時，所有支撐在施工階段應(yīng)力包絡(luò)結(jié)果如圖3所示。

圖3 支撐施工階段最大壓應(yīng)力包絡(luò)結(jié)果(單位：MPa)

由圖3可知：3道支撐的最大壓應(yīng)力分別為183.76、200.16和233.42 MPa，均小于Q345鋼的容許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

2.3 頂推力大小對支撐軸力的影響

3道支撐下支點與基礎(chǔ)固結(jié)，支撐軸力過大會導(dǎo)致基礎(chǔ)承受較大荷載。為了研究頂推力大小對支撐內(nèi)力的影響，采用兩種不同的主動頂推力方案進行對比，具體支撐主動頂推力大小見表3。分別得到兩種頂推力方案中3道支撐各個施工階段軸力大小，由于支撐在主梁橫斷面方向?qū)ΨQ布置，故只給出單邊支撐軸力如圖4、5所示。圖中縱坐標(biāo)表示單邊支撐軸力，橫坐標(biāo)表示橋梁施工階段(共83個施工階段)，下同。

表3 兩種頂推力方案

圖4 頂推方案1各支撐軸力

圖5 頂推方案2各支撐軸力

從圖4、5可以看出：在兩種頂推力方案中，3道支撐軸力大小不同，但其隨施工階段變化趨勢相同。根據(jù)頂推力方案結(jié)果對比可知：保持支撐1頂推力不變，在支撐2和支撐3主動頂推力分別減小2 500 kN和2 750 kN的情況下，支撐1施工階段最大軸力增加1 340 kN，支撐2和支撐3施工階段最大軸力分別減小593 kN和2 654 kN。

2.4 三角架角度對橋塔及自身應(yīng)力的影響

圖6為支撐頂部三角架的局部構(gòu)造，在頂升過程中，三角架的角度α決定了支撐對橋塔作用力的豎向分力及水平分力，該節(jié)討論α對橋塔及三角架應(yīng)力的影響。保持三角架下面的水平桿不變，通過調(diào)整斜桿上錨點的位置來改變?nèi)羌艿慕嵌?。由于橋塔軸線變化不大，所以3道支撐頂推力角度對橋塔及三角架應(yīng)力的影響是相同的，取支撐1計算結(jié)果為例。結(jié)合工程特點，設(shè)置三角架角度α由42.9°增加至72.9°，研究支撐主動頂推力角度對橋塔應(yīng)力及支撐1應(yīng)力的影響，計算結(jié)果如表4所示。

圖6 三角架的局部構(gòu)造

從表4可知：

(1) 隨著三角架角度的增加，橋塔施工階段最大拉應(yīng)力由1.91 MPa逐漸減小到1.66 MPa，最大壓應(yīng)力由10.12 MPa逐漸減小到9.85 MPa，變化規(guī)律基本呈線性變化。

(2) 支撐1施工階段最大拉應(yīng)力由116 MPa減小到95.2 MPa，最大壓應(yīng)力由122.7 MPa減小到99.8 MPa。并且當(dāng)頂推力角度為40°～60°時，支撐1應(yīng)力減小幅度較明顯，最大拉應(yīng)力減小了17.3 MPa，最大壓應(yīng)力減小了20.0 MPa；當(dāng)頂推力角度為60°～75°時，角度變化對支撐1應(yīng)力影響較小，最大拉應(yīng)力減小了3.5 MPa，最大壓應(yīng)力減小了2.9 MPa。

2.5 主梁配重對支撐軸力的影響

為研究主梁配重對橋塔背向支撐施工階段軸力的影響，設(shè)置無配重以及配重分別設(shè)置在主跨側(cè)1#～11#鋼箱梁段上的12種配重方案，每個配重方案對應(yīng)的加載位置如圖7所示。模型中主梁配重通過均布荷載施加，荷載大小設(shè)置為100 kN/m。在不同配重方案下，讀取施工階段支撐2和支撐3最大軸力。由于支撐在主梁橫斷面方向?qū)ΨQ布置，故只讀取單邊支撐施工階段最大軸力如表5所示。

圖7 主梁配重位置示意圖

表5 不同配重位置下支撐施工階段最大軸力

由表5可知：支撐2施工階段最大軸力隨著梁段配重位置從1#到11#，由11 013.9 kN逐漸減小至10 008.1 kN，當(dāng)配重位置在梁段9#時，支撐軸力最小，此時相較于無配重支撐軸力減小了1 005.8 kN；當(dāng)配重位置在梁段10#和11#時，支撐軸力又逐漸增加至10 054.9 kN；支撐3施工階段最大軸力隨著梁段配重位置從1#到11#，由11 609.5 kN逐漸減小至10 329.3 kN，當(dāng)配重位置在梁段10#時，支撐軸力最小，此時相較于無配重支撐軸力減小了1 280.2 kN；當(dāng)配重位置在梁段11#時，支撐軸力增加至10 403.8 kN。

2.6 拉索張拉力對支撐內(nèi)力的影響

由于香溪河大橋為不對稱跨斜塔斜拉橋，支撐內(nèi)力對施工過程中斜拉索的張拉力極為敏感，因此該節(jié)討論兩種斜拉索施工索力張拉方案對支撐內(nèi)力的影響。兩種拉索張拉方案中主跨側(cè)拉索拉力保持相同，邊跨側(cè)拉索張拉力不同。建立兩種拉索張拉力方案模型，每個索力張拉方案的索力值如表6所示，其中索力張拉方案2的索力值為方案1的0.8倍。得到3道支撐每個施工階段最大軸力如圖8、9所示。

表6 兩種拉索張拉方案索力值 kN

圖8 拉索張拉方案1支撐施工階段軸力

從圖8、9可以看出：兩種拉索張拉力方案中3道支撐軸力隨施工階段變化趨勢相同，支撐軸力大小不同。在拉索張拉方案1中，支撐1、2、3施工階段軸力最大值分別為8 635、10 998及11 605 kN；在拉索張拉方案2中，支撐1、2、3施工階段軸力最大值分別為7 596、8 312及8 530 kN。方案2中3道支撐施工階段最大軸力比方案1中分別減小了1 039、2 686和3 075 kN，根據(jù)兩種拉索張拉力方案及結(jié)果對比可知，減小邊跨側(cè)拉索張拉力可有效減小支撐施工階段軸力。

圖9 拉索張拉方案2支撐施工階段軸力

3 結(jié)論

該文結(jié)合興山縣峽口香溪河大橋工程，選取獨斜塔斜拉橋橋塔施工過程中支撐主動頂推力大小和角度、主梁配重及拉索張拉力為結(jié)構(gòu)參數(shù)，對施工中橋塔及支撐受力性能進行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 隨著背向支撐頂推力增大，橋塔施工階段最大拉、壓應(yīng)力均呈線性增加趨勢。支撐頂推力大小對支撐應(yīng)力有較大影響，隨著頂推力增大，支撐施工階段最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)支撐頂推力變化幅度達600 kN時，3道支撐最大應(yīng)力增量分別為26.5、18.8和20.3 MPa。支撐主動頂推力大小對支撐軸力有較大影響，在第2道和第3道支撐頂推力減小一半的情況下，支撐施工階段最大軸力分別減小593和2 654 kN。

(2) 隨著支撐主動頂推力角度增加，橋塔施工階段最大拉、壓應(yīng)力均呈線性減小趨勢。支撐主動頂推力角度對支撐應(yīng)力有較大影響，隨著頂推力角度及三角架角度增加，支撐施工階段最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力逐漸減小，且當(dāng)頂推力角度為40°～60°時，支撐應(yīng)力變化明顯，最大應(yīng)力變幅達20 MPa；當(dāng)頂推力角度為60°～75°時，角度變化對支撐應(yīng)力影響較小，最大應(yīng)力變幅僅3.5 MPa。

(3) 主梁配重對橋塔背向支撐軸力有較大影響，隨著主跨側(cè)主梁配重位置逐漸遠離橋塔，支撐施工階段最大軸力先增加后減小。當(dāng)主梁配重設(shè)置在鋼梁段9#時，支撐2軸力達到最小為10 008.1 kN，相比無配重方案軸力減小了1 005.8 kN；當(dāng)主梁配重設(shè)置在鋼梁段10#時，支撐3軸力達到最小為10 329.3 kN，相比無配重方案軸力減小了1 280.2 kN。

(4) 拉索張拉力對橋塔背向支撐軸力影響最為顯著，保持主跨側(cè)拉索張拉力不變，減小邊跨側(cè)拉索張拉力可有效減小3道支撐施工階段最大軸力，支撐3軸力減小幅度最為明顯。但在設(shè)計過程中有必要仔細比選拉索張拉力，拉力過小會影響橋塔及主梁線形以及最終成橋狀態(tài)。