泸州黄舣长江大桥 试论黄舣长江大桥4#索塔中塔身横撑设计

　　摘要:斜拉桥内收型索塔在施工过程中，随着塔身高度增加，在没有外部支撑的条件下，塔肢外侧根部砼将产生逐步递增的拉应力，当拉应力达到一定值后塔身外侧砼将开裂，施工中一般采取设置钢管横撑并顶推塔身内侧来消除上述拉应力。本文以黄舣长江大桥4#高塔中塔身横撑设计为例，归纳总结塔身横撑系统设计的思路及要点。
　　关键词：中塔身；横撑；顶推；假设
　　中图分类号：U44 文献标识码：A
　　1工程概况
　　黄舣长江大桥位于四川省泸州市，为十跨连续梁半漂浮体系高低双塔双索面混合梁斜拉桥，其中高塔塔高210m，低塔塔高123.5m，主跨径520m。4#塔为高塔，中塔身高100m，塔身倾角，分为22个节段浇筑，每节段斜向长度4.5m，横撑分布见下图：
　　图1.14号索塔中塔肢水平横撑立面布置图
　　2 施工方法简介
　　水平撑采用在塔身上预埋埋件，并焊接托架平台进行钢管桩水平撑的安装，托架平台的焊接及钢管桩的安装利用液压爬模的下吊架平台进行。钢管桩安装完成后，采用两台100T液压千斤顶对称同步施加顶推力，顶推位置均选择在同一侧塔肢，千斤顶顶推示意图如下：
　　图2.1钢管桩横撑顶推示意图
　　顶推过程中需由测量观测两侧塔肢的位移变化情况，当达到设计顶推力后停止施加主动力，此时用φ720×δ10mm钢管桩割成的连接Half钢板将水平横撑焊接固定，然后千斤顶回油卸荷，千斤顶从横撑顶部的预留孔取出。
　　3塔身横撑设计原理分析
　　塔身具有向内倾斜角度，将会由重力G在其界面上产生弯矩，由此塔身外侧产生拉应力，并致使塔身变形。由此，我们应首先找出控制条件：
　　假设塔身根部内外侧应力大小平衡。
　　假设塔身横撑支点位置无横向位移。
　　根据上面的两个假设控制条件，进行两种计算，并最终得出合力设置。
　　4以第一种假设（应力）控制计算
　　塔身外侧根部应力由两部分应力叠加而成，即由垂直于塔身方向的分力G1产生的弯矩形成的弯曲拉应力与沿着塔肢方向的分力G2形成的轴向压应力之差（轴向分力按轴心受压考虑），则在自重下塔肢应力计算公式为：
　　
　　
　　――应力（正值为拉应力，负值为压应力）；
　　M1――重力垂直于塔身方向的分力产生的附加弯矩；
　　I――截面惯性矩；
　　Y――计算截面受拉边缘到中性轴的距离；
　　G2――重力沿着塔身（轴向）方向的分力；
　　A――计算截面的面积；
　　计算时液压爬模等施工荷载按300KN考虑，在未施加主动预应力的情况下，各节段浇注后中塔肢外侧根部应力计算结果如下（正值为拉应力，负值为压应力）：
　　可见，中塔肢浇注4节后（对应第12浇注节段），外侧根部砼即出现拉应力，针对塔身应力状况以及塔身爬模施工工艺、塔身几何结构，确定在第12节段顶部设置第一道横撑，以后每4节段设置一道横撑。
　　针对公式，我们可以得到，只要使M1为零，对于同一计算截面最大最小值均为，即塔身全截面只受σ轴心压力，此为最理想的受力状态。所以，我们只需要计算出使塔身根部M1为零的水平横撑力。计算时，考虑到爬模施工，中塔肢必须浇注5个节段后才能在第4个节段进行对撑，因此，计算时应考虑5个施工节段（含爬模等施工荷载）。
　　以9~13节段为例计算：
　　节段长度，第一道横撑力F作用在4处，前5节段重力G（重心为9.6m高，为简化计算设重心为2处）。
　　图4.1第一种方法塔身受力分解简图及有限元模型示意图
　　由上图力分解以后，得到弯矩平衡方程：
　　
　　由上可得
　　带入表格数据得
　　根据上述原理，考虑到塔身变截面以及爬模施工荷载的影响，我们采用Midas.Civil进行综合分析。
　　建立模型需注意以下事项：
　　①塔身顶推位置可直接加设钢管，也可加设支点作为约束。加设钢管就必须将钢管与塔身进行刚结，若加设支点则支点性质为弹性；②施工阶段里面必须将顶推力加载与钢管焊接过程进行明确的区分，避免顶推过程中钢管帮助塔身抵抗顶推力；③此模型只能作为塔身横撑顶推力的大小控制计算，钢管的强度计算不能由此模型直接得出。
　　由模型可以得出高塔横撑具体位置以及各道横撑的顶推力大小如下表所示：
　　5 以第二种假设（位移）控制计算
　　塔身横撑设置位置与第一种假设确定原理相同。同样以9~13节段为例计算：
　　节段长度，第一道横撑力F作用在4处，前5节段重力Q（按等截面均布荷载简化）。
　　图5.1第二种方法塔身受力分解简图及有限元模型示意图
　　由上图力分解以后，得到挠度平衡方程：
　　
　　
　　
　　
　　
　　由上可得
　　带入表格数据得
　　根据上述原理，同样采用Midas.Civil进行建模综合分析。
　　建立模型需注意以下事项：
　　①每道横撑位置设置对横桥向的固定约束，并借助于支座反力得到我们每次的横撑顶推力；
　　②我们需要的支反力是每次浇筑至横撑上一节段时水平反力，而不是整个浇筑过程中产生的最大反力；
　　③钢管的强度计算可由各施工阶段中水平支座产生的最大反力进行求解。
　　由模型可以得出高塔横撑具体位置以及各道横撑的顶推力大小如下表所示：
　　结束语
　　由以上两种假设计算过程，笔者有如下心得。
　　（1）两种计算共同点：
　　计算的客观前提是相同，都是通过无支撑下塔身的应力状况、爬模施工工艺、塔身几何机构特点，得出塔身每道横撑的合理设置高度。也就是说每道横撑所加顶推力，只能控制本道横撑至下一道横撑之间的塔身应力状况，不能感性的认为顶推力越大塔身横撑设置就