超高宝瓶形斜拉桥桥塔被动拉杆及主动横撑模拟计算

2024-07-05 13 上传者：管理员

摘要：索塔作为斜拉桥主要受力构件之一，其施工质量直接影响桥梁的使用寿命。索塔施工临时被动拉杆及主动横撑既保证了施工的安全性和稳定性，又保障了整体线形指标。文章依托于新市金沙江大桥，为防止中、下倾斜塔柱根部截面混凝土处于不良应力状态而导致混凝土开裂，确保索塔全过程施工安全可靠、质量优良，采用Midas Civil 2021建立的索塔有限元模型进行模拟计算和优化，分析索塔下横梁与主塔同步施工、中横梁与主塔采用塔梁异步施工的受力特征。结果表明，施工中混凝土最大拉、压应力分别为0.7 MPa和2.7 MPa，下塔柱和中塔柱横向最大位移分别为8.9 mm和9.2 mm，计算结果均符合规范要求。

关键词：
主动横撑
公路斜拉桥
塔柱
有限元
被动拉杆
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斜拉桥跨越能力大，主塔往往较高，外形造型独特，跨江、跨河施工现场环境复杂，特别是风的影响大。采用液压自爬模悬臂施工难度高，主塔向外和向内倾斜，悬臂施工过程中会在塔根产生弯矩，使主塔产生横向位移和内应力，从而影响结构使用年限。为限制拉应力和变形位移不超出设计和规范要求，根据主塔施工节段划分，在两塔肢之间的一定高度范围内设计临时结构措施以平衡因外荷载（液压爬模自重、风荷载等）和主塔偏心荷载引起的水平分力。被动拉杆和主动横撑[1]设计时应遵循内力和变形双控原则，并考虑温度的变化及时调整对拉力和顶推力的大小[2]。

1、工程概况

新市金沙江大桥[3]位于昭通市绥江支线上，依次跨越G353线、金沙江、G213线，跨径组成为3 m×30 m T梁+（340+680+340)m钢桁梁+16×30 m T梁，半漂浮体系，设抗风和纵向阻尼器；斜拉索采用1 860 MPa钢绞线，192根斜拉索，单根索最长370 m，呈扇形布置；全长1 867 m，其中主桥长1 288 m，桥面宽度为25.5 m；主塔采用C50钢筋预应力混凝土结构，两主塔分别高290.16 m和297.51 m，塔柱采用空心矩形截面，下塔柱呈“V”形，中塔柱呈“A”形。

2、主塔施工步骤

桥塔施工共划分50个节段（下塔柱为～号节段，中塔柱为～号节段，上塔柱～号节段），桥塔节段划分如图1所示。

图1桥塔节段划分示意图（m)

主塔采用液压自爬模施工，下横梁采用支架法与主塔同步施工技术，中横梁采用支架法与主塔异步施工技术，施工工况如表1所示。

表1施工工况表

3、荷载及参数

3.1主塔自重荷载

主塔自重荷载（混凝土、钢筋、劲性骨架等）按实际重量取值，由模型计入。

3.2爬模荷载

外模为钢模板150 kg/m2，平台100 kg/m2，机位1.2吨/个，下塔柱、中塔柱和上塔柱爬模单肢分别布置14个机位、12个机位和8个机位，则爬模重量分别为102 t、99.4 t和94.6 t。

3.3风荷载

横撑计算时仅考虑极大风荷载（10级，设计风速为28.4 m/s）时的受力。

根据《公路桥梁抗风设计规范》[4]，按以下公式计算：

1 020×12 mm钢管风荷载：

609×16 mm钢管风荷载：

钢管风荷载按线荷载加载。

3.4施工荷载

施工人员荷载标准值为1 k N/m2。

4、计算模型

主塔下的塔柱和中塔柱，在爬模时处于悬臂施工状态，建立的施工计算模型如图2所示。主塔根部固结，主塔与横撑分别用梁单元模拟，被动对拉杆使用仅受拉桁架单元模拟，而主动钢管的横撑对顶力则通过单元温度荷载试算确定，同时考虑主塔混凝土的收缩、弹性压缩量及升温20℃、降温20℃的横撑温度应力。

图2施工计算模型图

5、模拟计算结果

宝瓶形主塔结构特点是随着施工进度的增加，受自重、偏心矩、对拉力、对顶力等影响，主塔竖向位移不断累积，下塔柱和中塔柱根部应力也在不断变化，横向位移是模拟分析中的重点，即控制主塔线形，横向位移控制在±10 mm范围内，∅s15.2钢绞线对拉力和∅1 020 mm×12 mm、∅609 mm×16 mm钢管[5]对顶力如表2所示；设计时结合现场安装横撑时的实际天气情况，考虑升降温20℃工况，横撑对顶力如表3所示；控制工况下塔柱受力及变形如表4所示。

表2对拉力和对顶力汇总表

表3升降温20℃横撑对顶力汇总表

表4控制工况下塔柱受力及变形表

6、结语

为了打造大桥品质工程，精确控制新市金沙江大桥主塔施工过程中各截面应力和变形，利用Midas Civil2021建立有限元模型，对主塔施工全过程工况进行模拟分析，结论如下：

(1）下塔柱在设置被动拉杆后，塔柱拉应力及压应力均有减小，塔柱横向位移由向外倾斜转为向内倾斜，最大值由-5.0 mm变至8.9 mm，变幅为13.9 mm。

(2）中塔柱在设置主动横撑后，塔柱主要为受压状态，塔柱横向位移由向内倾斜转为向外倾斜，最大值由5.5 mm变至-9.2 mm，变幅为14.7 mm。

(3）整个主塔单肢横向位移均小于10 mm，拉、压应力均满足设计和施工要求。

参考文献:

[1]侯彦明,高敏杰,王宏畅.灌河斜拉桥索塔中塔柱主动横撑结构的优化设计[J].公路交通技术, 2009(1):53-56.

[2]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社, 2004.

[3]四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川新市金沙江大桥施工图[Z].成都, 2020.