桃花峪黃河大橋主塔施工優(yōu)化計算分析及應(yīng)用

周小勇、楊梅枝、周童

（1.湖南湘實(shí)工程科技有限公司，湖南 長沙 410505；2.湖南雅康和一醫(yī)藥有限公司，湖南 長沙 410505）

1 工程概況

武西高速桃花峪黃河大橋是自錨式懸索橋，主橋采用扁平鋼箱梁形式加勁梁，加勁梁采用單箱三室截面形式，主纜采用平面布置在鋼箱梁兩側(cè)。

橋梁主塔為門式塔結(jié)構(gòu)，包括上下游兩側(cè)塔柱、頂部和底部橫梁、塔底座和塔冠。 橋塔高度為133.56m。塔柱截面采用單箱單室形式，主塔橫橋向呈圓端型，如圖1 所示。

圖1 主塔立面圖

2 施工工藝

根據(jù)主塔結(jié)構(gòu)情況，主塔塔柱按每節(jié)段6m 采用液壓爬模自帶爬架施工。底部橫梁采用落地支架方案施工，頂部橫梁采用型鋼托架方案施工。施工步驟為：承臺施工—塔底座施工—主塔底實(shí)體段施工—液壓爬模安裝—下塔柱分節(jié)澆筑—主塔施工至下橫梁以上8m 左右—支架法分兩次施工下橫梁—逐段澆筑塔柱混凝土至塔頂—托架法分兩次澆筑上橫梁—施工塔冠[1]。

3 主塔施工優(yōu)化計算分析

采用有限元軟件Midas 模擬主塔施工全過程，采用梁單元模擬，在橫梁與塔柱連接處采用釋放梁端約束模擬鉸接，橫撐與橫梁采用彈性連接模擬其支撐作用[2]。

根據(jù)計算分析結(jié)果確定，考慮施工過程收縮徐變完成時，主塔橫橋向及豎向位移、塔柱施工過程中橫撐及連接系的最大最小軸力，以做后續(xù)施工監(jiān)控過程中的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，如表1、表2 所示。

表1 考慮施工過程時收縮徐變完成時（成橋10年）主塔橫橋向及豎向位移數(shù)據(jù)表

表2 塔柱施工過程中橫撐及連接系的最大最小軸力

表1續(xù)表

4 主塔施工優(yōu)化后施工監(jiān)控

由于以下三種因素：一是主塔基礎(chǔ)存在一定的沉降，二是主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，存在收縮徐變，三是主纜將通過主索鞍給塔頂傳遞較大的壓力，將使得塔頂標(biāo)高在成橋后相當(dāng)長時間內(nèi)逐漸降低直至趨于穩(wěn)定[3]。

因此，塔柱施工過程中的監(jiān)控重點(diǎn)為塔柱下橫梁及塔頂預(yù)抬高量的計算，并在塔柱關(guān)鍵截面預(yù)埋應(yīng)變傳感器。而預(yù)抬高量的計算須以塔結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變影響的有關(guān)參數(shù)的收集與整理、塔底沉降觀測資料的收集為基礎(chǔ)。

4.1 塔結(jié)構(gòu)混凝土收縮、徐變影響的有關(guān)參數(shù)的收集

在每個塔距離承臺頂面25m 處和塔頂主索鞍底面截面各選1 個點(diǎn)，安裝固定棱鏡，進(jìn)行標(biāo)高的長期觀測，同時記錄日期、氣溫及橋塔混凝土溫度、具體工況等相關(guān)信息。觀測工況為橋塔施工至該截面時、主塔施工每澆筑2 段后、橋塔施工完畢時、每一個比較明確的受力工況結(jié)束時、每一個比較明確的受力工況每隔10h。

4.2 塔底沉降觀測資料的收集

在每個承臺以上10m 處布置一個標(biāo)高永久觀測點(diǎn)，用精密水準(zhǔn)儀觀測其標(biāo)高變化。永久觀測點(diǎn)的布設(shè)方法參照規(guī)范，埋設(shè)時間為對應(yīng)位置混凝土澆筑完畢后第十天。測量工況為主塔每個節(jié)段澆筑完畢后直至封頂前。通過對實(shí)際施工過程中塔底截面標(biāo)高變化的測試與分析，獲取塔底沉降的時變曲線，提出塔底沉降值變化的時變預(yù)測曲線[4]。

4.3 主塔底部橫梁及塔頂預(yù)高量的計算

在獲取了收縮徐變及沉降觀測數(shù)據(jù)后，可以建立主塔及基礎(chǔ)的有限元模型，先初定收縮、徐變及沉降的相關(guān)參數(shù)，然后考慮進(jìn)行施工過程的有限元仿真計算，計算結(jié)果與實(shí)測值比較，修正相關(guān)參數(shù)，直至吻合。然后在此基礎(chǔ)上，算到成橋十年后，確定出主塔下橫梁及塔頂所需的預(yù)抬高量作為相關(guān)位置的標(biāo)高控制值。

4.4 塔柱應(yīng)變與溫度場測試斷面的選擇、測點(diǎn)布置與測試工況

4.4.1 應(yīng)變監(jiān)控

考慮以下兩個因素：一是塔梁交界處為塔柱截面的變化點(diǎn)；二是主塔根部一般為彎矩最大截面。所以選取塔梁交界附近（A 截面）、塔根附近（B 截面）及塔柱下橫梁縱橋向中心截面（C 截面）為塔柱應(yīng)變測試截面，見圖2。

圖2 應(yīng)變布置示意圖

4.4.2 溫度監(jiān)控

選擇A 應(yīng)變測試斷面同時作為溫度場測試斷面，布設(shè)溫度場測點(diǎn)。測點(diǎn)布置見圖3，截面中心及邊緣的溫度計將采用光纖光柵型溫度元件（9 個），其余8個采用熱敏電阻型溫度元件，埋設(shè)時間為對應(yīng)位置混凝土澆筑前鋼筋綁扎完畢后。

圖3 溫度測點(diǎn)布置示意圖

每個季節(jié)選擇有代表性的天氣進(jìn)行24h 連續(xù)觀測，每1h 觀測一次。根據(jù)測試結(jié)果，將非線性溫度場放入仿真計算程序中，得到考慮最不利荷載和主塔最不利溫度場時的主塔應(yīng)力分布[5]。

5 主塔施工控制成果

5.1 主塔應(yīng)力

在主塔施工相應(yīng)工況下進(jìn)行應(yīng)力測量，實(shí)測值與理論計算值相差較小，滿足設(shè)計要求。

5.2 主塔線性

在每節(jié)主塔施工完成后進(jìn)行橫向坐標(biāo)測量，主塔竣工橫向軸線坐標(biāo)最大差值為6mm，滿足設(shè)計要求，如表3 所示。

表3 塔柱竣工后軸線偏差實(shí)測表（單位：m）

表3續(xù)表

6 結(jié)語

在桃花峪黃河大橋的主塔施工中，針對過程進(jìn)行了詳盡的優(yōu)化仿真計算，同時連續(xù)監(jiān)測大橋主塔施工過程的結(jié)構(gòu)應(yīng)變、位移變化情況，為施工提供了可靠的技術(shù)保證。采用液壓自爬模施工時，通過采用有效的施工控制措施，保證了施工階段結(jié)構(gòu)的安全及成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的線形、內(nèi)力等滿足設(shè)計要求。通過理論數(shù)據(jù)與實(shí)際施工數(shù)據(jù)分析比較，表明運(yùn)用仿真優(yōu)化計算模型對梁橋主塔施工過程進(jìn)行優(yōu)化計算是可行的，計算結(jié)果也很好地指導(dǎo)了后續(xù)施工的具體操作。實(shí)踐證明，本橋主塔施工過程中，采取的施工監(jiān)控措施是合理及有效的，對同型橋梁主塔施工具有借鑒意義。