天梭型索塔施工撑拉系统设计

【摘 要】随着我国经济的快速发展，桥梁建设正在迅速发展，在大江大河上修建跨度大，难度高的斜拉桥、悬索桥越来越多。本文以重庆东水门长江大桥为例，论述了天梭型索塔施工过程中临时撑拉系统的设计方法。

【关键词】索塔施工；撑拉系统；天梭型

1、结构概述

索塔立面图

索塔指的是悬索桥或斜拉桥支承主索的塔形构造物。分为斜拉桥索塔和悬索桥索塔两种。斜拉桥的索塔用来锚固拉索，而吊桥的索塔用来承担主缆。但两种索塔皆受压弯组合作用，一般多为混凝土塔。

重庆东水门长江大桥采用天梭形索塔，外轮廓由多条空间圆曲线组成，线条顺畅，曲线优美。南岸侧为P1塔，北岸侧为P2塔。塔柱包括上塔柱、中塔柱、下塔墩，中间分别设置上横梁、下横梁、横系梁。采用C50混凝土浇筑。P1塔塔柱顶高程341.61m，塔底高程169.00m，索塔总高172.61m；其中上塔柱高46.5m，中塔柱高62.5m，下塔墩高63.61m；P2塔塔柱顶高程341.496m，塔底高程179.00m，索塔总高162.249m；其中上塔柱高46.5m，中塔柱高62.5m，下塔墩高53.496m.整个桥塔在横桥向平面内有外、中、内三条轮廓线，每条轮廓线均由圆曲线和直线组合而成。下塔墩外轮廓为半径308.145m圆曲线，中、上塔柱外轮廓采用斜率为13：95的直线，中塔柱与下塔墩连接段采用半径108.35m的圆曲线过渡； 下塔柱中轮廓线为半径53.581m圆曲线，中、上塔柱中轮廓线为直线，斜率为11.65：96，在中塔柱与下塔柱连接段采用半径138.763m的圆曲线过渡；下塔柱内轮廓为半径46m的圆曲线，中塔柱内轮廓为半径227m的圆曲线，上塔柱为竖直线，只在塔顶7米处向外与中轮廓相交。桥塔在桥面处横向最宽为35.0m。主塔纵向宽度塔底为11m，从塔底分叉处到桥面由11m变为9.0m，从桥面以上13米到塔顶由9.0m变为7.5m，按直线变化。塔柱采用单箱单室结构形式，塔墩采用单箱多室结构形式，塔柱壁厚1.0m，塔墩壁厚2.0m。

2 设计概述

P1 墩混凝土浇筑分节

索塔分四个施工阶段：下塔墩施工，分岔区、牛腿和横系梁施工、中塔柱及下横梁施工、上塔柱及上横梁施工。P1塔柱分41（P2塔柱为39节）个节段现浇。

为保证索塔施工过程中的安全、受力合理，外型轮廓与设计相符，在下塔柱设置1道临时拉杆，施工加主动水平拉力，分担后续施工阶产生的外倾弯矩；在中塔设置3道临撑杆，施工加主动预顶力。拉杆主要承受拉，撑杆主要承受压力，计算分析中均按仅承受轴向力杆件考虑，实际构造也确保这一受力特点。由于两塔结构形式相同，现以P1进行撑拉系统设计介绍。

3 计算与分析

东水门P1主塔施工过程中临时撑拉杆件的设置及起始作用阶段：

设计中采用midas2010对索塔结构建模分析。塔柱砼自重由程自动生成，单肢爬模及施工荷载取400KN。拉杆设计原则是：拉杆预拉对下塔柱叉区施工加主动弯矩后，在索塔横系梁施工前，分叉处内侧不会因两塔肢的外倾及爬模荷载而产生拉应力。撑杆的设计原则是，施工加预顶力后，确保索塔两塔肢施工合拢后拆除撑杆，塔柱实际外形轮廓与设计相同。

根据实模型分析可得，横系梁施工前，两塔肢施工对下塔柱分叉处（标高183.610m）的最大内弯矩为880000KN.m。拉杆设置标高结合施工实际情况，考虑塔柱节段爬模施工空间，取200.11m，距分叉点竖向间距16.5m，施加53333 KN主动拉力，刚好平衡此内弯矩。拉杆采用2束预应力钢绞线束，均为∅ s15.2-19钢束，fpk =1860MPa，考虑横系梁施工支架立柱及牛腿侧壁处预应力布置,纵桥向水平间距取5.5m。

钢束面积: mm2

满足要求。

待横系梁施工完成，张拉第一批钢绞后，采用退索器逐根按由外到内的顺解除临时水平拉杆。

每道临时撑杆均为2根直径1020mm壁厚12mm的钢管，纵桥水平间距4米。平面布置如下图所示：

为保证对撑结构安装时的同向性，采用地面预拼成长悬臂段和短悬臂段，每段均由钢管桩和顶撑端桩头组成。钢管由标准节与非标准节底节组成。起重设备用索塔施工塔吊，精确位移调整用手拉葫芦导链。水平对撑杆安装前，两塔柱内侧应先安装施工操作平台。预埋爬锥按设计图纸精确定位安装。水平撑杆安装时，底节法兰盘先用螺栓与预埋爬锥拧紧，起吊组拼好的撑杆，与法兰盘焊接。撑杆安装先安装短悬臂段，再安装长悬臂段，长短悬臂段安装时悬臂端用吊杆与塔壁临时连接。待两段撑杆安装定位好在温度相对恒定的时段，进行撑杆对顶作业,每根水平撑杆间设1台250t千斤顶在水平横撑钢管一端同步施加顶推力，两根水平撑杆同步顶推至设计吨位以较好的控制塔柱的线型，同时使其内力满足施工要求。水平对撑施加顶推力时应观测水平横撑的挠度和塔柱的变形情况，顶力满足要求后，停止施加推力。然后打紧楔块且焊接牢固，千斤顶回油卸荷拆除。

撑杆顶推状态稳定计算时，撑杆按一端固定，另一端自由压杆计算，第一道撑杆相对较长，属最不利杆件。计算长度l0= ，撑杆最大主动顶撑力1675.3KN，单根管桩主动顶撑力N = 837.65 KN，杆件长细比117.843，受压稳定系数 φx = 0.448308，由最大板厚 12 mm 得截面抗拉抗压抗弯强度设计值 f = 215 MPa，计算得稳定应力为 98.3388 MPa < f = 215 MPa 满足要求。

由实体模型模拟分析可得，在第2道撑杆主动顶撑前第1道撑杆内力达到最大值，在第3撑杆主动顶撑前第2撑杆内力达到最大值。临时撑杆施工过程的最大轴向压力如下：

东水门P1塔 撑杆

第一道 第二道 第三道

4419.3 3844.1 3814.0

索塔施工过程中撑杆稳定计算时，撑杆按两端铰支压杆计算，第一道撑杆相对较长，压力紧最大，属最不利杆件。计算长度l0= ，撑杆在索塔施工过程中最大轴向压力4419.3 KN，单根管桩轴向压力N = 2209.65 KN，受压稳定系数 φx = 0.790413，由最大板厚 12 mm 得截面抗拉抗压抗弯强度设计值 f = 215 MPa，计算得稳定应力为 73.5661 MPa < f = 215 MPa 满足要求。

水平对撑须待中塔柱合拢段施工完毕且混凝土达到强度后方可从上至下依次拆除。拆除时，计算各种工况下每根撑杆的受力大小，重新安装千斤顶，顶撑至管桩受力同样的力，割刀解除楔块，千斤顶逐级卸荷。由于两塔肢合拢后，下方有下横梁的遮挡，水平对撑拆除采用塔吊和卷扬机相配合进行作业。

4 总结

东水门长江大桥索塔轮廓用天梭形，由多条空间曲线组成，线条流畅，曲线优美。塔柱采用单箱单室结构形式，塔墩采用单箱多室结构形式，塔柱壁厚1.0m，塔墩壁厚2.0m。塔柱结构柔性大，施工中确保混凝土浇筑外轮廓与设计相符难度大。本设计通过采用下拉上撑的方式，有效控制了索塔施工过程中的位移变形。取得了较好的施工效果。