沙埕湾跨海特大桥塔柱施工临时支撑优化分析

李 文

(宁德市交通投资集团有限公司，宁德 352100)

1 引言

斜拉桥具有承载能力高、跨越能力强的特点，在大跨径桥梁建造过程中，斜拉桥具有良好的竞争力。随着桥梁技术的进步， 对斜拉桥结构体系及受力性能设计的相关研究已经日趋成熟， 同样对于斜拉桥的施工工艺和施工技术也积累了较为丰富的实践经验[1-2]。

桥塔是斜拉桥的重要组成构件， 也是斜拉桥承载的关键结构。 目前，大跨径桥塔多采用A 型、倒Y 型、钻石型、花瓶型等双肢结构形式，在下塔柱及中塔柱区段在横桥向处于分肢状态，通过下横梁连接；在上塔柱合并于一体或通过中横梁及上横梁连接。 分肢塔柱施工过程中斜度较大，受自重和施工临时荷载影响，塔柱根部和下横梁最外侧处产生拉应力，形成不利工况[3]。 在塔柱合拢封顶时的内力状态与桥塔施工过程中临时水平支撑的设置与调整密切相关。 且塔柱在施工过程中形成的内力状态在其封顶后是不可调整的， 故如何获得塔柱封顶时的最合理状态，对桥塔施工意义重大[4-5]。

目前关于桥塔施工的相关研究主要集中在塔柱施工的总体工艺，塔柱模板系统及施工质量控制等方面[6-7]。对于分肢塔柱在施工过程中如何设置水平临时支撑的研究相对较少， 在施工方案制定中塔柱临时支撑的设计也较为随意， 导致了应力控制不佳或施工临时措施费用过高的情况。针对这一技术问题，本文以沙埕湾跨海大桥为依托， 对塔柱施工过程中水平临时支撑的优化问题进行研究，以提出合理的支撑方案，并建立塔柱水平支撑的优化方法。

2 工程概述

沙埕湾跨海大桥主桥跨越竹甲鼻至青屿之间的水域， 两个主塔基础均座落于海湾岸上。 主桥跨径布置为(49+58+61)+535+(198+60)=961 m，如图1 所示。 大桥主跨跨径为535 m，采用钢箱梁结构；大桩号侧边跨跨越能力要求高，该侧边跨采用与主跨相同的钢箱梁结构，跨径为258 m，边中跨比为0.482；小桩号侧边跨跨越能力要求小，故在边跨侧采用预应力混凝土箱梁结构，跨径为168 m，边中跨比为0.314。 通过两侧边跨的不对称布置，充分发挥了钢梁跨越能力强的特点，节约了桥梁的总体造价。

图1 沙埕湾跨海大桥总体布置图(单位：cm)

主桥采用半漂浮体系， 索塔处设置竖向球形支座和横向限位支座，北跨设置2 个辅助墩，南边设置1 个辅助墩，辅助墩设置双向活动支座，南、北过渡墩均设单向(纵向)活动支座，在索塔主梁连接处设置纵向限位挡块和阻尼限位装置。

索塔采用花瓶型索塔， 断面为空心箱形， 包括桩基础、承台、塔座、塔柱、横梁、塔冠、装饰块、钢锚梁及钢牛腿等，采用C50 海工混凝土。 北索塔塔座底面高程8.010 m，塔底面高程10.010 m，塔顶高程197.410 m，索塔总高度189.400 m， 南索塔塔座底面高程7.955 m， 塔底面高程9.955 m，塔顶高程200.155 m，索塔总高度192.200 m。 下横梁梁高7.0 m，宽度9.5 m，壁厚1.0 m；中、上横梁梁高4.8 m，宽度7.6 m，壁厚0.9 m。 索塔横梁及上塔柱斜拉索锚固区为预应力混凝土结构，横梁纵向钢筋均锚固于塔柱内，预应力钢束锚固于塔柱外侧，采用塑料波纹管，真空辅助压浆，深埋锚工艺，其他部分为普通钢筋混凝土结构。

3 主塔施工工艺

3.1 主塔施工工艺

本项目两侧桥塔的总高度略有不同， 在设计时以下横梁以上构造相同为原则， 通过下塔塔柱高度变化进行调整，以南塔为例，塔柱的主要尺寸构造如图2(a)。 在施工期间中、上塔柱采用同样的分节形式进行分段施工，下塔柱南塔(大桩号侧)分为11 节，北塔下塔柱施工分为10节，标准分节长度为4.5 m，如图2(b)。中塔柱施工分为20节，标准分节长度为4.5 m，上塔柱施工分节为13 节，标准分节长度为4.5 m。

图2 南塔构造与施工分节示意图(单位：cm)

以南塔为例， 第1 节段使用液压爬模模板并搭设施工脚手架作为外操作平台。在首节完成后，安装液压爬模承重平台及上爬架，第2 节段可进行爬模施工。第2 节施工完成后安装轨道，爬升架体，安装平台，进行下塔柱各节段的爬模施工。下横梁分为两层，分别对应第10、11 节同步浇筑。第9 节混凝土浇筑完成后拆除爬模架体，安装下横梁支架牛腿、主横梁、贝雷梁，铺设分配梁和底模后同步进行下横梁第一层和塔柱第10 节施工。横梁第二层和塔柱第11 节施工完成后， 利用第11 节段顶口的预埋件安装施工平台，立模浇筑第12 节段混凝土。第12 节施工完成后安装爬模系统， 完成爬模坡度转换后中塔柱混凝土逐节施工。中上塔柱的边坡转化不再拆除爬架系统，中、 上塔柱变坡点通过调整轨道角度适应变坡点角度变化的要求。

索塔下横梁支架采用落地支架， 中上横梁均采用空中支架。

3.2 优化前临时支撑布置方案

原施工计划中南塔下横梁分两层，分别与第10 节和11 节分两侧同时浇筑，在下塔柱施工过程中不设置水平拉杆。

南塔中塔柱施工过程中拟设置三道临时水平支撑，第一道水平支撑对应高程为标高75.11 m， 位于第16 节段，在第17 节施工完成爬架提升后安装，安装后主动施加顶推力4429 kN。第二道位于标高96.81 m ，位于第21节段，在第22 节施工完成爬架提升后安装，安装后主动施加顶推力3680 kN。 第三道位于标高118.51 m，位于第26 节段，在第27 节施工完成爬架提升后安装，安装后主动施加顶推力3448 kN。

4 塔柱临时支撑优化分析

4.1 临时支撑优化原则

大跨径斜拉桥的桥塔在横桥向一般采用分肢结构，因斜度较大，在施工过程中受自重和施工临时荷载影响，塔柱根部和下横梁最外侧产生拉应力，形成不利工况，需要通过临时拉杆或撑杆的设置形成多点框架结构， 调整主塔在施工过程中及成桥状态的内力状态， 防止混凝土出现受拉破坏和裂缝。 如何进行塔柱施工过程临时支撑的设置是桥塔施工过程中需要解决的主要问题之一。

临时拉杆及支撑设置应满足以下目的： 一是保证在施工过程中塔柱各断面的出现的最大应力及位移可满足要求。 对于混凝土塔柱在施工过程中塔柱自身的变形相对较小，一般以断面应力控制，根据以往类似工程的相关经验， 可按照塔柱各断面出现的拉应力不超过1 MPa[8](C50 混凝土抗拉强度设计值为1.89 MPa) 作为水平支撑设置的原则之一。 二是塔柱施工完成后可达到理想的内力状态。塔柱的受力是以承压为主，塔柱的内力一般按照桥塔一次成型控制内力， 临时支撑的塔柱控制断面的内力应尽量与一次成型的内力状态相近。

基于上述优化原则， 可先按照不设置临时支撑进行各施工工序的力学性能分析， 确定在下横梁施工前塔柱各断面应力是否超限， 在塔柱应力超限对应的工况前安装水平拉杆，水平拉杆的内力以塔根弯矩尽量小为原则，完成水平拉杆优化。

中塔柱撑杆安装以无撑杆状态进行各节段施工过程受力状态的计算，在断面拉应力超限前设置水平支撑，在中塔柱合拢前下横梁位置塔柱的弯矩尽量小。

4.2 临时拉杆优化

桥塔施工原方案不设置水平拉杆， 在实际施工过程中为了提高施工效率，缩短施工周期，采用塔柱与横梁异步施工的方式进行下横梁施工。结合异步施工的变化，对下塔柱过程中的水平拉杆设置进行了优化。 在塔柱施工过程中塔根部应力控制断面为P1 点(图2b)所在位置，在中塔柱施工过程中在下横梁以上位置的应力控制点位置为下横梁最外侧，即P3 点(图2b)。 在不考虑下横梁及临时水平支撑的作用时在各施工工况下3 个控制点的应力随着施工步骤的变化的边跨如图3 所示。

图3 临时支撑优化流程示意

从图3 中可知，在不设置水平拉杆时施工至9 号节段时塔柱根部内侧点p1 处拉应力超过了1 MPa，因此在施工至9 号节段时应该在8 号块位置设置水平拉杆。 根据拉杆构造可设置拉杆水平力5000 kN， 在拉杆张拉后施工至15 号节段时塔根部内侧点p1 处拉应力又超过了1 MPa。 而中塔柱不设置水平支撑时， 当塔柱施工至19号节段时， 塔柱下横梁外侧点P3 的拉应力超过1 MPa。综合塔根截面和上横梁截面的内力变化情况可知， 本桥在下塔柱施工过程中应设置水平拉杆， 拉杆力可控制在5000 kN。 下横梁与桥塔进行异步施工时，塔柱在施工15号节段前应该完成下横梁施工。

4.3 临时撑杆优化

在下横梁施工后塔柱在下横梁位置外侧点P3 成为在塔柱施工过程中拉应力最大位置， 且为塔柱施工过程中的控制性断面。 p3 点的拉应力随着施工节段施工的变化情况如图4 所示。

从图4 可知， 在下横梁施工完成后， 当节段施工至20 号节段时，塔柱外侧点p3 处拉应力超过了1 MPa。 因此， 在施工至20 号节段时应该在19 号块位置设置水平支撑。 可设置第一道支撑的水平力为4000 kN，在第一道支撑施加后， 施工至23 号节段时塔柱外侧点p3 处拉应力又超过了1 MPa。 因此，在施工至23 号节段时应该在22 号节段位置设置第二道水平支撑，第二道水平支撑力可按照4500 kN 施加。 在第二道支撑施加后，施工至28号节段时塔柱外侧点p3 处拉应力又超过了1 MPa。 故在施工至27 号节段时应该在26 号节段位置设置第三道水平支撑，第三道水平支撑力可按照5000 kN 施加。在第三道支撑施加后索塔施工至中横梁之前p3 点处的拉应力均超过1 MPa，但在上塔柱施工时p3 点的拉应力增长很快，故应该将中横梁与上塔柱进行同步浇筑，避免在上塔柱施工过程中导致p3 点应力超限。

图4 临时撑杆优化

5 结语

本文以沙埕湾跨为大桥为背景对超大跨径斜拉桥桥塔施工过程中临时支撑设置进行了优化分析， 得到以下结论：

(1)塔柱施工过程水平临时支撑的设置应以控制断面拉应力不超过控制标准为主要依据， 并尽量使其成型时的内力与一次落架施工塔柱的内力接近。

(2)通过无支撑状态下控制点应力变化曲线可准确得到水平临时支撑设置的位置及工况， 以支撑构造强度确定合理支撑力，依次得到各水平拉杆的位置与内力。

(3)沙埕湾大桥应在下塔柱设置一道水平拉杆，中塔柱设置三道临时支撑可满足塔柱施工过程的受力要求，下横梁之后对于塔柱施工阶段异步施工不应滞后超过4个节段，中横梁与上塔柱应同步浇筑。