鄂东长江公路大桥索塔设计与施工Word文档格式.doc

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预应力采用集中力模拟，模型共计150000个单元，节点共计420000个。

节段全模型如下图3所示。

混凝土第一主拉应力

混凝土第三主压应力

图3下塔柱节段模型及计算结果图

节段模型塔柱混凝土采用C50，桩基混凝土采用C35水下；

计算荷载取总体计算中最不利组合下弯矩、剪力及轴向压力；

预应力按等效节点荷载施加，并考虑25%的预应力损失；

桩基底部固结。

根据计算结果，去除应力集中影响，下塔柱节段最不利组合下混凝土主压应力小于21.2MPa，主拉应力小于2.77MPa，满足规范要求。

下塔柱施工采用钢管支架配合大块钢模板翻模法施工工艺。

为方便施工，将内外元宝块侧板及内元宝与下横梁的圆弧倒角和塔柱一起施工，内元宝内隔墙及弧形顶板待下横梁浇筑完成后再施工。

由于索塔分节段施工，随着塔柱不断升高，倾斜的塔柱将因自重产生较大水平外倾力，并导致塔肢变形。

为抵消由于塔肢向内倾斜而产生的水平分力，并控制塔柱位移与应力在设计允许范围内（施工期间及拉杆拆除后），需要在塔柱施工的同时每隔一定距离设置主动水平拉杆。

结合塔柱施工节段划分和塔肢悬臂施工工况，并考虑施工临时荷载的影响，北塔下塔柱设两道水平拉杆，南塔下塔柱设一道水平拉杆，水平拉杆采用4×

2根φ32mm精扎螺纹钢筋。

3下横梁设计与施工

下横梁是连接下塔柱与中塔柱的转折点，为支撑上部箱梁的预应力混凝土结构，共布置92束Φs15.24钢绞线。

下横梁高8.0m，宽约12.0m，混凝土方量大，故沿梁高分上下两次浇筑。

为了控制塔柱应力和克服支架变形、收缩徐变及第二次浇筑混凝土时对已成型梁底面造产生较大拉应力，将下横梁预应力钢束分三次张拉。

第一次浇筑完成混凝土强度达到设计强度的90％以上后张拉16束钢束，下横梁施工完毕张拉第二批预应力钢束后，就可拆除下塔柱内的拉杆及下横梁支架，中上塔柱连接段施工完毕后第三次张拉剩余的预应力钢束。

下横梁施工期间跨中截面承担正弯矩，端部截面承受负弯矩。

第一次浇筑时张拉部分预应力底板束能有效增加截面底缘压应力贮备，同时考虑到截面上缘不能出现拉应力，第一次预应力束不能张拉过多。

由于中塔柱对下横梁有水平分力作用，下横梁施工完毕后张拉部分预应力束能有效增加下横梁截面压应力贮备，使下横梁在中塔柱施工期间不出现拉应力，同时为控制塔柱根部不出现较大拉应力，第二批预应力不能张拉过多。

第三批预应力束张拉主要保证下横梁在成桥状态下整个截面受力均匀。

各阶段计算结果如下表所示（压应力为正），单位Mpa。

　工况

下横梁跨中

下横梁端部

塔柱根部

上缘

下缘

外侧

内侧

下横梁第一批预应力张拉

3.46

1.74

2.74

1.98

0.11

1.56

下横梁第二层、对应塔柱浇注

5.36

0.79

-0.66

3.76

0.59

1.30

下横梁第二批预应力张拉

7.12

2.57

1.37

5.31

-0.63

2.64

下横梁施工完毕

7.23

1.91

5.92

-0.77

2.32

下横梁第三批预应力张拉

8.72

3.74

5.76

6.53

3.18

3.92

4中塔柱设计与施工

索塔中塔柱部分高126.0m，横桥向外侧面斜率为1/6.701，内侧面斜率1/7.101，顺桥向斜率为1/106，采用液压爬模系统施工。

中塔柱斜率大，高度高，索塔两肢塔柱逐渐往上施工过程中将形成大斜率悬臂受力状态，为了防止斜柱悬臂造成中塔柱底部断面产生较大弯矩并控制中塔柱的侧向变形，因此在施工过程中必须对中塔柱分阶段设置横向水平横撑。

通过对被动水平横撑、主动水平横撑及横撑数量的比较，中塔柱施工方案最终确定施加六道主动水平横撑的方式，即利用悬臂裸塔爬模施工浇筑至一定高度加设第一道横撑主动施力，克服悬臂状态下的附加应力，再继续悬臂浇筑一定高度架设第二道横撑，依次类推完成中塔柱施工，上中塔柱连接段施工完毕后由上往下依次拆除所有横撑。

水平横撑支架由水平钢管、预埋件、竖向支架等组成。

每道水平横撑均采用两根钢管，两端搁置在塔柱牛腿上，中间由竖向支架的组合钢牛腿作为支撑。

竖向支架可减少水平横撑自重挠度，也方便水平撑杆的架设和施力，同水平撑杆一起组成空间桁架，增加结构施工过程中的整体稳定性。

由于南北塔施工节段划分及施工临时荷载的不同，实际施工中所设置水平横撑位置有所区别。

根据施工单位最终所报施工临时荷载和施工支架设计图，为了进一步核实中塔柱受力状况，并对中塔柱水平横撑施工支架安全性进行验算。

采用桥梁博士3.0单独进行了施工复核，模型共76个单元，73个节点，根据南塔中塔柱施工流程图共分25个施工阶段。

中塔柱施工过程中各个施工阶段关键截面计算结果如下表所示，单位Mpa。

施工工况

中塔柱根部

第一道横撑位置

第二道横撑位置

第三道横撑位置

第四道横撑位置

第五道横撑位置

第六道横撑位置

第一道横撑顶推之前

1.68

-0.04

第二道横撑顶推之前

2.35

1.61

-0.02

第三道横撑顶推之前

2.48

0.72

2.14

0.33

1.60

第四道横撑顶推之前

2.42

1.63

2.24

1.10

2.01

0.45

-0.06

第五道横撑顶推之前

2.69

2.17

2.47

1.70

2.23

1.09

2.02

1.62

-0.08

第六道横撑顶推之前

3.13

2.56

2.85

2.54

1.69

2.27

1.12

2.05

1.73

-0.14

中塔柱合拢之前

3.23

2.46

2.91

2.06

1.65

0.87

1.19

0.42

0.52

0.17

中塔柱合拢后

4.86

4.04

4.55

4.18

3.41

3.85

3.02

3.48

2.62

3.08

2.11

拆第六道水平横撑后

4.85

4.19

3.40

3.84

3.01

3.50

3.06

2.28

2.22

拆第五道水平横撑后

4.87

4.03

4.60

3.73

4.26

3.34

3.90

2.95

3.43

2.65

2.09

拆第四道水平横撑后

5.01

3.88

4.73

3.57

4.37

3.21

3.89

2.97

2.89

2.86

2.75

1.82

拆第三道水平横撑后

5.55

3.33

5.08

4.42

3.17

3.19

3.64

2.51

3.59

2.45

2.90

3.10

1.48

拆第二道水平横撑后

6.43

2.43

5.43

3.67

2.84

4.00

2.34

3.77

3.35

1.24

拆第一道水平横撑后

6.86

1.99

2.96

3.82

3.75

2.80

4.06

3.80

1.20

5上中塔柱连接段设计与施工

上中塔柱连接段位于中塔柱两塔肢交汇处，施工高度14m（高程+163m~+177m），尺寸自上而下9.943m×

14.02m变化到10.17m×

17m。

上塔柱荷载通过上、中塔柱连接段传到两个塔肢，该处受力较复杂。

计算表明上中塔柱上部及圆弧顶处在不设置预应力的情况下可能出现混凝土开裂的现象。

为了防止混凝土局部开裂需在相应位置设置预应力，但预应力的配置数量受上塔柱荷载（即钢锚箱底座传递给塔基竖向荷载）的影响。

据相关文献表明，钢锚箱底座与钢锚箱剪力钉承担竖向荷载的比例关系随钢锚箱剪力钉刚度、钢锚箱总体长度等有密切关系。

为了了解上中塔柱连接段的受力状况和合理配置预应力的需要，采用ansys程序对上中塔柱连接段结构进行了仿真分析。

连接段上部设置预应力，预应力方向为沿塔柱顺桥向，预应力钢材采用精轧螺纹粗钢筋，单端张拉，张拉控制应力为0.85fpk=0.85×

930=790Mpa，张拉控制力为635kN；

连接段下部（即上中塔柱分叉处）设置预应力，预应力布置方向为沿塔柱横桥向，采用14束22束Φs15.24预应力钢绞线，每束钢绞线的设计锚下张拉控制应力为σk=0.75fpk=1395Mpa。

模型共计130000个单元，节点共计400000个。

节段全模型如下图4所示。

从计算结果可以看出，中上塔柱连接段主拉应力在2.4mpa以下，主压应力在17.0mpa以下（不考虑钢锚箱底座局部应力的影响）。

横向竖切面处主拉应力

横向竖切面处主压应力

纵向竖切面处主拉应力

纵向竖切面处主压应力

图4上中塔柱连接段模型及计算结果图

上中塔柱连接段采用液压爬模施工工艺，1~3#斜拉索套筒埋于该连接段内。

中上塔柱交汇段圆拱托架由焊接H型钢400×

300拱型支撑，HM588×

300横梁、I25a竖向支撑组成一榀支架，共5榀。

支架间搭设2[10纵向斜撑。

横梁下竖向支撑位置焊接I25a下弦杆。

支架下面的纵向分配梁为2HM588×

300组合型钢。

为了确保上中塔柱交汇段圆拱托架的施工安全，并确保混凝土施工质量，复核计算采用rm20069.51.10建立模型模拟中上塔柱交汇段施工支架。

施工荷载考虑混凝土自重、风荷载、模板及施工荷载，由复核计算结果可知，施工支架应力计算结果均满足

规范要求（计算模型见图5）。

图5圆拱托架计算模型

6上塔柱设计与施工

上塔柱高92.5m，为对称单箱单室断面，尺寸由8.5m×

8.0m变化到9.943m×

14.02m，塔壁厚度沿顺桥向为1.0m，沿横桥向为1.2m，塔柱截面的4个角均设置1.5m×

0.5m的倒角，中间设钢锚箱。

塔顶高4m，横桥向设计为抛物线外形，与下塔柱的元宝形圆弧在景观上互相呼应。

斜拉索塔内锚固方式采用钢锚箱结构，钢锚箱分26节，宽2.4m，高2.5~3.6m。

第4～30对斜拉索锚固在钢锚箱上，其中第4、5对斜拉索锚固在同一节钢锚箱上，第1～3对斜拉索直接锚固在混凝土底座上；

1~3对斜拉索横桥向相对两根交叉锚固，钢锚箱总高72.9m，钢锚箱节段之间采用高强螺栓连接。

索塔拉索锚固区是斜拉桥中的关键部位，拉索的局部集中力将通过这一部位安全、均匀地传递到塔柱中。

由于拉索的局部强大集中力、预应力筋的锚固力以及孔洞削弱等因素影响使该区域受力状态十分复杂。

初步设计阶段，本项目主桥索、塔锚固型式暂推荐钢锚箱方案，并在塔柱周围设置一定数量的环向预应力，以防钢锚箱外围混凝土开裂。

在此基础上，项目组对主桥的索塔锚固区及构造型式作了多项研究。

技术设计阶段根据索塔锚固区结构型式现状调研及现有研究成果，拟定三个方案：

①内置式钢锚箱（无环向预应力、有环向预应力）；

②外置式钢锚箱（有环向预应力）；

③钢塔方案，锚固型式采用钢锚箱。

并对拟定的三个方案进行实体有限元分析和比较，最后推荐采用混凝土上塔柱内置式钢锚箱（有横向预应力）。

边跨混凝土外壁顺桥向应力

边跨混凝土外壁横桥向应力

塔壁转角顺桥向应力

塔壁转角横桥向应力

侧面拉板N1VonMises应力

锚板N8j（江侧）SEQV应力

钢锚箱计算分析采用Ansys程序建立空间实体有限元模型进行计算，假定所有材料为理想弹性，线弹性分析。

索塔砼采用SOLID65单元。

模型不考虑普通钢筋的作用。

计算结果显示，边跨混凝土外壁最大主拉应力为3.70MPa，极值点在索孔处；

塔壁转角处最大主拉应力为3.28MPa。

由于计算中没有考虑普通钢筋的作用，且超出2.65MPa的区域很小，整体结构受力满足规范要求。

整个锚箱的最大主拉应力出现在锚板（N8）与侧面拉板（N1）连接的焊缝处及锚垫板（N7）与锚板（N8）的焊缝的末端。

计算值最大约有108.17MPa，整个钢锚箱SEQVmax=103.38MPa，计算结果符合规范要求。

7结语

湖北鄂东长江公路大桥索塔结构体形高耸，结构受力复杂。

在考虑设计、施工、运营等多方面因素的情况下，经过反复研究、计算及试验的比较，首先确定了塔柱的结构方案，然后对选定的结构进行了多方面计算及试验研究，其中整体结构计算和三维有限元计算包括了结构应力、位移计算、结构自振特性计算、稳定计算、温度、徐变影响计算等，钢锚箱模型试验包括了结构应力和位移试验、超载试验，从而最终确定结构的型式、配筋和预应力布置等。

目前鄂东长江公路大桥已进入了最后钢桥面铺装阶段，从各种监测及试验情况表明塔柱结构状况良好。

参考文献：

[1]彭晓彬陈杏枝.鄂东长江公路大桥桥塔设计[J].桥梁建设，2009，（5）：

40—48.

[2]詹建辉彭晓彬.鄂东长江公路大桥索塔锚固区抗裂设计[J].中外公路，2010，

（1）：

151—154.

[3]魏奇芬.钢锚箱在斜拉桥索塔锚固区中的应用[J].世界桥梁，2008，

（2）：

27—30.