黃艤長江大橋H型索塔下塔肢鋼絞線對拉系統(tǒng)設計

1、黃艤長江大橋H型索塔下塔肢鋼絞線對拉系統(tǒng)設計唐棟梁，余勇，王孝國（中交二航局二公司，重慶 400042）摘 要： 斜拉橋H型索塔下塔肢由于外傾，當施工到一定高度后，其內(nèi)側(cè)根部混凝土將產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度值后，混凝土將出現(xiàn)破壞裂縫，故通常2塔肢需要對拉以消除該拉應力。以黃艤長江大橋4#高塔為例，介紹H型索塔下塔肢對拉設計的計算思路和要點，該方法也適用于內(nèi)傾型塔肢進行鋼管樁對撐計算。關鍵詞：索塔；下塔肢；對拉；主動預應力The Design of the Bottom Limb Counter Brace System used for the H-type Tower Hua

2、ngyi Yangtze River BridgeTang Dongliang，Yu Yong，Wang XiaoguoChina Communications 2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co., Ltd.(CSNEC)，Chongqing，Zip Code：400042Abstract: Due to the bottom limb extroversion of the H-type tower in a cable-stayed bridge, after reaching a certain height in the constr

3、uction, tensile stress will turn up inside the bottom limb of the tower. Usually, by means of setting a counter brace so that the tensile stress will be eliminated. In this thesis, introduce the design of counter brace which is used for the NO.4 high heterotype tower in Huangyi yangtze river bridge,

4、 the method that introduced in the thesis also be appropriate for the calculation of steel pipe pile on hold in the adduction type tower.Keywords: Tower，Bottom Limb，Counter Brace，Active Prestressed1 工程概況黃艤長江大橋位于四川省瀘州市，主橋為10跨連續(xù)梁、半漂浮體系、高低雙塔、不對稱雙索面、混合梁斜拉橋，其中高塔塔高210m，低塔塔高123.5m，跨江主橋總長953m，主跨徑520m，橋型及橋跨總

5、體布置立面見圖1。收稿日期：2011-3-21作者簡介：唐棟梁（1974-），男，重慶市人，本科，工程師.索塔為H型塔，C50混凝土澆筑，為體現(xiàn)瀘州酒文化特色，整個塔身外輪廓由折角改成了圓曲線，其外形酷似酒瓶。索塔施工過程中，為消除下塔肢內(nèi)側(cè)根部混凝土的拉應力，2下塔肢用鋼絞線進行了主動對拉。單位：m圖1 橋型及橋跨總體布置立面2 下塔肢在自重下的破壞機理H型索塔下塔肢由于外傾，塔肢重力（，含自重及施工模板等其它荷載）沿垂直于塔身方向的分力（）將產(chǎn)生附加彎矩，沿著塔身方向的分力（）將產(chǎn)生壓應力。隨著塔肢澆筑高度不斷增加，附加彎矩值將逐步增大，當附加彎矩值增加到某一臨界值后，彎矩在塔肢內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生

6、的拉應力正好等于分力產(chǎn)生的壓應力。此后，塔肢內(nèi)側(cè)混凝土將由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，當拉應力超過塔肢混凝土自身抗拉強度值后，混凝土將出現(xiàn)受拉破壞裂縫。下塔肢為空心薄壁結構，在空心段與實心段交界處截面突變，該處應力最為集中，若產(chǎn)生破壞則該處將首先破壞，破壞機理示意見圖2。因此，在下塔肢內(nèi)側(cè)混凝土出現(xiàn)有害拉應力前，必須施加主動預應力以使塔肢內(nèi)側(cè)混凝土呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，特別是澆筑下橫梁第1次混凝土前，應給予下塔肢內(nèi)側(cè)混凝土一定的壓應力儲備，防止下塔肢在下橫梁重力作用下出現(xiàn)拉應力甚至有害裂縫。圖2 下塔肢破壞機理示意3 澆筑節(jié)段劃分下塔肢分7次澆筑完成，下橫梁分2次澆筑完成（塔梁同步施工），每次澆筑對應1個

7、澆筑節(jié)段，因此，下塔肢及下橫梁共劃分為9個澆筑節(jié)段，見圖3。圖3 下塔肢及下橫梁澆筑節(jié)段劃分澆筑節(jié)段劃分后，可計算出下塔肢在哪節(jié)段澆筑后內(nèi)側(cè)根部開始出現(xiàn)拉應力，以及各節(jié)段澆筑后塔肢根部拉應力的大小，從而進一步確定鋼絞線的對拉位置及對拉力的大小。4 下橫梁混凝土對下塔肢應力的影響分析考慮下橫梁混凝土對下塔肢應力的影響時，僅考慮下橫梁第1次澆筑的混凝土（對應第8澆筑節(jié)段），下橫梁第1次混凝土澆筑后，2塔肢已經(jīng)剛性連接，下橫梁第2次混凝土（對應第9澆筑節(jié)段）澆筑后，對下塔肢內(nèi)側(cè)根部拉應力產(chǎn)生的影響甚微。對于下橫梁第1次澆筑的混凝土，圖4中陰影部分的重量通過鋼管樁直接作用在索塔底部實心段V型區(qū)，沒有作

8、用在塔肢上，因而該部分混凝土對下塔肢的應力變化不產(chǎn)生影響。塔梁交界處的混凝土（圖4中第8澆筑節(jié)段未畫陰影部分）通過鋼管樁作用在塔肢上，該部分混凝土對塔肢應力變化影響較大。因此，在計算下塔肢應力時，下橫梁混凝土僅考慮第8澆筑節(jié)段塔梁交界處的混凝土重量（含塔肢自重及施工模板等其它荷載）。圖4 下橫梁第1次混凝土對下塔肢應力影響示意5 自重下塔肢應力計算5.1 計算假定計算中存在如下2個假定：一是假定混凝土本身是各向同性的勻質(zhì)連續(xù)構件；二是不考慮塔肢鋼筋參與受力。5.2 自重下應力計算1）計算公式下塔肢內(nèi)側(cè)面混凝土應力由2部分應力疊加而成，即產(chǎn)生的彎矩形成的彎曲拉應力與形成的軸向壓應力進行疊加，按偏

9、心荷載考慮，則自重下塔肢應力計算公式為：式中，為應力（正值為拉應力，負值為壓應力），Pa；為產(chǎn)生的附加彎矩，Nm；為計算截面的慣性矩，m4；為塔肢內(nèi)側(cè)混凝土外邊緣到中性軸的距離，m；為計算截面的面積，m2；為產(chǎn)生的偏心彎矩，Nm。2）計算模型產(chǎn)生的拉應力按懸臂梁進行計算，將塔肢視角作適當旋轉(zhuǎn)（圖5），可以很直觀地看見，產(chǎn)生的彎矩可按懸臂梁模型來計算，受力最不利截面為計算截面，計算截面內(nèi)側(cè)中點為計算點。圖5 懸臂梁計算模型示意3）計算荷載混凝土荷載：各澆筑節(jié)段計算的有效混凝土方量如圖6所示，鋼筋混凝土容重按26kN/m3考慮。圖6 各澆筑節(jié)段計算的有效混凝土方量施工荷載：模板系統(tǒng)及其它施工荷載按

10、240kN考慮。4）計算截面參數(shù)計算截面見圖7。根據(jù)力矩平衡原理，勻質(zhì)等厚平面圖形的形心計算公式為：，因此，可求得計算截面的形心位置及中性軸（中性軸通過截面形心）。根據(jù)材料力學，計算截面的慣性矩，因此可求得計算截面沿中性軸（y軸）的慣性矩，此外，很容易求得計算截面的面積。 單位：cm圖7 計算截面參數(shù)5）計算結果根據(jù)計算模型，求出計算荷載對計算截面產(chǎn)生的力矩，將力矩及計算截面參數(shù)等數(shù)據(jù)代入計算公式，可以得出塔肢在自重下計算截面計算點受到的組合應力。計算結果見表1。表1 自重下塔肢應力計算（內(nèi)側(cè)根部）節(jié)段編號混凝土方量/m3單節(jié)段混凝土重量/kN節(jié)段重量累計/kN混凝土平行計算截面分力/kN混凝

11、土垂直計算截面分/kN混凝土質(zhì)心到計算截面距離/m模板等重量/kN模板等平行計算截面分力/kN模板等垂直計算截面分力/kN模板等質(zhì)心到計算截面距離/m拉應力/MPa壓應力/MPa組合應力/MPa39825482548120122461.4972401132121.497+0.027-0.015+0.012413735626110288053872.992401132124.06+0.124-0.109+0.0155175455010660502593984.9762401132127.64+0.353-0.242+0.11161634238148987023131357.05424011321

12、212.256+0.695-0.411+0.28471353510184088678162308.85224011321216.486+1.073-0.609+0.4648356925627664130412439012.46844020738820.247+2.275-1.489+0.786由表1可見，下塔肢第3節(jié)段澆筑后，內(nèi)側(cè)根部計算點即出現(xiàn)了拉應力，但拉應力很小，只有0.01MPa，故可以認為塔肢還處于受壓狀態(tài)。整個下塔肢混凝土澆筑完畢后，計算點達到約0.46MPa的拉應力；而下橫梁第1次混凝土澆筑后，計算點拉應力則上升到約0.8MPa。綜上所述，可得出如下結論：下塔肢澆筑完畢后拉應力已

13、經(jīng)較大，但仍遠小于C50混凝土抗拉強度設計值1.89MPa，混凝土不會開裂。因此，可在整個下塔肢澆筑完成后再實施對拉，這樣可保證下橫梁第1次混凝土澆筑前后塔肢均呈現(xiàn)全斷面受壓的良好狀態(tài)。需注意，下塔肢必須實施對拉，否則，其內(nèi)側(cè)根部拉應力無法消除，塔肢的應力狀態(tài)始終不好。6 鋼絞線對拉位置布置在下塔肢最后1節(jié)（第7澆筑節(jié)段）設置鋼絞線對拉系統(tǒng)，共采用4束15-19的預應力體系（其中2束為預留鋼束，只預埋管道，出現(xiàn)意外時才穿束備用），鋼絞線在塔肢南北兩側(cè)對稱布置，高24.5m。鋼絞線應避開下橫梁鋼管樁支架系統(tǒng)，采用內(nèi)徑90mm、外徑106mm塑料波紋管，并在塔肢外側(cè)設置張拉平臺。鋼絞線對拉系統(tǒng)總體

14、布置見圖8、圖9。單位：cm圖8 鋼絞線位置立面布置單位：cm圖9 鋼絞線位置平面布置7 主動預應力與塔肢自重共同作用下塔肢應力計算將主動預應力（水平力）也分解為平行于計算截面的分力（）及垂直于計算截面的分力（），其中按偏心荷載考慮，見圖10。將以上分力產(chǎn)生的應力與重力分力產(chǎn)生的應力進行疊加，重新計算塔肢根部混凝土的組合應力，結果見表2。圖10 主動預應力分解示意表2 主動預應力與自重共同作用下的塔肢根部應力計算節(jié)段編號混凝土量/m3單節(jié)段混凝土重量/kN節(jié)段重量累計/kN混凝土平行計算截面分力/kN混凝土垂直計算截面分力/kN混凝土質(zhì)心到計算截面距離/m模板等重量/kN模板等平行計算截面分力

15、/kN模板等垂直計算截面分力/kN模板質(zhì)心到計算截面距離/m主動對拉力/kN對拉平行計算截面分力/kN對拉垂直計算截面分力/kN拉應力/MPa壓應力/MPa組合應力/MPa備注71353510184088678162308.85224011321216.486630055562970+1.073-1.956-0.883內(nèi)側(cè)1353510184088678162308.85224011321216.486630055562970+1.09-1.0830.007外側(cè)8356925627664130412439012.46844020738820.247630055562970+2.275-2.83

16、6-0.561內(nèi)側(cè)356925627664130412439012.46844020738820.247630055562970+1.09-1.61-0.52外側(cè)由表2可以看出，整個下塔肢混凝土澆筑完成后，總共施加6300kN主動預應力（每束3150kN），塔肢內(nèi)側(cè)達到約0.9MPa壓應力，塔肢外應力很小，近乎為零。下橫梁第1次混凝土澆筑后，塔肢根部內(nèi)外側(cè)應力均達到約0.5MPa壓應力，塔肢呈現(xiàn)全斷面受壓狀態(tài)，應力分布較為均衡，塔肢受力狀態(tài)良好。8 鋼絞線對拉實施鋼絞線采用后穿束形式，為防止在澆筑索塔混凝土過程中波紋管進漿堵塞孔道，波紋管兩端頭用棉紗塞孔。鋼絞線采用標準強度為1860MPa的1

17、5.24mm鋼絞線，每孔19束，施加預應力3150kN，即每束施加應力，式中，為鋼絞線橫斷面面積，mm2。采用4臺500t千斤頂兩端對稱張拉，應力與伸長值雙控制，以應力控制為主，伸長值校核為輔。鋼絞線計算長度（含張拉工作長度），則伸長值，式中，為鋼絞線伸長值，cm；為鋼絞線彈性模量，MPa。鋼絞線實際伸長值為兩端伸長值之和。2束鋼絞線按照對稱、同步、緩慢、逐級加載的原則進行張拉，嚴禁塔肢混凝土大偏心受壓。9 結束語為有效監(jiān)控塔肢施工過程中的應力，并驗證計算結果的正確性，施工單位在索塔內(nèi)側(cè)預埋了振弦式應力傳感器，監(jiān)測結果表明，實測數(shù)據(jù)跟計算結果比較接近，差值在0.1MPa左右，實測數(shù)據(jù)約小，證明

18、本文提供的計算方法具有一定的科學性。此外，還需強調(diào)以下幾點：本文的計算方法是建立在材料力學相關理論基礎之上，混凝土應符合勻質(zhì)、各向同性的假定，若塔肢混凝土離析，力學性能不均勻，計算結果會有較大偏差。計算中的另一個假定是鋼筋不參與受力，但混凝土中實際存在鋼筋，鋼筋會參與受力，因而混凝土的實際拉應力較計算值約小。對于異形塔肢，求得最不利截面比較困難，往往需要假定幾個最不利截面，然后計算各截面的應力并進行比較后確定。參考文獻1 中交公路規(guī)劃設計院有限公司.黃艤長江大橋兩階段施工圖設計Z.北京：中交公路規(guī)劃設計院有限公司，2010.2 孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學()第四版M.北京：高等教育出版社，2002.3 徐有鄰，周 氏.混凝土結構設計規(guī)范理解與應用M.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.4 中華人民共和國建設部.GB 500102002 混凝土結構設計規(guī)范S.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.5 中華人民共和國建設部.GB 500102002 混凝土結構設計規(guī)范條文說明S.