黃艤長江大橋H型索塔下塔肢鋼絞線對(duì)拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、黃艤長江大橋H型索塔下塔肢鋼絞線對(duì)拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)施工到一定高度后，其內(nèi)側(cè)根部混凝土將產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度值后，混凝土將出現(xiàn)破壞裂縫，故通常2塔肢需要對(duì)拉以消除該拉應(yīng)力。以黃艤長江大橋4#高塔為例，介紹H型索塔下塔肢對(duì)拉設(shè)計(jì)的計(jì)算思路和要點(diǎn)，該方法也適用于內(nèi)傾型塔肢進(jìn)行鋼管樁對(duì)撐計(jì)算。關(guān)鍵詞：索塔；下塔肢；對(duì)拉；主動(dòng)預(yù)應(yīng)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?yàn)?0跨連續(xù)梁、半漂浮體系、高低雙塔、不對(duì)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(jiǎn)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(gè)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(yīng)力，2下塔肢用鋼絞線進(jìn)行了主動(dòng)對(duì)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(jī)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(yīng)力。隨著塔肢澆筑高度不斷增加，附加彎矩值將逐步增大，當(dāng)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(yīng)力正好等于分力產(chǎn)生的壓應(yīng)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(dāng)拉應(yīng)力超過塔肢混凝土自身抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)，在空心段與實(shí)心段交界處截面突變，該處應(yīng)力最為集中，若產(chǎn)生破壞則該處將首先破壞，破壞機(jī)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(yīng)力前，必須施加主動(dòng)預(yù)應(yīng)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(yīng)給予下塔肢內(nèi)側(cè)混凝土一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，防止下塔肢在下橫梁重力作用下出現(xiàn)拉應(yīng)力甚至有害裂縫。圖2 下塔肢破壞機(jī)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(duì)應(yīng)1個(gè)

7、澆筑節(jié)段，因此，下塔肢及下橫梁共劃分為9個(gè)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(jì)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(yīng)力，以及各節(jié)段澆筑后塔肢根部拉應(yīng)力的大小，從而進(jìn)一步確定鋼絞線的對(duì)拉位置及對(duì)拉力的大小。4 下橫梁混凝土對(duì)下塔肢應(yīng)力的影響分析考慮下橫梁混凝土對(duì)下塔肢應(yīng)力的影響時(shí)，僅考慮下橫梁第1次澆筑的混凝土（對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)第9澆筑節(jié)段）澆筑后，對(duì)下塔肢內(nèi)側(cè)根部拉應(yīng)力產(chǎn)生的影響甚微。對(duì)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(shí)心段V型區(qū)，沒有作

8、用在塔肢上，因而該部分混凝土對(duì)下塔肢的應(yīng)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(duì)塔肢應(yīng)力變化影響較大。因此，在計(jì)算下塔肢應(yīng)力時(shí)，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(duì)下塔肢應(yīng)力影響示意5 自重下塔肢應(yīng)力計(jì)算5.1 計(jì)算假定計(jì)算中存在如下2個(gè)假定：一是假定混凝土本身是各向同性的勻質(zhì)連續(xù)構(gòu)件；二是不考慮塔肢鋼筋參與受力。5.2 自重下應(yīng)力計(jì)算1）計(jì)算公式下塔肢內(nèi)側(cè)面混凝土應(yīng)力由2部分應(yīng)力疊加而成，即產(chǎn)生的彎矩形成的彎曲拉應(yīng)力與形成的軸向壓應(yīng)力進(jìn)行疊加，按偏

9、心荷載考慮，則自重下塔肢應(yīng)力計(jì)算公式為：式中，為應(yīng)力（正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力），Pa；為產(chǎn)生的附加彎矩，Nm；為計(jì)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(jì)算截面的面積，m2；為產(chǎn)生的偏心彎矩，Nm。2）計(jì)算模型產(chǎn)生的拉應(yīng)力按懸臂梁進(jìn)行計(jì)算，將塔肢視角作適當(dāng)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(jì)算，受力最不利截面為計(jì)算截面，計(jì)算截面內(nèi)側(cè)中點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn)。圖5 懸臂梁計(jì)算模型示意3）計(jì)算荷載混凝土荷載：各澆筑節(jié)段計(jì)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(jì)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(jì)算截面參數(shù)計(jì)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(jì)算公式為：，因此，可求得計(jì)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(xué)，計(jì)算截面的慣性矩，因此可求得計(jì)算截面沿中性軸（y軸）的慣性矩，此外，很容易求得計(jì)算截面的面積。 單位：cm圖7 計(jì)算截面參數(shù)5）計(jì)算結(jié)果根據(jù)計(jì)算模型，求出計(jì)算荷載對(duì)計(jì)算截面產(chǎn)生的力矩，將力矩及計(jì)算截面參數(shù)等數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式，可以得出塔肢在自重下計(jì)算截面計(jì)算點(diǎn)受到的組合應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見表1。表1 自重下塔肢應(yīng)力計(jì)算（內(nèi)側(cè)根部）節(jié)段編號(hào)混凝土方量/m3單節(jié)段混凝土重量/kN節(jié)段重量累計(jì)/kN混凝土平行計(jì)算截面分力/kN混凝

11、土垂直計(jì)算截面分/kN混凝土質(zhì)心到計(jì)算截面距離/m模板等重量/kN模板等平行計(jì)算截面分力/kN模板等垂直計(jì)算截面分力/kN模板等質(zhì)心到計(jì)算截面距離/m拉應(yīng)力/MPa壓應(yīng)力/MPa組合應(yīng)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(jì)算點(diǎn)即出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力很小，只有0.01MPa，故可以認(rèn)為塔肢還處于受壓狀態(tài)。整個(gè)下塔肢混凝土澆筑完畢后，計(jì)算點(diǎn)達(dá)到約0.46MPa的拉應(yīng)力；而下橫梁第1次混凝土澆筑后，計(jì)算點(diǎn)拉應(yīng)力則上升到約0.8MPa。綜上所述，可得出如下結(jié)論：下塔肢澆筑完畢后拉應(yīng)力已

13、經(jīng)較大，但仍遠(yuǎn)小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.89MPa，混凝土不會(huì)開裂。因此，可在整個(gè)下塔肢澆筑完成后再實(shí)施對(duì)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(shí)施對(duì)拉，否則，其內(nèi)側(cè)根部拉應(yīng)力無法消除，塔肢的應(yīng)力狀態(tài)始終不好。6 鋼絞線對(duì)拉位置布置在下塔肢最后1節(jié)（第7澆筑節(jié)段）設(shè)置鋼絞線對(duì)拉系統(tǒng)，共采用4束15-19的預(yù)應(yīng)力體系（其中2束為預(yù)留鋼束，只預(yù)埋管道，出現(xiàn)意外時(shí)才穿束備用），鋼絞線在塔肢南北兩側(cè)對(duì)稱布置，高24.5m。鋼絞線應(yīng)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(shè)置張拉平臺(tái)。鋼絞線對(duì)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(dòng)預(yù)應(yīng)力與塔肢自重共同作用下塔肢應(yīng)力計(jì)算將主動(dòng)預(yù)應(yīng)力（水平力）也分解為平行于計(jì)算截面的分力（）及垂直于計(jì)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(yīng)力與重力分力產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行疊加，重新計(jì)算塔肢根部混凝土的組合應(yīng)力，結(jié)果見表2。圖10 主動(dòng)預(yù)應(yīng)力分解示意表2 主動(dòng)預(yù)應(yīng)力與自重共同作用下的塔肢根部應(yīng)力計(jì)算節(jié)段編號(hào)混凝土量/m3單節(jié)段混凝土重量/kN節(jié)段重量累計(jì)/kN混凝土平行計(jì)算截面分力/kN混凝土垂直計(jì)算截面分力/kN混凝土質(zhì)心到計(jì)算截面距離/m模板等重量/kN模板等平行計(jì)算截面分力

15、/kN模板等垂直計(jì)算截面分力/kN模板質(zhì)心到計(jì)算截面距離/m主動(dòng)對(duì)拉力/kN對(duì)拉平行計(jì)算截面分力/kN對(duì)拉垂直計(jì)算截面分力/kN拉應(yīng)力/MPa壓應(yīng)力/MPa組合應(yīng)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(gè)下塔肢混凝土澆筑完成后，總共施加6300kN主動(dòng)預(yù)應(yīng)力（每束3150kN），塔肢內(nèi)側(cè)達(dá)到約0.9MPa壓應(yīng)力，塔肢外應(yīng)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(yīng)力均達(dá)到約0.5MPa壓應(yīng)力，塔肢呈現(xiàn)全斷面受壓狀態(tài)，應(yīng)力分布較為均衡，塔肢受力狀態(tài)良好。8 鋼絞線對(duì)拉實(shí)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(jìn)漿堵塞孔道，波紋管兩端頭用棉紗塞孔。鋼絞線采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860MPa的1

17、5.24mm鋼絞線，每孔19束，施加預(yù)應(yīng)力3150kN，即每束施加應(yīng)力，式中，為鋼絞線橫斷面面積，mm2。采用4臺(tái)500t千斤頂兩端對(duì)稱張拉，應(yīng)力與伸長值雙控制，以應(yīng)力控制為主，伸長值校核為輔。鋼絞線計(jì)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(shí)際伸長值為兩端伸長值之和。2束鋼絞線按照對(duì)稱、同步、緩慢、逐級(jí)加載的原則進(jìn)行張拉，嚴(yán)禁塔肢混凝土大偏心受壓。9 結(jié)束語為有效監(jiān)控塔肢施工過程中的應(yīng)力，并驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，施工單位在索塔內(nèi)側(cè)預(yù)埋了振弦式應(yīng)力傳感器，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)跟計(jì)算結(jié)果比較接近，差值在0.1MPa左右，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)約小，證明

18、本文提供的計(jì)算方法具有一定的科學(xué)性。此外，還需強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：本文的計(jì)算方法是建立在材料力學(xué)相關(guān)理論基礎(chǔ)之上，混凝土應(yīng)符合勻質(zhì)、各向同性的假定，若塔肢混凝土離析，力學(xué)性能不均勻，計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大偏差。計(jì)算中的另一個(gè)假定是鋼筋不參與受力，但混凝土中實(shí)際存在鋼筋，鋼筋會(huì)參與受力，因而混凝土的實(shí)際拉應(yīng)力較計(jì)算值約小。對(duì)于異形塔肢，求得最不利截面比較困難，往往需要假定幾個(gè)最不利截面，然后計(jì)算各截面的應(yīng)力并進(jìn)行比較后確定。參考文獻(xiàn)1 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.黃艤長江大橋兩階段施工圖設(shè)計(jì)Z.北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，2010.2 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)()第四版M.北京：高等教育出版社，2002.3 徐有鄰，周 氏.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)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(shè)部.GB 500102002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)部.GB 500102002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條文說明S.