鄂东长江公路大桥索塔设计与施工.doc

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鄂东长江公路大桥索塔设计与施工

彭晓彬

（湖北省交通规划设计院，湖北武汉，430051）

摘要：

湖北鄂东长江公路大桥是主跨926m的九跨连续半漂浮双塔混合梁斜拉桥，索塔采用“凤翎”式钢筋混凝土结构，斜拉索塔端锚固方式采用钢锚箱结构。

本文简要介绍了湖北鄂东长江公路大桥索塔的结构构造、受力计算及施工方案，可为同类桥梁设计及施工提供有益的参考。

关键词：

斜拉桥索塔设计钢锚箱仿真分析施工特点

1工程概况

鄂东长江公路大桥是沪渝高速公路湖北省东段和大庆至广州高速公路湖北段的共用过江通道。

桥址位于黄石长江公路大桥上游约1.3km处。

主桥为主跨926m的九跨连续半漂浮体系双塔混合梁斜拉桥，主跨跨径居斜拉桥世界第三。

大桥主梁全宽38m（含斜拉索锚固区），梁高3.8m（梁中心线处），采用钢-混凝土结合箱梁，钢箱梁外形与混凝土箱梁一致，均为分离式双箱单室结构。

钢-混凝土结合段位于主跨侧，距桥塔中心线12.5m。

边跨设置三个辅助墩和一个过渡墩，主桥长1476m，其桥跨布置见下图1。

图1主跨926m双塔混合梁斜拉桥桥型布置图单位：

m

鄂东长江公路大桥索塔设计将湖北荆楚文化与现代桥梁工程相结合，以“凤翎”的元素符号为表现形式，通过线条的处理和形体的秀化，使桥塔内敛含蓄，别具一格，新颖又不乏神韵（见图2）。

整个主塔由五部分组成，从下至上依次为下塔柱、下横梁、中塔柱、中上塔柱连接部、上塔柱，两塔柱根部间设有元宝形混凝土块，与塔柱组成整体，索塔采用C50混凝土。

索塔塔柱采用单箱单室断面，两根塔柱于标高165.0m处合拢为一根塔柱。

塔顶高程257.5m，塔底（即承台顶面）高程北塔为15.0m，南塔为21.0m，北塔高242.5m，南塔高236.5m，桥面以上塔高均为204.82m，高跨比为0.221。

中塔柱横桥向外侧斜率为1/6.70070；下塔柱横桥向外侧斜率为1/3.71655。

由于中、下塔柱斜率较大，为控制塔柱变形，减少根部的初应力和增加塔柱的稳定性，施工时分别在中、下塔柱设置撑杆和拉杆。

索塔在施工过程中每道拉杆、主动横撑的增减，下横梁的形成，中上塔柱连接段的合拢等都是一次体系转换，不同的施工方法和施工顺序都会导致结构完全不同的受力状态，图2

因此对每一个施工环节都必须进行详细的结构计算，以保证施工方案的可行性，确保施工的顺利进行。

2下塔柱设计与施工

鄂东长江公路大桥索塔下横梁顶标高47.0m，北塔施工高度为32.0m，南塔施工高度为26.0m，横桥向外侧面斜率为1/3.04112，顺桥向斜率为1/106。

考虑到塔型的美观、下塔柱的防撞能力及为了使塔柱的力更均匀地传递给承台，下塔柱设置了外凸式和内凹式元宝块，外元宝块突出塔柱150cm，内元宝面与塔柱外齐平，下横梁底与内元宝顶采用了圆弧倒角连接。

由于下塔柱高度不大，在温度及下横梁预应力作用下，下塔柱及下横梁框架体系可能出现较大的拉应力，为了进一步了解下塔柱框架体系的受力状态，采用ansys程序对结构进行了仿真分析。

为了尽可能消除边界条件对下塔柱部分的应力影响，模型范围取南塔下横梁以上5米长度的中塔柱和全部下塔柱（含下横梁），桩基按计算取桩基等效长度。

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

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

1.37

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

内侧

外侧

内侧

外侧

内侧

外侧

内侧

外侧

内侧

外侧

内侧

外侧

内侧

外侧

第一道横撑顶推之前

1.68

-0.04

第二道横撑顶推之前

2.35

-0.04

1.61

-0.02

第三道横撑顶推之前

2.48

0.72

2.14

0.33

1.60

-0.04

第四道横撑顶推之前

2.42

1.63

2.24

1.10

2.01

0.45

1.61

-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

0.45

1.62

-0.08

第六道横撑顶推之前

3.13

2.56

2.85

2.17

2.54

1.69

2.27

1.12

2.05

0.45

1.73

-0.14

中塔柱合拢之前

3.23

2.46

2.91

2.14

2.47

1.73

2.06

1.30

1.65

0.87

1.19

0.42

0.52

0.17

中塔柱合拢后

4.86

4.04

4.55

3.76

4.18

3.41

3.85

3.02

3.48

2.62

3.08

2.24

2.42

2.11

拆第六道水平横撑后

4.85

4.04

4.55

3.76

4.19

3.40

3.84

3.01

3.50

2.62

3.06

2.28

2.32

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

2.64

2.69

2.47

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

3.21

2.48

2.86

2.75

1.82

拆第三道水平横撑后

5.55

3.33

5.08

3.21

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

2.86

3.89

3.67

2.84

4.00

2.34

3.77

2.47

2.89

3.35

1.24

拆第一道水平横撑后

6.86

1.99

5.31

2.96

3.82

3.75

2.80

4.06

2.32

3.80

2.48

2.89

3.40

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