大桥南汊桥主塔中塔柱施工方案介绍样本.doc

南京长江第二大桥南汊桥主塔中
塔柱施工方案介绍
宋达 盛红专
（湖南省公路桥梁建设总企业）
【摘要】本文介绍了南京长江第二大桥主塔中塔柱施工方案构思，较为具体地介绍了主动横撑设置。
【关键词】中塔柱施工 主动横撑 主动支架 被动支架 主动力 悬臂裸塔爬模施工

一、工程概况
南京长江第二大桥南汊主桥为双塔双索面五跨连续钢箱梁斜拉桥。其主塔采取倒Y形空间索塔（见图1），塔高195．55m，为钢筋混凝土结构，由下、中、上塔柱和横梁组成。其中中塔柱（从下横梁顶面至中横梁底面）高91.30m，斜率为1：5．8395，截面为非对称六边形空心薄壁结构（见图2）。塔柱及横梁均采取50号混凝土。在施工中要求塔柱倾斜度不得大于H/3000（H为塔高），轴线偏位许可偏差±10mm。因为塔柱体型特殊，质量要求高，施工操作面小，工程量大，又是高空作业，同时为确保大桥最好合龙期，整个塔柱必需在要求时段内完工，从而中塔柱施工成为全塔按质按期完工一个关键步骤。

二、中塔拉施工方案构思
中塔柱施工现在通常全部采取悬臂裸塔法爬模法施工。该方法一能够有效处理高空模板安装就位，提升高空作业安全性；二摒弃了满堂搭设脚手架管施工繁琐工艺，大大简化了施工工序，从而能够极大加紧施工进度；三能够利用手动葫芦等小型机械设备作为爬架、模板提升本身动力，大大缓解垂直运输压力。但这种方法通常全部用在索塔高在150m以内、中塔柱斜率较小、施工悬臂不大情况下。而南京二桥中塔柱高为91.3m，斜率为1：5.8395，如此高又大斜率中塔柱如仍然简单地套用通常悬臂裸塔法爬模施工，则因为中塔柱大斜率而在大悬臂状态下由自重和施工荷载等产生水平分力会在中塔柱根部形成较大弯矩，使中塔柱根部外侧混凝土出现较大拉应力而引发开裂，且成桥后中塔柱根部内、外侧压应力严重不均而使成桥后中塔柱内侧岸应力严重超出设计要求，从而影响索塔使用寿命。所以在施工过程中设置一定支撑来降低水平分力影响，使施工附加应力控制在设计许可范围内是必不可少。
为了降低水平分力影响设置支撑方法通常有两种。第一个为在中塔柱施工过程中搭设满堂脚手架支撑。因为此方法①工作量大，花费人力、物力多，工作效率不高，进度慢，影响工期；②伴随塔柱高度增加，脚手架管搭设会愈加麻烦，而且在风力影响下，施工安全度也大大下降；③施工中需设置水平稳定流架及塔吊、电梯附墙桁架，这将和满堂架管
发生冲突，使其操作产生困难；④满堂支架属于被动支架，它本身存在很大弹性、非弹性变形，无法克服中塔柱施工过程中自重和施工荷载引发附加应力，将无法满足施工需要，显然满堂支架是不能采取。
第二种方法是采取横向钢管支撑：①此方法也可用几道直径较大横向钢管支撑作为临时横系梁在中塔柱施工过程中分隔一定高度，和塔柱临时团结在一起形成框架，增强塔柱施工过程中稳定性和安全性，且本身横向有很好刚度又能作为塔吊和电梯附墙；②因为施工难度和工作量相对少，效率高，对施工进度有利；③最根本一点为在安装横向钢管支撑时可利用它本身较大刚度和强度用千斤顶对中塔往内壁施力变被动支撑为主动支撑，完成克服中塔柱施工过程中因自重和施工荷载而引发附加应力积累，所以采取横撑是较为简练而又行之有效方案。
中塔柱施工方案标准最终确定为悬臂裸塔爬模法施工加主动横撑方法。即利用悬臂裸塔爬模施工浇筑至一定高度加设一道模撑主动施力，克服悬臂状态下附加应力，再继续悬臂浇筑一定高度加第二道横撑，如这类推完成中塔柱施工。成塔后拆除全部横撑。

三、主动横撑设计部署
主动模撑设计部署包含横撑支撑位置、主动力和横撑结构选定。
1．横撑支撑位置确定标准和方法
因为中塔柱根部混凝土截面应力控制是整个中塔柱施工方案设计中控制关键。确定横撑支撑位置是依据中塔柱根部在悬臂浇筑过程中自重及施工荷载作用下不产生裂缝（应留有安全贮备）最大悬臂高度扣除一定高度（关键考虑爬模工作空间综合塔吊和电梯附着位置）。其方法为：
（1） 第一道横撑
δ=My/J-N/A≤R1K
h=H-Δ
式中δ--中塔柱根受拉边缘混凝土计算拉应力；
M--第一道横撑施加前中塔柱根部高度计算范围内索塔自重及施工荷载在根部产生弯矩；
J--中塔柱根部截面中惯性矩；
y—中塔柱根部截面性轴到受拉边缘距离；
N--第一道横撑施加前中塔柱根部高度计算范围内索塔自重及施工荷载在根部产生轴力；
A--中塔柱根部截面中面积；
R1--中塔柱浇筑到H高度中塔往根部混凝土预期标号极限拉应力；
K--安全系数；
h--横撑高度；
Δ--扣除高度值。
（2）其它横撑
因为安装好第一道横撑后，其和悬臂状态中塔柱组成一个框架。第一道横撑上部新浇筑塔柱自重对第一道横撑位置中塔柱混凝土截面影响显著。而对中塔柱根部截面应力影响就很小，所以确定第二道横撑位置方法为对第一道横撑位置中塔柱混凝土截面进行应力控制以确定第二道横撑高度。依这类推，确定其它横撑位置，直至中塔柱（含中横梁）浇筑完成。
2．主动力确定标准
横撑位置确定后，主动施力大小成为控制施工过程应力关键。力小达不到预期效果，力大过犹不及，甚至会影响中塔柱整体线形。对此，我们对变形和内力进行双控，在满足中塔柱各截面内力同时确保线形。我们以设计单位提供理想状态下成塔（在施工过程中不产生任何施工附加应力）内力为参考，确保塔柱完成后中塔柱内力和其尽可能靠近。计算各施工阶段在各节点产生水平位移，同时计算出在中塔柱施工完成后撤消各横撑后在中塔柱各节点产生水平位移，将上述水平位移总和作为中塔柱各阶段施工水平位移调整值（预偏量）使中塔柱线形符合设计要求。
3．计算方法和程序
（1）计算方法
a．按施工加载次序分阶段计算直至成塔全过程；
b．依据计划工期对应施工阶段计算月气温差影响；
C．对应加载阶段计算横撑加压荷载，计算中先按施加单位力（±1000kN）计算；
d．计算从上往下逐道撤消横撑，先按施加单位力（±1000kN）替换解除约束来计算；
e．依据（c）计算结果，分别以不一样压力试算，即在单位力影响矩阵上加载；
f．依据（e）计算结果和（a），（b）计算结果叠加，由此得出成塔时横撑端轴力；
g．将（f）计算得到横撑轴力和（d）计算结合，解出各横撑在撤消过老中梁端轴力，并由此算出撤消横撑时中塔柱各节点内力；
h．将（g）和（f）计算结果叠加，即得最终成塔时内力；
i． 所得最终止果再按施工加载次序复算一遍，并加上风载等临时荷载进行复核。
2）计算模型
计算模型按平面杆系结构处理，并依据施工次序建立不一样状态模型（见图3）

a．首先建立悬臂状态中塔柱模型，荷载关键考虑自重、施工荷载、风载等，按施工次序逐段增加，直至中塔柱根部外侧拉应力达成或靠近许可值（留有安全贮备）（图3（a））；
b．在依据前述方法确定第一道横撑位置施加单位水平力（1000kN）（图3（b））；
c.安装第一道横撑后，其和悬臂中塔柱形成框架（此时需假设模撑刚度），在此基础上继续分节浇筑，此时以第一道横撑位置截面为关键控制截面，同a理确定此基础上悬臂值（图3（c））；
d．反复步骤b，C直至中横梁浇筑完成。
（3）计算控制目标
施工成塔控制目标有两个：一是施工过程中关键荷载组合工况下塔柱各截面拉应力不超出1MPa（设计方法提出要求）；二是卸架成塔后，中塔柱弯矩分布和理想状态下成塔弯矩大致吻合。
（4）计算结果
经过反复计算比较，得到最终止果。共采取五道主动横撑，其部署见图4（a）。主动施力大小从下而上依次为 kN， 1500kN，1500kN，1500kN和800kN。按施工次序（含施加横撑主动力）及撤消横撑后索塔应力见表1。图4（b）所表示为理想状态成塔和五道主动横撑施工成塔后中塔柱弯矩图，从图中可看出，采取五道主动横撑施工和理想状态下成塔效果大致吻合。

4．横撑结构确实定
依据受力计算，每道横撑由4根φ630mm（δ11）钢管组成，顺桥向两两并排对称部署。并排钢管之间用型钢连接组成平
面桁架，增加顺桥向稳定，且确保塔吊及电梯附着强度和刚度。为降低横撑自重挠度，增加竖向整体刚度，也为方便横撑架设和施力，在横撑中部设置8根钢管立柱。立柱上设有顺桥向牛腿，用以支撑横撑。立柱间也用型钢连接，同横撑桥架一起组成空间揭架，增加施工过程中整体稳定。横撑施力前从中部一分为二，两端和塔柱预埋件焊接，中间部位搁置在立柱牛腿上，利用立柱作为工作平台，在横撑中部设置千斤顶施力系统。施力完成后，将中部焊接联成一体。

四、中塔柱方案实施关键点及工艺步骤
1． 工艺步骤（图5）

2．实施关键点
（l爬架立模严格按设计给定坐标（含预偏）定位；
（2）横撑在车间加工制作，确保加工制作精度，注意横撑端头局部加强处理，预防应力集中，确保焊接质量，经过验收后方能使用；
（3）在立柱牛腿上设置限位装置，预防在千斤顶施力过程中横撑移动，确保施力安全；
（4）施力过程通常选择在清晨进行，避免日照影响；
（5）千斤顶分三级施力，并做好每级横撑加力和位移统计，顶推力到位后千斤顶持压，同时焊接联结钢板，将横撑联为整体；
（6）待焊接部件强度达成要求后撤出千斤顶；
（7）对每一施工阶段，关键是横撑设置前后，做好中塔柱根部预埋钢弦计统计，随时掌握中塔柱应力情况，如有必需立即调整。

五、结束语

南京二桥南汊桥南北索塔施工原计划工期从1999年5月26日到1999年8月26日共93天，因为采取了悬臂裸塔法爬模施工结合主动横撑方法，实际工期从1999年5月25（26）日到 1999年 8月 26日分别在 70天和80天内就顺利完成，平均施工进度为 1.3m/d和1．25m／d。同时经过在中塔柱根部预埋钢弦计测得数据表明，在整个索塔施工过程中中塔柱根部应力一直未超出设计许可应力值，成塔后中塔柱根部内力和计算值基础相符，线形也保持得很好。实测完工资料表明，索塔轴线偏位小于±7mm，倾斜度小于H/0，索塔综合评分为97．6分，工程质量优良。实践证实在中塔柱施工中爬模法结合主动模撑对塔柱应力进行控制达成了预期效果，在高质高速前提下节省了人力物力，对于既高又斜塔柱是一个可行施工方法。