临时单斜撑桥塔的施工方法

技术领域

本发明属于桥梁施工领域，特别涉及一种临时单斜撑桥塔的施工方法。

背景技术

桥塔塔柱横桥向多设计为倾斜结构，目的是表达高耸桥塔个性和视觉效果，桥梁的整体造型反映出建造师对美学的追求和文化的表达。更重要的是，桥塔塔柱设计必须适用于拉索或主缆的布置，传力应简单明确，在恒载的作用下，桥塔塔柱应尽可能处于轴心受压的状态。通常来看，桥塔塔柱的布置有单柱式、A字形、倒Y形和H形等几种。其中A字形和倒Y形在顺桥向刚度大，有利于承受桥塔塔柱两侧的不平衡拉力，A字形还可以减少主梁在桥塔塔柱处的负弯矩。由于桥塔塔柱独特的结构，桥塔塔柱自重及施工载荷垂直于桥塔塔柱方向的分力使其根部弯矩随着设计倾斜角度的增大相应增大，无论成桥状态还是施工过程中，桥塔塔柱均在钝角方向产生拉应变或较小的压应变。拉应力边达到一定数值时可能引起桥塔塔柱底部出现较大拉应变或是混凝土的开裂，影响桥塔塔柱的外观和使用寿命。为防止这种情况的发生，通常采用一定的方法使桥塔塔柱的不出现拉应力或拉应力在1MPa左右。

传统控制桥塔塔柱应力的方法有三种：一是满堂支架法，此方法工作量大、工作效率低且具有较大的危险性；二是设置横向水平撑，此法虽减少了工作量，但不能克服桥塔塔柱因自重产生的变形和侧向位移；三是使用千斤顶将方法二中的被动支撑变为主动支撑，此法虽然改进了以上两种方法的缺点，但是水平横撑构造上较长，水平施加效率低，为保障受力稳定性而采取较大截面，致使重量较大，因此现有水平横撑设置难度大、费用高、耗时较长、可靠性差。尤其是桥塔塔柱较高、斜度较大时，需设置多道横向水平撑或前述几种方案进行组合应用，现有技术、装备的弊端愈发突显。为了提高桥塔塔柱施工质量，降低时间成本及经济成本，急需一种横向水平力施加效率高、构造简单、重量较轻、内力可调的桥塔塔柱施工水平横向力施加方法，解决桥塔塔柱施工现有技术及装备的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供临时单斜撑桥塔的施工方法，提高桥塔施工过程的安全性和效率，降低施工成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种临时单斜撑桥塔的施工方法，包括以下步骤：

S1.制作斜撑装置，所述斜撑装置包括四条斜撑构件和受力件，四条斜撑构件围绕在受力件的侧面形成X形布局，每两条斜撑构件的延伸方向位于同一条直线上，四条所述斜撑构件的长度相同，各条所述斜撑构件的一端与受力件之间采用铰接连接；

S2.施工桥塔塔柱的根部，两个桥塔塔柱彼此呈靠拢或倾斜状态，当桥塔塔柱施工到规划高度后，在两个桥塔塔柱彼此靠近的内侧分别设置四个牛腿；

S3.监控桥塔塔柱的根部外侧位置的应力变化，继续施工桥塔塔柱一定高度后将斜撑装置安装到桥塔塔柱，此时四条斜撑构件的一端分别铰接牛腿，确保所述受力件所在高度高于所述牛腿所在高度，受力件位于两个桥塔塔柱的中间，四条斜撑构件均为倾斜状态，采用左右对称结构有利于均匀地传递受力；左侧的两条斜撑构件之间的夹角为锐角(10°～40°)，右侧的两条斜撑构件之间的夹角也为锐角，左侧和右侧之间的两条斜撑构件之间的夹角为钝角；

S4.在地面给所述受力件施加竖直方向向下的张拉力，四条斜撑构件为对称布局均匀传递张拉力，此时张拉力通过斜撑构件将力传递给两个桥塔塔柱，一部分张拉力被分成对称地左右支撑两个桥塔塔柱的推力，设定桥塔塔柱之间的跨度为B，桥塔塔柱的截面宽度为b，斜撑构件与水平面投影的角度为α，受力件受到的张拉力为F，一根斜撑构件所产生的水平力为f

桥塔塔柱受到的水平力为2·f

S5.继续施工两个桥塔塔柱至最终的规划高度，在两个桥塔塔柱之间施工混凝土支撑加固桥塔塔柱之后，拆除斜撑装置。

作为上述方案的改进，所述步骤S4中，在施加张拉力之后测量桥塔塔柱各个位置的应力情况，重点关注桥塔塔柱根部外侧的应力情况，如果桥塔塔柱的应力小于设定应力，则保持张拉力不变，如果桥塔塔柱的应力大于设定应力，则增大张拉力，将桥塔塔柱根部的应力控制在所需的应力范围内。

作为上述方案的改进，所述步骤S4中，在所述受力件的正下方的地面固定安装电动伸缩杆或液压杆或卷扬机，然后通过牵引绳连接所述受力件。

作为上述方案的改进，所述牵引绳上设置用于省力的动滑轮组。

作为上述方案的改进，四条所述斜撑构件在受力状态下，各个斜撑构件与水平面的夹角为2-35°，同一批的四条斜撑构件与水平面的夹角相同。

作为上述方案的改进，所述斜撑构件为钢管或型钢或多条较短的斜撑构件的组合，确保斜撑构件不易变形即可，同一批的四条斜撑构件选用相同的规格。

作为上述方案的改进，桥塔塔柱的倾斜程度为75°～85°，桥塔塔柱的最大施工高度为60m，斜撑装置所在的高度为20m～30m。

本发明具有如下有益效果：现将传统方法进行优化研究，改为三角锥斜撑形式，其原理是在斜撑装置顶端施加竖向力，从而分解出水平推力作用在桥塔塔柱上，以此减少自重和施工载荷产生的外侧应力。斜撑装置施加向下竖向力的方法较为简单，实现内力可调且效率高；与传统的水平横撑相比，在相同支撑效果的要求下，本发明的斜撑便能显著地取代多组水平横撑；具有桥塔施工质量好、时间成本低及经济效益好，本发明的桥梁施工横向水平力施加效率高、构造简单、重量较轻、内力可调的桥塔施工水平横向力施加方法，解决桥塔施工现有技术及装备的不足。

附图说明

图1是斜撑装置与桥塔塔柱的连接示意图；

图2是斜撑装置的俯视示意图；

图3是桥塔塔柱的横截面示意图；

图4是自重情况下桥塔塔柱高度与根部外侧应力的示意图；

图5是设置斜撑装置及三种不同的张拉力后桥塔塔柱各个高度位置的应力变化的示意图。

附图标记说明：10、桥塔塔柱；21、斜撑构件；22、受力件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参照图1至图5，本发明公开了一种临时单斜撑桥塔的施工方法，创新点是提出新的便于传递、控制力的斜撑装置及其对应的施工方法，实现更好的临时保护桥塔塔柱10的效果。

斜拉桥的桥塔塔柱10通常分节浇筑(如图1所示可以看到四节)，自重的增量随桥塔塔柱10施工高度变化。令桥塔塔柱10横向倾斜与地面的水平夹角为β，桥塔塔柱10分节施工，混凝土的容量为25kN/m

桥塔塔柱自重计算：

桥塔塔柱根部自重产生弯矩：

桥塔塔柱根部自重产生轴力：

结合上述三个式子和附图4可知，当角度β一定时，桥塔塔柱10根部自重产生的弯矩与施工垂直距离h

优化的斜撑装置，本实施例也称为斜撑，采用四根铰接的钢管一端与桥塔塔柱10铰接，另一端铰接在一起形成一定的角度，整体近似三角锥，并且为对称结构。四根斜撑构件21铰接在一起的位置施加向下的张拉力，如图1所示。根据力学分析，张拉力通过倾斜的斜撑构件21可以分解出水平横向力，依据水平横向力在一定程度上抵消桥塔塔柱10自重和施工产生的弯矩影响。由应力的计算公式可知，减少弯矩可以有效降低桥塔塔柱10应力。以下公式只考虑横桥向。

K——安全系数，R——根部混凝土的极限拉应力。将式(1-1)、(1-2)和(1-3)带入式(2-1)后得到式(2-2)。

如图1所示，在铰接处施加一个竖向F的力，要计算斜撑构件21产生的水平横向力，以下进行力学分析。由几何构造可知，每根斜撑构件21上受到竖直作用的大小为0.25F，每根斜撑构件21上的力为F

α——斜撑构件与水平面投影的角度。

F*分解成沿桥塔塔柱10的横向力f

B——桥塔塔柱之间的跨度，b——桥塔塔柱截面宽度。

f

上述计算验证了本方案中斜撑装置布局的合理性，具有实用价值。

在实际设计中，斜撑构件21属于压杆的一种，需要考虑温度、挠度、变形等情况，比如说斜撑构件21受力后，会存在极少量的受力点下移、杆身弯曲或压缩变短等情况。所以施工前也要对这部分进行校核。

下面以一座大桥为例分析各个因素(变量有张拉力F、斜撑构件与水平面之间的夹角α和桥塔塔柱10各个高度位置的应力σ，非变量有桥塔塔柱10之间的跨度、桥塔塔柱10截面宽度、斜撑装置结构)的关系。本实施例中，斜撑构件21采用φ530*10mm的钢管，回转半径i＝0.1839m，弹性模量E＝2.06x10

不设置任何辅助支撑时，桥塔塔柱10施工浇筑混凝土在根部外侧产生的弯矩和轴力如下表所示(只计算自重)。

表1

注：应力σ为正说明桥塔塔柱10的根部外侧受拉，为负说明桥塔塔柱10根部外侧受压。

数据表明，桥塔塔柱10浇筑越高，产生的弯矩、轴力和应力越大，当超过混凝土的极限拉应力，则必须对桥塔塔柱10施加水平横向力限制桥塔塔柱应力在1MPa以内。表1表示，当桥塔塔柱10高度为32m时应力为1.135N/mm

实施例一：设置张拉力F＝200kN、桥塔塔柱受到水平横向力的高度h＝28m，改变α角(由小变大)，计算得到f

表2

由表2可知，当F和h一定时，α角越小，斜撑构件21分解的f横向越大，能有效抵消桥塔塔柱10自重产生的应力σ。通过表2数据可知，当α角在45°内，桥塔塔柱10根部外侧混凝土的应力σ未超过1MPa；当α角小于1°时，σ

实施例二：设置张拉力F＝400kN、桥塔塔柱10受到水平横向力的高度h＝28m，改变α角(由小变大)，计算得到f横向和桥塔塔柱10根部外侧的应力σ，并验证结构是否安全。

表3

由表3可知，当F和h一定时，α角越小，斜撑构件21分解的f横向越大，能有效抵消桥塔塔柱10自重产生的应力σ。通过表2数据可知，当α角在45°内，桥塔塔柱10根部外侧混凝土的应力σ未超过1MPa；当α角小于1°时，σ

实施例三：设置张拉力F＝200kN、桥塔塔柱10受到水平横向力的高度h＝32m，改变α角(由小变大)，计算得到f横向和桥塔塔柱根部外侧的应力σ，并验证结构是否安全。

表4

由表4可知，当F和h一定时，α角越小，斜撑构件21分解的f横向越大，能有效抵消桥塔塔柱10自重产生的应力σ。通过表2数据可知，当α角为40°时，桥塔塔柱10根部外侧混凝土的应力σ超过了1MPa；当α角小于1°时，σ

结合表2和表3，可知当角度α不变时，张拉力F越大，应力σ越小，桥塔塔柱10的根部越安全。其中角度α越小，改变张拉力后，改变桥塔塔柱10根部外侧的应力效果越明显；角度α越大，改变桥塔塔柱10受到水平横向力的高度后，改变桥塔塔柱10根部外侧的应力效果越明显。

实施例四，桥塔塔柱10施工分两个阶段。第一阶段：桥塔塔柱10施工到24m处，在20m处施加一道斜撑装置，斜撑构件21与水平面夹角为4°，张拉力分别为400kN、600kN、800kN。如图5所示，可以看到施加不同张拉力之后，桥塔塔柱10的根部外侧应力分别为0.157N/mm

综上所述，桥塔塔柱10运用本方案在理论上具有可行性，通过施加较小的竖向力可以得到较大的水平横力，从而将桥塔塔柱10的应力控制在1MPa之内，能有效地减少传统临时横撑的数量，节省工时，提高效率。根据本方案的几何构造，斜撑构件21的角度越小得到的水平横向力越大，考虑装置的安全性需设置角度的最小值，考虑水平横向力克服桥塔塔柱10自重的应力的效果，需设置角度的最大值。因此根据桥塔塔柱10的高度和张拉力的不同，角度的选取有一个安全范围，然后在该范围内取最优值。由于斜撑装置两端与桥塔塔柱10铰接，因此为静定结构，相较于超静定结构的临时横撑无需考虑温度变化的影响。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。