一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置及其安装方法与流程

本发明涉及桥梁领域异形结构施工建造领域，具体为一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置及其安装方法。
背景技术：
近年来，异形索塔斜拉桥因索塔外形优美而流行起来，由于索塔的塔肢外形不规则，如果在施工过程中不采取适当措施对塔肢进行施工控制，索塔的塔肢会出现过大的拉应力和变形。常规斜拉桥索塔在施工过程中减小拉应力和变形常规做法是在塔肢外倾的部分设置水平拉杆，通过对两个塔肢施加水平拉力来阻止其过大的外倾，在塔肢内倾部分增设水平撑杆，通过水平撑杆对塔肢的支撑来减小其施工过程中的内倾。异形索塔斜拉桥的索塔塔肢外形不规则，塔肢竖向倾斜角度不同，各塔肢在施工过程中混凝土自重以及施工荷载作用下会产生过大的拉应力和竖向变形，在塔肢外倾部分仅仅使用水平拉杆，通过拉杆拉力并不能解决两塔肢在施工过程中的不协调变形引起的过大拉应力和挠度，在塔肢内倾部分仅靠水平撑杆也不能很好解决两个塔肢不协调变形引起的竖向剪力，若在竖向平面内增设多道水平撑杆并增大撑杆的面积来抵抗竖向剪力会增加施工费用、耽误施工工期，并在成桥后的塔壁上留有过多痕迹。因此，如何提供一种新的技术方案，增大斜拉桥异形索塔在施工过程中的刚度，减小其在施工过程中不良拉应力和变形，成为了本领域技术人员急需解决的问题。技术实现要素：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置，本发明通过两根拉杆减小异形塔肢外倾引起的拉应力，再增设撑杆和叉撑结构增大塔肢在后续施工过程中的结构刚度，抵抗异形塔肢不协调变形及其产生的竖向剪力，避免了设置多道撑杆和拉杆安装、拆除工作量大、施工不便的问题，同时节省了加工多道撑杆的费用和施工周期，显著降低了施工成本。为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置，所述斜拉桥异形索塔是指具有两根竖向倾斜设置的塔肢且倾斜角度、塔肢横截面尺寸均不相同的索塔；所述支撑装置包括横向拉伸连接在两根塔肢之间的上部拉杆和下部拉杆，所述上部拉杆与下部拉杆相平行并位于下部拉杆的正上方，且上部拉杆和下部拉杆的两端分别锚固在两根塔肢的中空维修通道内，使得上部拉杆和下部拉杆均处于拉张状态；所述上部拉杆外部还套设有上部撑杆，所述下部拉杆外部还套设有下部撑杆，上部撑杆和下部撑杆的两端部分别固定安装在两根塔肢的安装侧面上，两根塔肢相向的外侧面为两塔肢的安装侧面，上部撑杆与下部撑杆之间还固定连接有x型的叉撑结构，且所述叉撑结构、上部撑杆及下部撑杆的安装位置使得三者的竖向投影相重叠。优选地，所述叉撑结构包括一根第一斜撑杆及两根第二斜撑杆，两根第二斜撑杆固定连接第一斜撑杆两侧与第一斜撑杆形成x型结构，且第一斜撑杆及两根第二斜撑杆的轴心线位于同一竖直平面内。优选地，第一斜撑杆与第二斜撑的杆连接处设置有第一加固装置，所述第一加固装置包括竖向连接在第一斜撑杆与第二斜撑杆之间夹角位置处的第一加强筋板。优选地，所述叉撑结构朝上的两个端部固定连接在上部撑杆的下表面上，所述叉撑结构朝下的两个端部固定连接在下部撑杆上表面上。优选地，所述叉撑结构的端部与下部撑杆及上部撑杆的连接处设置有第二加固装置，所述第二加固装置包括竖向连接在叉撑结构与下部撑杆或上部撑杆之间的夹角位置处的第二加强筋板。优选地，所述下部撑杆及上部撑杆均采用两工字钢或h型钢拼接而成，两工字钢或h型钢的相向侧的翼缘的棱边相贴合，所述上部拉杆穿设在拼接构成上部撑杆的两工字钢或h型钢的腹板之间的空腔内，所述下部拉杆穿设在拼接构成下部撑杆的两工字钢或h型钢的腹板之间的空腔内。优选地，所述叉撑结构的端部与下部撑杆及上部撑杆的连接处设置有第三加固装置，所述第三加固装置包括多块平行间隔且竖向设置在下部撑杆或上部撑杆朝外的工字钢或h型钢的翼缘之间的第三加强筋板，且所述第三加强筋板的布置方向与其所在工字钢或h型钢的腹板相垂直。优选地，所述上部撑杆与下部撑杆的两端部各通过一个预埋件固定安装在塔肢的安装侧面上，所述预埋件包括沿塔肢侧面固定安装的固定板，所述固定板上设置有供上部拉杆或下部拉杆穿过的过孔，所述过孔正对塔肢安装侧面上供上部拉杆或下部拉杆穿过的预留孔，所述固定板上朝向塔肢的侧面上固定设置有预埋支撑件，固定板通过预埋支撑件预埋连接固定在塔肢的安装侧面上。一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置的安装方法，所述方法用于安装如权利要求8所述的增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置，包括如下步骤：将预埋件安装至预设位置；在预埋件下方安装临时牛腿；那个上部拉杆套设在上部撑杆内部，将下部拉杆套设在下部撑杆内部，将上部撑杆及下部撑杆吊装到至相应的临时牛腿上；将上部撑杆及下部撑杆的一端与对应的预埋件焊接，另一端与对应的塔肢的安装侧面保持预设距离；张拉下部拉杆及上部拉杆，张拉完成后使用锚具将下部拉杆及上部拉杆的两端锚固；将上部撑杆及下部撑杆未焊接的一端与对应的预埋件焊接；拆除临时牛腿，将叉撑结构与下部撑杆及上部撑杆焊接。综上所述，本发明提供了一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置，所述斜拉桥异形索塔是指具有两根竖向倾斜设置的塔肢且倾斜角度、塔肢横截面尺寸均不相同的索塔；所述支撑装置包括横向拉伸连接在两根塔肢之间的上部拉杆和下部拉杆，所述上部拉杆与下部拉杆相平行并位于下部拉杆的正上方，且上部拉杆和下部拉杆的两端分别锚固在两根塔肢的中空维修通道内，使得上部拉杆和下部拉杆均处于拉张状态；其特征在于，所述上部拉杆外部还套设有上部撑杆，所述下部拉杆外部还套设有下部撑杆，上部撑杆和下部撑杆的两端部分别固定安装在两根塔肢的安装侧面上，两根塔肢相向的外侧面为两塔肢的安装侧面，上部撑杆与下部撑杆之间还固定连接有x型的叉撑结构，且所述叉撑结构、上部撑杆及下部撑杆的安装位置使得三者的竖向投影相重叠。本发明通过两根拉杆减小异形塔肢外倾引起的拉应力，再增设撑杆和叉撑结构增大塔肢在后续施工过程中的结构刚度，抵抗异形塔肢不协调变形及其产生的竖向剪力，避免了设置多道撑杆和拉杆安装、拆除工作量大、施工不便的问题，同时节省了加工多道撑杆的费用和施工周期，显著降低了施工成本。附图说明为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：图1为本发明公开的一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置的结构示意图；图2为本发明公开的叉撑结构及第一加强筋板的正视图；图3为本发明公开的叉撑结构及第一加强筋板的侧视图；图4为本发明公开的叉撑结构与撑杆的连接处的正视图；图5为本发明公开的叉撑结构与撑杆的连接处的侧视图；图6为撑杆及拉杆的一种具体实施方式的截面图；图7为预埋件的侧视图；图8为预埋件的正视图；图9为对比实验中的桥型布置图；图10为对比实验中桥的主塔结构布置图；图11为对比实验中主塔有限元模型示意图；图12为对比实验中未采用本发明的支撑装置时下塔肢分叉处左、右肢根部截面组合应力曲线图；图13为对比实验中拉杆-撑杆与叉撑组合布置图；图14为对比实验中两道主动拉杆张拉完成后下塔柱分叉处左、右肢根部截面应力变化图；图15为对比实验中张拉完第二道主动拉杆后，在下塔柱增设撑杆与叉撑后下塔柱分叉处左、右肢根部截面应力变化图。附图标记说明：塔肢1、上部拉杆2、下部拉杆3、中空维修通道4、上部撑杆5、下部撑杆6、叉撑结构7、第一加强筋板8、第二加强筋板9、第三加强筋板10、固定板11、预留孔12、预埋支撑件13。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置，所述斜拉桥异形索塔是指具有两根竖向倾斜设置的塔肢且倾斜角度、塔肢横截面尺寸均不相同的索塔；所述支撑装置包括横向拉伸连接在两根塔肢之间的上部拉杆和下部拉杆，所述上部拉杆与下部拉杆相平行并位于下部拉杆的正上方，且上部拉杆和下部拉杆的两端分别锚固在两根塔肢的中空维修通道内，使得上部拉杆和下部拉杆均处于拉张状态；所述上部拉杆外部还套设有上部撑杆，所述下部拉杆外部还套设有下部撑杆，上部撑杆和下部撑杆的两端部分别固定安装在两根塔肢的安装侧面上，两根塔肢相向的外侧面为两塔肢的安装侧面，上部撑杆与下部撑杆之间还固定连接有x型的叉撑结构，且所述叉撑结构、上部撑杆及下部撑杆的安装位置使得三者的竖向投影相重叠。本发明中，拉杆可以采用预应力钢绞线或精轧螺纹钢筋，撑杆可以采用钢管或由两根h型钢或工字钢拼接而成。本发明通过两根拉杆减小异形塔肢外倾引起的拉应力，再增设撑杆和叉撑结构增大塔肢在后续施工过程中的结构刚度，抵抗异形塔肢不协调变形及其产生的竖向剪力，避免了设置多道撑杆和拉杆安装、拆除工作量大、施工不便的问题，同时节省了加工多道撑杆的费用和施工周期，显著降低了施工成本。本发明中的支撑装置与在施工过程中的异形索塔形成整体框架结构，能有效增大异形索塔在施工过程中的刚度，有效抵抗塔肢不协调变形引起的竖向剪力，解决了塔肢在施工过程中产生的过大拉应力与变形，从而使塔柱不产生裂缝，保证施工质量。如图2及图3所示，具体实施时，所述叉撑结构包括一根第一斜撑杆及两根第二斜撑杆，两根第二斜撑杆固定连接第一斜撑杆两侧与第一斜撑杆形成x型结构，且第一斜撑杆及两根第二斜撑杆的轴心线位于同一竖直平面内。本发明中，叉撑结构可以采用一体成型制成，也可采用上述的拼接式结构，采用拼接式结构可以降低制造难度，从而降低制造成本。如图2及图3所示，具体实施时，第一斜撑杆与第二斜撑的杆连接处设置有第一加固装置，所述第一加固装置包括竖向连接在第一斜撑杆与第二斜撑杆之间夹角位置处的第一加强筋板。第一加固装置可以有效增强叉撑结构的刚度，从而进一步提高本发明公开的支撑装置抵抗异形塔肢不协调变形及其产生的竖向剪力的能力。如图4及如图5所示，具体实施时，所述叉撑结构朝上的两个端部固定连接在上部撑杆的下表面上，所述叉撑结构朝下的两个端部固定连接在下部撑杆上表面上。具体实施时，所述叉撑结构的端部与下部撑杆及上部撑杆的连接处设置有第二加固装置，所述第二加固装置包括竖向连接在叉撑结构与下部撑杆或上部撑杆之间的夹角位置处的第二加强筋板。第二加固装置可以加固叉撑结构与撑杆连接处的结构强度，从而进一步提高本发明公开的支撑装置抵抗异形塔肢不协调变形及其产生的竖向剪力的能力。如图6所示，具体实施时，所述下部撑杆及上部撑杆均采用两工字钢或h型钢拼接而成，两工字钢或h型钢的相向侧的翼缘的棱边相贴合，所述上部拉杆穿设在拼接构成上部撑杆的两工字钢或h型钢的腹板之间的空腔内，所述下部拉杆穿设在拼接构成下部撑杆的两工字钢或h型钢的腹板之间的空腔内。本发明采用两工字钢或h型钢拼接的方式得到撑杆，与采用钢管相比，型钢组合刚度大且具有便于焊接和安装的平面，能够降低制造撑杆的难度和成本。如图4及图5所示，具体实施时，所述叉撑结构的端部与下部撑杆及上部撑杆的连接处设置有第三加固装置，所述第三加固装置包括多块平行间隔且竖向设置在下部撑杆或上部撑杆朝外的工字钢或h型钢的翼缘之间的第三加强筋板，且所述第三加强筋板的布置方向与其所在工字钢或h型钢的腹板相垂直。因采用工字钢或h型钢制造撑杆，因此，为了提高撑杆与叉撑结构连接处的结构强度，在下部撑杆或上部撑杆朝外的翼缘之间设置第三加强筋板，避免翼缘在受外界应力的情况下变形。如图7及图8所示，具体实施时，所述上部撑杆与下部撑杆的两端部各通过一个预埋件固定安装在塔肢的安装侧面上，所述预埋件包括沿塔肢侧面固定安装的固定板，所述固定板上设置有供上部拉杆或下部拉杆穿过的过孔，所述过孔正对塔肢安装侧面上供上部拉杆或下部拉杆穿过的预留孔，所述固定板上朝向塔肢的侧面上固定设置有预埋支撑件，固定板通过预埋支撑件预埋连接固定在塔肢的安装侧面上。本发明还公开了一种增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置的安装方法，所述方法用于安装如权利要求8所述的增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置，包括如下步骤：将预埋件安装至预设位置；在预埋件下方安装临时牛腿；那个上部拉杆套设在上部撑杆内部，将下部拉杆套设在下部撑杆内部，将上部撑杆及下部撑杆吊装到至相应的临时牛腿上；将上部撑杆及下部撑杆的一端与对应的预埋件焊接，另一端与对应的塔肢的安装侧面保持预设距离；张拉下部拉杆及上部拉杆，张拉完成后使用锚具将下部拉杆及上部拉杆的两端锚固；将上部撑杆及下部撑杆未焊接的一端与对应的预埋件焊接；拆除临时牛腿，将叉撑结构与下部撑杆及上部撑杆焊接。采用上述方法，可以快速的完成支撑装置的安装。下面为采用本发明的支撑装置和不采用本发明的支撑装置的对比实验：如图9所示，某桥为（145+160）m的异形主塔双索面固结体系预应力混凝土斜拉桥，该桥主梁截面采用边主梁，主梁顶面宽度为24.5m，主梁的高度为2.5m，主梁顶板的厚度为0.32m，主桥桥面设置双向2%横坡，主梁材料为c55混凝土。索塔采用“飞鸽型”空间异形索塔，塔高138.5m，采用c50混凝土，索塔外形不规则，施工过程中索塔重心偏移。下塔柱高43.5m，施工过程中分10个节段浇筑；中塔柱高31.08m，施工过程中分7个节段浇筑；上塔柱高63.92m，施工过程中分14个节段浇筑。索塔横桥向分为两幅塔，之间用横梁连接，两幅塔之间净距为18m。单幅塔下塔柱沿不规则曲线向外倾斜逐渐变为左右两肢，下塔柱左肢长度为21.409m，外倾角为79.051°，下塔柱右肢长度为21.102m，外倾角为84.916°。中塔柱左右两肢沿不规则曲线逐渐向内倾斜，在上塔柱底部左右两肢合龙,中塔柱左肢长度为31.096m，内倾角为87.159°，中塔柱右肢长度为31.457m，内倾角为80.868°。塔肢在上塔柱底部合龙后，上塔柱沿不规则曲线变化到塔顶。两幅索塔在中塔柱合龙前为四肢塔柱。其中，索塔与横梁异步浇筑，在浇筑14节段后浇筑横梁，在中塔柱合龙后浇筑主梁0#与1#并张拉斜拉索。在整个索塔施工过程中除第1、2两个节段使用翻模进行施工外，其余索塔节段均使用全自动液压爬模系统进行分节段施工。索塔整体结构及施工节段划分如图10所示。根据索塔施工方案，采用midascivil2015有限元软件，建立施工阶段有限元分析模型,其中主塔、主梁采用梁单元，斜拉索采用桁架单元，共有242个节点、229单元（见图11），施工荷载主要考虑自重、预应力、节点荷载等。这个模型是基本模型，后续研究在此基础上进行。主塔在施工完成后下塔柱分叉处根部截面应力见图12所示.图12表明:下塔柱分叉处左肢截面的应力随着施工节段增加变化速度增加。当裸塔施工至第9节段时，下塔柱分叉处左肢截面内侧开始出现拉应力，在下塔柱施工完成后，拉应力达到0.8mpa，在中塔柱合龙前，拉应力达到2.28mpa，在主塔施工完成后达到1.90mpa，若不采取有效措施，在后续主梁施工过程中主塔下分叉处会出现裂缝.通过分析以上计算结果，发现在索塔施工过程中下塔柱分叉处截面拉应力过大，最大达到2.28mpa,为解决以上问题拟开展以下措施：在下塔柱首先张拉拉杆，然后增设撑杆与叉撑。索塔下塔柱在施工过程中向外倾斜且处于单悬臂状态，随着施工阶段的增加，下塔柱分叉处截面会产生过大的拉应力。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（jtgd62-2004）的相关规定，主塔c50混凝土抗拉强度设计值为1.83mpa，抗压设计值为22.4mpa。为减小下分叉处截面拉应力并为后续的施工提供应力储备，在拉杆进行张拉后，下分叉处截面拉应力应基本消除。结合有限元计算结果，分别在下塔柱第7节段、第9节段设置两道主动拉杆，两道主动拉杆分别由14根φ15.2预应力钢绞线和12根φ15.2预应力钢绞线构成。在7#节段及9#节段开始施工前，需预先安装主动拉杆，爬模提升置至9#张拉第一道主动拉杆，爬模提升置至11#张拉第二道主动拉杆，张拉力均为1200kn，主动拉力通过千斤顶施加。在第二道张拉完成后安装撑杆和叉撑，撑杆和叉撑由4i56a工字钢构成，如图13所示。增设拉杆后，下塔柱分叉处左、右肢根部截面应力变化如图14所示；图14所示结果表明:两道主动拉杆张拉完成后，下塔柱分叉处左肢根部截面附加弯矩消除，压应力为0.2mpa。但在主塔后续施工过程中，根部截面拉应力在主梁0#、1#浇筑前仍有1.46mpa，在施工完主塔应力为1.18mpa，这是由于主塔形状不规则且曲线变化段多，在塔肢大倾度影响下，主塔与主梁“框架”结构形成较晚纵向刚度不足且主塔整体左偏引起。为减小主塔应力，主动拉杆张拉完成后，在下塔柱增设撑杆和叉撑加强主塔在施工过程中的刚度。张拉完第二道主动拉杆后，在下塔柱增设撑杆与叉撑，下塔柱分叉处左、右肢根部截面应力变化如图15所示；图15所示:下塔柱分叉处左肢根部截面拉应力显著减小，在中塔柱合龙前拉应力为0.81mpa,比优化前减小1.47mpa，在主塔施工完成后，拉应力为0.49mpa,比优化前减小1.41mpa。右肢根部截面虽出现0.4mpa拉应力，但满足规范及设计要求。下表1为采取本发明公开的增大斜拉桥异形索塔刚度的支撑装置的下塔柱分叉处左肢截面拉应力变化数据：表1下塔柱分叉处左肢截面拉应力变化（mpa）中塔柱合龙前主塔施工完成成桥运营采取措施前2.281.901.16采取措施后0.810.400.33减小量1.471.500.83结果表明：下塔柱分叉处截面在增设主动拉杆进行对拉然后增设撑杆和叉撑后主塔拉应力得到明显减小。在下塔柱增设撑杆与叉撑后，主塔刚度得到显著提高，主塔应力得到明显改善，为后续主梁的施工以及成桥运营增加了安全储备。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。当前第1页12