超大直徑自應(yīng)力鋼管混凝土索塔設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

武維宏

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030）

1 橋梁概況

劉家峽大橋?yàn)橹骺?36 m的單跨桁架式加勁梁懸索橋，主纜跨度布置為150 m+536 m+115 m，垂跨比為1/11。兩根主纜的中心間距為15.6 m；主塔采用鋼管混凝土門形框架結(jié)構(gòu)，加勁梁采用鋼桁架，桁高4.0 mm，采用正交異性鋼橋面板。劉家峽大橋?qū)嵕皥D和橋塔構(gòu)造圖如圖1、圖2所示。

圖1 劉家峽大橋?qū)嵕?/p>

橋塔采用鋼管混凝土門式框架結(jié)構(gòu)，由樁基礎(chǔ)、塔基、塔柱（Φ3000×50 mm的鋼管，鋼管內(nèi)灌注C40混凝土）和橫梁組成。塔柱高60.5 m，鞍罩、避雷針裝置高14.31 m。為加強(qiáng)填充混凝土與橋塔鋼管之間的粘結(jié)，管壁內(nèi)側(cè)設(shè)置焊釘，并采取自應(yīng)力混凝土。焊釘采用 Φ25×300 mm間距40 cm成梅花形布置，在塔頂部分進(jìn)行加密。為增加鋼管徑向剛度，沿塔柱高度每3～3.5 m設(shè)有加強(qiáng)環(huán)，并在橫梁處增設(shè)。為減少工地焊接量并保證質(zhì)量，橋塔鋼管采用自爬升門架分三大段組拼，節(jié)段之間采用內(nèi)接法蘭盤連接，再焊接對(duì)接鋼管，不僅解決臨時(shí)連接，也使接頭連接強(qiáng)度不完全依賴于現(xiàn)場焊縫質(zhì)量，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

圖2 橋塔構(gòu)造圖

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 橋塔選型及景觀設(shè)計(jì)

該橋所在地-甘肅省臨夏州是一個(gè)少數(shù)民族聚集地，以回族為主的少數(shù)民族占全州總?cè)丝诘?7%，尤其是橋梁所在東鄉(xiāng)縣為全國唯一的東鄉(xiāng)民族聚居區(qū)。臨夏州是全國兩個(gè)回族自治州之一，是中國伊斯蘭教勝地，是西北地區(qū)穆斯林最重要的聚集地和經(jīng)堂教育中心，民族風(fēng)情和宗教建筑特色鮮明（見圖3），被譽(yù)為“民族建筑的博覽園”、“中國小麥加”。在橋梁方案設(shè)計(jì)、色彩選擇上應(yīng)突出地域文化特點(diǎn)，體現(xiàn)與地域文化的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

圖3 邦克樓建筑實(shí)景

2.1.1 橋塔型式選擇

纜索支撐橋梁橋塔不僅是重要的受力結(jié)構(gòu)，也最能表達(dá)景觀效果，其對(duì)整橋景觀效果影響最大。通過經(jīng)濟(jì)性比較，鋼管混凝土橋塔在高地震烈度區(qū)因其優(yōu)越的抗震性能和施工的便利性優(yōu)勢顯現(xiàn)。劉家峽大橋結(jié)合懸索橋受力特點(diǎn)，保持橋塔適度的柔性可有效地降低彎矩作用，使其以受壓為主，非常適宜采用大截面單柱形式，設(shè)計(jì)采用了直徑3.0 m的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

伊斯蘭清真寺建筑中的邦克樓為高聳的建筑結(jié)構(gòu)形式，較適宜作為橋塔的寓意造型。橋塔的頂部由于要安放索鞍與鞍罩，要求塔頂尺寸變大，塔頂尺寸的突變，視覺上極不協(xié)調(diào)。該構(gòu)造正好與清真寺邦克樓頂部采用穹窿的結(jié)構(gòu)形似，若采用邦克樓頂部的穹窿，可較好地解決結(jié)構(gòu)外形生硬的弊端。塔頂避雷針剛好又與伊斯蘭建筑邦克樓的頂部的“寶瓶”形似,由于鞍罩、避雷針可做成伊斯蘭建筑邦克樓的穹窿和“寶瓶”，這樣可做到結(jié)構(gòu)使用功能和外觀形式的統(tǒng)一，并不需額外增加裝飾費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性也較好。

2.1.2 圖案色彩選擇

通過了解橋址區(qū)自然人文特點(diǎn)，對(duì)臨夏伊斯蘭文化紋飾和色彩進(jìn)行研究，掌握其圖案特點(diǎn)、色彩與其民族審美情趣的關(guān)系和蘊(yùn)含的文化內(nèi)涵。

伊斯蘭教忌諱紋飾上有生命的形象，因此伊斯蘭紋飾多為幾何紋飾和自然界的植物紋飾題材及文字紋樣。臨夏伊斯蘭建筑的色彩主要為綠、黃、白。綠色是伊斯蘭文化最為崇尚的傳統(tǒng)顏色，代表著生命和生機(jī)，象征著生命和希望。黃色，除了象征黃土地外，還與長期與漢族融合有關(guān)，象征高貴、尊嚴(yán)、華貴和華麗。白色明了清新自然，使人感到光亮、清潔、輕松。這種習(xí)俗時(shí)代沉積于他們的民族審美意識(shí)中，成就了這些民族崇尚白色的審美心理。

通過對(duì)臨夏伊斯蘭圖案文化內(nèi)涵的和色彩偏好的分析，選擇了黃色和白色為該橋的主色。鞍罩采用金黃色；避雷針采用銀白色；塔身使用珍珠白；橫梁雀替圖案和橫梁上卷云圖案采用金黃色；加勁梁腹桿接近于伊斯蘭“卷云”裝飾（見圖4）也采用金黃色；主纜采用銀灰色、吊桿、橋面系采用暗黃色，以突出加勁梁，使兩塔有機(jī)地聯(lián)系在一起；車行欄桿采用暗黃色，人行欄桿采用銀灰色,錨碇錨矢采用純白色。

圖4 典型伊斯蘭裝飾圖案

圖5 加勁梁施工實(shí)景

2.2 橋塔鋼管與混凝土粘結(jié)性能研究

不同于拱橋和斜拉橋橋塔，懸索橋橋塔巨大的集中力均從塔頂傳遞，對(duì)塔頂界面粘結(jié)強(qiáng)度要求甚高。該專題研究的重點(diǎn)用有限元法分析界面剪力，利用國內(nèi)外研究成果對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行檢算，并采取必要措施。

2.2.1 鋼管與混凝土界面剪應(yīng)力

采用有限元法對(duì)鋼混凝土界面剪應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算出不同荷載工況下界面剪應(yīng)力沿塔身分布曲線。界面剪應(yīng)力沿塔高方向逐漸增大，塔頂最大組合界面剪應(yīng)力為0.675 MPa（見圖6），在約2倍管徑高度范圍類界面剪應(yīng)力較大，主要影響因素是軸向力。

圖6 分項(xiàng)界面剪應(yīng)力分布曲線圖

2.2.2 增加鋼管與混凝土之間粘結(jié)力的措施

國內(nèi)外一些設(shè)計(jì)規(guī)范給出了鋼管與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。國內(nèi)DBJ13-61-2004和日本規(guī)范AIJ規(guī)定圓形鋼管混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.225 MPa，英國規(guī)范BS5400規(guī)定粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.4 MPa，歐洲規(guī)范EC4規(guī)定圓形鋼管混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.55 MPa。塔頂附近最大粘結(jié)力為0.675 MPa，大于四種規(guī)范給出的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

鋼管混凝土一般假設(shè)鋼和混凝土之間的應(yīng)變是連續(xù)的，而實(shí)際上它們之間的應(yīng)變并非完全連續(xù)，鋼和混凝土之間存在著一定的滑移和粘結(jié)強(qiáng)度。影響混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的因素較多，主要有截面形式、混凝土齡期和強(qiáng)度、鋼管徑厚比、長細(xì)比及混凝土澆筑方式等。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)管內(nèi)混凝土做推出試驗(yàn)來測定混凝土與鋼管之間的粘結(jié)強(qiáng)度，大部分研究結(jié)論認(rèn)為圓鋼管與混凝土粘結(jié)破壞強(qiáng)度為1～2 MPa，塔頂附近最大界面剪力雖大于粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但也不會(huì)發(fā)生粘結(jié)破壞，規(guī)范中給出的粘結(jié)強(qiáng)度是偏于安全，系綜合考慮了鋼管混凝土自身缺陷等因素而定的，但計(jì)算結(jié)果已經(jīng)表明了塔頂附近區(qū)域鋼管與混凝土粘結(jié)安全儲(chǔ)備較低，需要采取措施增加兩者之間的粘結(jié)力。

2.2.2.1 設(shè)置剪力釘

根據(jù)粘結(jié)應(yīng)力分布特點(diǎn)，塔頂以下5 m范圍內(nèi)焊釘間距取200 mm，5 m～10 m范圍內(nèi)間距取300 mm,其余部分焊釘間距取400 mm。設(shè)置焊釘后鋼管與混凝土之間最大粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)3.1 MPa。

2.2.2.2 采用自應(yīng)力混凝土

研究表明鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度主要由界面摩擦力提供，所以除設(shè)置剪力釘外，鋼管混凝土采用過補(bǔ)償收縮的自應(yīng)力混凝土，在界面處要求產(chǎn)生1.1～1.4 MPa的壓應(yīng)力。

2.3 鋼管混凝土橋塔抗震性能研究

鋼管混凝土橋塔的抗震性能國內(nèi)外均未有研究，橋址區(qū)地震烈度較高且兩岸地震動(dòng)參數(shù)不同。主要采用理論計(jì)算分析，通過反應(yīng)譜、非線性地震響應(yīng)時(shí)程響應(yīng)分析，分析比較多點(diǎn)線性一致激勵(lì)、多點(diǎn)非線性一致激勵(lì)，以及多點(diǎn)非一致激勵(lì)下鋼管混凝土橋塔內(nèi)力和位移響應(yīng)結(jié)果，研究高震區(qū)和兩岸地震動(dòng)參數(shù)不同條件下鋼管混凝土橋塔抗震性能。

2.3.1 抗震結(jié)構(gòu)體系模擬

劉家峽大橋?yàn)榈劐^式懸索橋，屬于柔性纜索豎向支承體系橋梁，梁端縱向設(shè)置滑動(dòng)支座。為了限制縱向位移，在跨中設(shè)置了一組中央扣。中央扣除了起到限制地震位移的作用外，還可以限制大風(fēng)作用下加勁梁的縱向位移。在梁端需設(shè)置有橫向抗風(fēng)支座，梁端橫向位移被限制，為地震作用下加勁梁橫向提供剛性約束，吊索橫向力可對(duì)其余梁端橫向位移提供柔性約束。

2.3.2 地震反應(yīng)譜分析結(jié)果(見圖7)

各種工況作用下，橋塔最大軸力為-59 344.82 kN，最大縱向剪力為-4 124.61 kN，最大橫向剪力為1 703.73 kN，最大縱向彎矩為84 040.89 kN·m，最大橫向彎矩為53 990.75 kN·m。

2.3.3 地震反應(yīng)非線性時(shí)程分析結(jié)果（見圖8）

E2水準(zhǔn)地震作用下橋塔最大軸力為-3 273.63 kN，最大剪力為-4 551.32 kN，最大彎矩為 90 372.44 kN·m。

2.3.4 非一致激勵(lì)地震反應(yīng)的分析結(jié)果（見圖9、圖10）

2.3.5 橋塔易損部位的判斷（見圖11）

E2水準(zhǔn)下，偶然組合最大值大于基本組合最大值，偶然組合控制設(shè)計(jì)。塔底和距塔底45 m處截面是潛在易損部位。

2.3.6 抗震性能研究結(jié)論

（1）通過分別對(duì)三個(gè)方向激勵(lì)的地震反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)譜分析和一致激勵(lì)時(shí)程分析，縱向地震激勵(lì)的地震反應(yīng)較大。兩種方法分析的地震反應(yīng)較接近，但采用時(shí)程分析法的結(jié)果略大。在E2水平的地震作用下，橋塔最大軸力為3 985.45 kN，最大剪力為316.61 kN，最大彎矩為5 229.38 kN·m。

圖7 反應(yīng)譜分析橋塔內(nèi)力圖

圖8 非線性時(shí)程分析橋塔內(nèi)力圖

圖9 2%超越概率縱向激勵(lì)塔底縱向彎矩反應(yīng)時(shí)程曲線圖

圖10 2%超越概率橫向激勵(lì)塔底橫向彎矩反應(yīng)時(shí)程曲線圖

（2）在縱向抗震體系優(yōu)化方面，設(shè)置兩組中央扣后梁端位移可減小24.3%，且中央扣剛度對(duì)梁端位移影響很小，阻尼器的阻尼系數(shù)取3000、阻尼指數(shù)取0.4是最優(yōu)結(jié)果。綜合考慮力學(xué)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，該大橋采用兩組柔性中央扣措施較合理。

（3）塔頂一致激勵(lì)與多點(diǎn)激勵(lì)產(chǎn)生位移很接近，但多點(diǎn)激勵(lì)在跨中主梁各方向的位移要小很多，最大的要小29.8%；對(duì)于內(nèi)力而言，塔的內(nèi)力在多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)要大，最大的增大14.6%，而主梁的內(nèi)力，多點(diǎn)激勵(lì)一般要小，最小的是一致激勵(lì)的73.6%。

圖11 橋塔彎矩對(duì)比圖

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 自應(yīng)力混凝土試驗(yàn)及無損檢測標(biāo)準(zhǔn)確定

根據(jù)實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)形式合理選擇模擬試驗(yàn)?zāi)＞?，以使試?yàn)結(jié)果最大限度地接近真實(shí)，需要利用同樣的材質(zhì)加工試驗(yàn)用鋼管，并對(duì)鋼管進(jìn)行封口處理。試驗(yàn)采用了直徑1.5 m，高1.5 m的三組試件對(duì)自由狀態(tài)和限制狀態(tài)下不同膨脹劑摻量混凝土的膨脹率和干縮率進(jìn)行測試，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行比較，選擇適宜于大直徑自應(yīng)力鋼管混凝土的配合比，并對(duì)鋼管混凝土波速進(jìn)行測試，確定出鋼管混凝土無損檢測指標(biāo)。

3.1.1 混凝土自應(yīng)力（見表1）

表1 混凝土自應(yīng)力測定值一覽表

3.1.2 膨脹率（見表2）

表2 混凝土膨脹率測定值一覽表

從結(jié)果上進(jìn)行分析。兩者差別不大，并且與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，最終選用10%摻量的混凝土作為施工配合比控制依據(jù)。

3.1.3 無損檢測標(biāo)準(zhǔn)

超聲波檢測試驗(yàn)段鋼管混凝土波速均在4261～4973 m/s之間，小于聲波在鋼管中的波速（約5 400 m/s）。按10%摻量配比波速平均值4 685.9 m/s作為實(shí)體混凝土的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2 自爬升門架的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

結(jié)合現(xiàn)場條件和結(jié)構(gòu)特性通過對(duì)起重機(jī)械調(diào)研，自行設(shè)計(jì)和加工了自爬升起重機(jī)械。

設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理是：（1）利用常規(guī)龍門吊起重桁架和起重系統(tǒng)作為吊裝機(jī)構(gòu)，起重荷載通過門架支腿的輕型桁架結(jié)構(gòu)配合托盤傳遞到橋塔實(shí)體上，整個(gè)系統(tǒng)受力簡單明確。（2）爬升門架提升扁擔(dān)梁系統(tǒng)，直接支撐于鋼管實(shí)體上利用門架起重系統(tǒng)完成門架的爬高，利用預(yù)埋在橋塔實(shí)體上的錨固裝置為起重提供足夠的支撐力。爬升龍門安裝節(jié)段鋼管模擬見圖12所示。

圖12 爬升龍門安裝節(jié)段鋼管模擬圖

4 結(jié)語

劉家峽大橋采用世界首座自應(yīng)力鋼管混凝土橋塔，地震烈度高且兩岸地震動(dòng)參數(shù)不同，該橋所在地-甘肅省臨夏州是中國伊斯蘭教勝地，民族風(fēng)情和宗教建筑特色鮮明。這些獨(dú)特的自然人文條件帶來了技術(shù)的復(fù)雜性。通過設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)研究，達(dá)到了如下效果或結(jié)論：

（1）橋梁的地域文化標(biāo)志作用得到清晰的體現(xiàn)，從而使橋梁使用功能、結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)、景觀等各式皆備，增強(qiáng)了大橋的社會(huì)效應(yīng)。

（2）掌握了大直徑鋼管混凝土懸索橋橋塔界面剪應(yīng)力分布規(guī)律，確定了合理的自應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。在同質(zhì)模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮不同溫度情況下鋼管的變形規(guī)律及變形量，得到了混凝土與鋼管粘結(jié)程度參數(shù)。自應(yīng)力混凝土能夠避免高溫階段鋼管膨脹變形與之產(chǎn)生的脫空現(xiàn)象，同時(shí)也不會(huì)對(duì)鋼管產(chǎn)生過大的破壞力，且鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能更佳。在模擬試驗(yàn)和實(shí)體檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上總結(jié)出的帶剪力釘?shù)拇笾睆阶詰?yīng)力鋼管混凝土超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)同類工程和相關(guān)規(guī)范修編具有借鑒意義。

（3）掌握了高烈度、兩岸地震動(dòng)峰值不同條件下的鋼管混凝土橋塔懸索橋抗震性能，指導(dǎo)了該橋抗震設(shè)計(jì)。

（4）研發(fā)的自爬升門架保證了劉家峽大橋索塔長大節(jié)段安全、順利吊裝就位；解決了山區(qū)懸崖峭壁、便道蜿蜒曲折、施工場地狹窄等特殊地形條件下，設(shè)備無安裝條件和大型設(shè)備無法順利進(jìn)場的施工難題。充分利用橋塔實(shí)體結(jié)構(gòu)作為起重架附著的基礎(chǔ),使該起重架吊裝高度范圍無限增大，且自重輕，附屬設(shè)備少，有效地降低了成本和縮短了工期。

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