大型臨時(shí)索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 珍 趙 平

(中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610091)

大型臨時(shí)索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 珍 趙 平

(中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610091)

結(jié)合南寧大橋主橋上部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方案，對(duì)臨時(shí)索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，針對(duì)臨時(shí)索塔構(gòu)造的特殊性，分析了臨時(shí)索塔的構(gòu)思及設(shè)計(jì)原則，并對(duì)其構(gòu)造設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述，以滿足臨時(shí)索塔的功能要求。

臨時(shí)索塔，結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)，主橋

1 概述

1.1 南寧大橋主橋設(shè)計(jì)概述

南寧大橋主橋?yàn)榇罂鐝角€梁非對(duì)稱外傾式拱橋，由兩條獨(dú)自向外傾斜的鋼箱拱肋(東側(cè)拱肋傾角69.715 59°，西側(cè)拱肋傾角66.541 58°)、曲線半徑為1 500 m的橋面曲線鋼箱梁、傾斜的吊桿、系桿及肋間平臺(tái)，共同構(gòu)成一個(gè)三維的空間結(jié)構(gòu)體系。大橋效果圖見圖1。

鋼箱拱由兩條非對(duì)稱外傾式拱肋組成，東、西拱肋分15個(gè)吊裝節(jié)段，全橋共30個(gè)吊裝節(jié)段。節(jié)段寬7.40 m或7.408 m，節(jié)段高5.60 m～10.008 m，節(jié)段長(zhǎng)13.931 m～21.152 m；節(jié)段重121.6 t～218 t。鋼箱梁為單箱單室截面扁平流線型全焊結(jié)構(gòu)，全寬35 m，中心高3.5 m，梁長(zhǎng)6.8 m～9.0 m，重119.3 t～136.6 t。

1.2 主橋上部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方案

南寧大橋主橋上部鋼結(jié)構(gòu)(鋼箱拱、鋼箱梁)采用“先拱后梁、以拱承梁，鋼肋拱通過斜拉扣掛懸臂拼裝”的施工方案。拱肋架設(shè)采用“纜索吊機(jī)吊裝，斜拉扣掛”方案。即，拱節(jié)段采用纜索吊機(jī)吊裝就位后扣掛于臨時(shí)索塔上，鋼箱梁吊裝就位后利用永久系桿和臨時(shí)系桿扣掛于拱肋上固定。纜吊系統(tǒng)跨度布置為：東側(cè)240 m+452 m+280 m，西側(cè)264 m+452 m+280 m。

2 臨時(shí)索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

2.1 傳統(tǒng)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

傳統(tǒng)類似臨時(shí)索塔，要求施工期間安裝與拆除方便，施工完成后其主要構(gòu)件可重復(fù)利用于類似結(jié)構(gòu)，盡可能降低施工費(fèi)用，因此傳統(tǒng)索塔在選材上常采用通用桿件，如：萬能桿件、型鋼等；結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，為克服彎矩對(duì)塔剛度的影響，常采用吊塔(吊裝塔架)與扣塔(扣索塔架)分離，用鉸連接的形式，或采用下部活動(dòng)式支座；傳統(tǒng)索塔吊裝噸位較小，結(jié)構(gòu)尺寸亦較小。

2.2 南寧大橋臨時(shí)索塔構(gòu)造特殊性

南寧大橋主橋拱肋獨(dú)特的雙外傾結(jié)構(gòu)(如圖2所示南寧大橋橫斷面圖)對(duì)纜吊系統(tǒng)以及扣掛體系的功能要求，使臨時(shí)索塔具有特殊性。1)臨時(shí)索塔超寬。臨時(shí)索塔不僅要滿足鋼拱肋跨中段(最外側(cè)段)吊裝，又要適應(yīng)鋼箱梁的吊裝(索塔跨中部位起吊)。這要求臨時(shí)索塔塔頂足夠?qū)挘_(dá)109 m寬，又要臨時(shí)索塔跨中具有足夠的強(qiáng)度，滿足吊裝使用要求。2)臨時(shí)索塔超高。為方便鋼拱肋跨中段(最高段)起吊安裝，以及操作空間要求，又因地形影響，使臨時(shí)索塔南塔高136 m，北塔高126 m。3)塔頂索鞍橫移。南寧大橋曲線梁非對(duì)稱外傾式拱橋結(jié)構(gòu)，使拱肋各節(jié)段以及鋼箱梁起吊位置相對(duì)變化，但相鄰節(jié)段位置變化較小，因此必須將纜索系統(tǒng)設(shè)置為可移動(dòng)形式。塔頂結(jié)構(gòu)承載特殊，整個(gè)索塔結(jié)構(gòu)影響較大。4)吊扣合一，塔腳固結(jié)。為控制索塔高度，索塔采用吊扣合一的形式。為保證在使用過程中塔身的穩(wěn)定，便于操作，索塔結(jié)構(gòu)采用塔腳與基礎(chǔ)剛結(jié)的門式塔架結(jié)構(gòu)。

2.3 設(shè)計(jì)構(gòu)思及設(shè)計(jì)原則

南寧大橋臨時(shí)索塔的功能及要求如下：根據(jù)總體施工組織設(shè)計(jì)方案，限制了臨時(shí)索塔采用吊扣合一的結(jié)構(gòu)形式。它既作為纜吊系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)，承擔(dān)纜吊系統(tǒng)全部豎向荷載；又是鋼肋拱吊裝期間臨時(shí)斜拉索錨固塔，承擔(dān)扣錨體系產(chǎn)生的豎向荷載。臨時(shí)索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)指導(dǎo)性施工方案為基礎(chǔ)，在滿足纜吊系統(tǒng)、扣掛系統(tǒng)的使用功能及結(jié)構(gòu)安全前提條件下，綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性、功能要求以及施工方便的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)臨時(shí)索塔的功能性、經(jīng)濟(jì)性以及施工方便做了設(shè)計(jì)構(gòu)思：1)功能性。臨時(shí)索塔采用吊扣合一，塔腳與基礎(chǔ)固結(jié)，受力復(fù)雜，同時(shí)拱、梁安裝定位對(duì)塔身剛度的要求高。索塔的功能要求對(duì)臨時(shí)索塔剛度和強(qiáng)度須重點(diǎn)考慮；2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。加工料標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，施工完成后其主要構(gòu)件可重復(fù)利用于類似工程，盡可能降低施工損耗；3)安全可靠性。根據(jù)索塔使用情況，不僅要求索塔整體剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足使用要求外，而且局部受力的特殊部位的構(gòu)件也必須滿足其使用要求(如扣點(diǎn)部位等)；4)施工方便。為方便臨時(shí)索塔安裝與拆除，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及工廠化加工，現(xiàn)場(chǎng)螺栓組拼，避免現(xiàn)場(chǎng)高空焊接及切割。

3 南寧大橋臨時(shí)索塔構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 臨時(shí)索塔總體設(shè)計(jì)概況

臨時(shí)索塔青山岸高126.0 m，橫橋向總寬109.16 m，順橋向塔底寬18.52 m，塔頂總寬6.0 m；蟠龍岸高136.0 m，橫橋向總寬109.16 m，順橋向塔底寬19.82 m，塔頂總寬6.0 m。

索塔結(jié)構(gòu)由索塔管結(jié)構(gòu)、索塔H型鋼、索塔萬能桿件橫梁、索塔錨箱及索塔塔頂分配梁等組成，圖3為臨時(shí)索塔構(gòu)造圖。

3.2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及荷載

施工程序方面：拱肋節(jié)段安裝先東拱、后西拱，先懸拼、后張拉扣索，再?gòu)埨瓩M向連接索以及風(fēng)纜；主梁安裝從跨中開始，按9 m節(jié)段向橋墩方向安裝。臨時(shí)索塔設(shè)計(jì)，考慮風(fēng)纜位置、纜索系統(tǒng)對(duì)塔架的約束作用，塔架風(fēng)荷載等。根據(jù)“斜拉扣掛”施工索力(各施工階段扣索、橫向?qū)?、橫向纜風(fēng)索索力)，對(duì)拱肋吊裝扣掛體系進(jìn)行計(jì)算復(fù)核；對(duì)纜索地壟、扣錨地壟樁基承載力進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)承臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。綜上所述，臨時(shí)索塔主要承受的主要荷載有索塔自重、纜吊系統(tǒng)靜載及吊裝荷載、鋼肋拱吊裝期間臨時(shí)斜拉扣掛于索塔上扣錨索產(chǎn)生的豎向荷載、風(fēng)荷載。

3.3 管結(jié)構(gòu)

臨時(shí)索塔管結(jié)構(gòu)為主要承載構(gòu)件，將上部荷載全部傳遞到基礎(chǔ)。根據(jù)受力需要，索塔每肢外側(cè)有4根φ813×14 mm鋼管，內(nèi)側(cè)有φ813×16 mm鋼管。鋼管柱之間的聯(lián)結(jié)系采用雙槽鋼截面([20a 及[16a)呈[]布置，增加其抗扭剛度。每肢鋼管立柱在橫橋向等寬布置，鋼管立柱順橋向變寬設(shè)置，頂寬6 m，滿足其上連接的H 型鋼柱拼接4 榀萬能桿件的需求，底寬19.8 m，通過變寬度使塔腳組合抗彎慣性矩增加了11倍，增強(qiáng)塔架順橋向的穩(wěn)定性。

3.4 H型鋼結(jié)構(gòu)

索塔H型鋼結(jié)構(gòu)位于扣索錨固區(qū)，它既是主要承載構(gòu)件，又是萬能桿件與管立柱之間力傳遞的轉(zhuǎn)換體系。型鋼立柱高30.0 m，規(guī)格采用H580×510×12×20 mm和H580×200×12×20 mm，材質(zhì)Q345，強(qiáng)軸順橋向布置。立柱間用法蘭盤連接，立柱間系桿采用雙槽鋼截面呈[]布置，增加其抗扭剛度。

H型鋼區(qū)是扣錨索的主要錨固區(qū)，每側(cè)共設(shè)置7組扣錨索，其中4組位于H型鋼區(qū)。為滿足與四榀萬能桿件連接的要求，在內(nèi)側(cè)2根H型鋼大立柱之間布置了2根H型鋼小立柱，立柱間距采用萬能桿件2 m標(biāo)準(zhǔn)間距。

3.5 萬能桿件

為便于安裝及拆除，并重復(fù)利用材料，臨時(shí)索塔兩肢之間以及H型鋼柱頂端均采用萬能桿件。臨時(shí)索塔兩肢之間寬65.08 m，由64 m標(biāo)準(zhǔn)萬能桿件和1.08 m異形桿件組成。

3.6 錨梁

扣索、錨索交叉錨固于錨梁上，錨梁承受較大的荷載，起著平衡扣錨索水平分力并將豎向荷載傳遞給下方桿件的作用。錨梁采用箱形結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)在錨梁上張拉扣、錨索以及調(diào)索的需要，錨梁兩端設(shè)計(jì)為異形結(jié)構(gòu)?？坼^索張拉、調(diào)索操作均在塔頂錨梁上完成。錨梁長(zhǎng)6.4 m～6.5 m，寬0.55 m～0.65 m，高1 m～1.3 m，材質(zhì)采用Q345B。

3.7 塔頂分配梁

為將吊裝荷載可靠、均勻傳遞給下方桿件，避免局部受力過大，造成破壞，在索塔的上方布置三層分配梁，自下而上依次為下橫梁、縱梁、索鞍導(dǎo)軌。下橫梁通過節(jié)點(diǎn)板與其下方的萬能桿件相連接，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)位置增加橫向加勁肋，順橋向增加槽鋼聯(lián)結(jié)系使下橫梁形成整體。并在橫橋方向、段與段之間利用拼接板連接，連接位置為腹板及上、下翼緣。

3.8 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

臨時(shí)索塔基礎(chǔ)承受上部結(jié)構(gòu)豎向荷載為3 100 t，同時(shí)承受吊裝過程水平荷載，基礎(chǔ)要求承載力大，且位于河灘岸邊，土質(zhì)表層主要為淤泥質(zhì)層，承載力低，臨時(shí)索塔基礎(chǔ)采用承臺(tái)、群樁形式。塔架樁基采用4×4布置，鉆孔灌注樁樁徑為1.50 m。承臺(tái)外形尺寸為22.0×17.6，分為兩肢，兩肢間設(shè)置系梁。

3.9 設(shè)計(jì)方法與結(jié)論

南寧大橋鋼箱拱節(jié)段采用“無支架纜索吊裝、斜拉扣掛”施工方案，懸拼節(jié)段通過扣索錨固于臨時(shí)索塔上，施工過程極其復(fù)雜，臨時(shí)索塔既是吊塔又是扣塔。

為了模擬結(jié)構(gòu)體系的受力行為，采用空間桿系有限元程序?qū)χ饕芰Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，包括臨時(shí)索塔、塔架纜風(fēng)索、錨索、扣索、橫向?qū)骷皞?cè)向纜風(fēng)索均進(jìn)行了模擬計(jì)算。模型中未對(duì)主索道及工作索道建模模擬，僅考慮其重量約束剛度及荷載作用，并將其重力剛度按彈簧邊界施加于塔頂軌道梁上。從臨時(shí)索塔拼裝到鋼箱梁吊裝完成，根據(jù)塔架受力及結(jié)構(gòu)的變化，劃分了77個(gè)施工階段對(duì)臨時(shí)索塔進(jìn)行受力過程模擬分析，立柱及塔頂分配梁采用梁?jiǎn)卧?lián)結(jié)系及萬能桿件采用桿單元，纜風(fēng)及扣錨索采用等效桁架單元建立仿真計(jì)算模型。

索塔仿真分析采用桿系有限元軟件midas軟件建模計(jì)算，扣錨索、纜風(fēng)索以及主索都屬于幾何非線性結(jié)構(gòu)，按ernst公式計(jì)算彈性模量，以等效桁架單元建立模型。

經(jīng)計(jì)算，臨時(shí)索塔內(nèi)側(cè)鋼管立柱的最大荷載發(fā)生在塔頂段，組合應(yīng)力為176 MPa，外側(cè)鋼管立柱的最大荷載發(fā)生在塔底段，組合應(yīng)力為163 MPa。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)側(cè)H 型鋼大立柱底部4 m段，最大組合應(yīng)力為243 MPa；考慮風(fēng)荷載時(shí)組合應(yīng)力253 MPa。各項(xiàng)檢算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

塔架的最大位移出現(xiàn)在前幾個(gè)拱肋起吊階段，隨著扣錨索的約束作用的增加，扣塔位移逐步減小。單個(gè)施工階段扣塔最大順橋向位移約12 cm(小于允許值12 600/600=21 cm)。最大增幅在拱肋節(jié)段纜索起吊的工況。纜索起吊是短期荷載工況，對(duì)拱肋的影響是暫時(shí)的；在纜索松吊后，纜索起吊造成的扣塔偏移和已經(jīng)安裝的拱肋節(jié)段線形的偏移均得到恢復(fù)。

4 索塔安裝方案

臨時(shí)索塔各構(gòu)件采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工以及施工通用材料。管結(jié)構(gòu)、H型鋼以及系桿均采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工，并在加工廠預(yù)拼檢查加工精度，控制加工質(zhì)量，為安裝精度提供保障。索塔管結(jié)構(gòu)及H型鋼結(jié)構(gòu)拼裝，利用大型塔吊輔助單管單節(jié)段拼裝，同步安裝系桿，分節(jié)段整體檢查及調(diào)整安裝精度。索塔萬能桿件采用懸臂拼裝方式，先在地面將萬能桿件組拼為“米”字或“K”字形結(jié)構(gòu)，利用塔吊吊裝就位安裝。拼裝過程中，在索塔兩側(cè)分別設(shè)置臨時(shí)側(cè)纜風(fēng)輔助張拉來克服懸臂拼裝自身擾度對(duì)萬能桿件跨中合龍的不利影響。最后利用塔吊安裝塔頂分配梁以及纜索系統(tǒng)。索塔拆除采用與安裝倒序的步驟，先安后拆，后安先拆的方式進(jìn)行索塔拆除。

5 結(jié)語

組合式索塔經(jīng)強(qiáng)度檢算、剛度檢算均滿足規(guī)范要求；索塔整體剛度很好，最大位移只有11.6 cm，不到塔高的1‰，小于允許值；索塔失穩(wěn)破壞發(fā)生在錨梁下一些局部桿件，最小穩(wěn)定系數(shù)為2.1，穩(wěn)定系數(shù)略偏小，吊裝過程中加強(qiáng)觀測(cè)及調(diào)整可有效避免破壞。

南寧大橋臨時(shí)索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅滿足纜索吊裝系統(tǒng)、扣掛系統(tǒng)對(duì)索塔的功能要求，還在經(jīng)濟(jì)性，施工簡(jiǎn)便等方面取得了一定成果，可供同類施工參考。

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Onstructuredesignoflarge-scaletemporarycabletower

LIUZhenZHAOPing

(ChinaRailwayErju5thEngineeringCo.,Ltd,Chengdu610091,China)

Combining with the construction technology scheme of Nanning big bridge upper structure, this paper discussed the temporary cable tower structure design, according to the particularity of temporary cable tower structure, analyzed the concept and design principles of temporary cable tower, and elaborated the structural design method, in order to meet the functional requirements of temporary cable tower.

temporary cable tower, structure, design, main bridge

1009-6825(2014)33-0181-03

2014-09-17

劉 珍(1982- )，女，助理工程師； 趙 平(1980- )，男，工程師

U441

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