馬灘紅水河特大橋重型塔架設(shè)計(jì)

羅小斌，秦大燕，韓 玉

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530011)

斜拉扣掛懸臂拼裝法是鋼管混凝土拱橋最為常用的施工方法。塔架是該工法中最主要的承壓結(jié)構(gòu)。從斜拉扣掛纜索吊裝工法出現(xiàn)至今，由萬能桿件搭建的塔架被廣泛應(yīng)用。萬能桿件塔架為柔性塔，使用過程中塔頂偏移量較大，常在塔底設(shè)鉸，釋放由于塔架偏位形成的巨大彎矩。隨著更大跨徑拱橋的修建，扣掛力及纜索起重能力的不斷攀升，逐漸逼近柔性塔架的極限承載能力；另一方面，纜索塔、扣塔合一的塔機(jī)形式被廣泛應(yīng)用，對塔架的剛度提出了更高的要求。因此，需要設(shè)計(jì)一種剛度更大、承載能力更高的塔架，以滿足現(xiàn)階段的施工需求。

1 工程概況

馬灘紅水河特大橋?yàn)镚72泉南高速柳州(鹿寨)至南寧段改擴(kuò)建工程的一座中承式鋼管混凝土拱橋，跨徑336 m，矢高80 m，左右幅分離式設(shè)計(jì)。橋面全寬54.4 m，橫橋向中心間距為23.9 m，雙向8車道。主拱肋安裝擬采用纜索吊裝、鋼絞線斜拉扣掛無支架施工工藝；單根拱肋分24個(gè)節(jié)段加工制作及安裝，節(jié)段最大重量為100 t。

依據(jù)纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及現(xiàn)場環(huán)境特點(diǎn)對大橋的纜索吊裝系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定塔架高度為136 m，需要承受約1 500 t的外部豎向荷載，約400 t的水平荷載(不含風(fēng)載)，需要設(shè)計(jì)一套重型塔架。

2 重型塔架設(shè)計(jì)

2.1 常用塔架結(jié)構(gòu)形式

2.1.1 萬能桿件塔架

纜索吊裝塔架最常用的結(jié)構(gòu)形式為萬能桿件組拼的門式結(jié)構(gòu)，如安徽太平湖大橋、杭州錢塘江四橋纜索吊塔等。萬能桿件塔架主要由角鋼桿件和節(jié)點(diǎn)板組成，以螺栓作為緊固件，遵循特定的規(guī)則組拼而成。萬能桿件因其使用方便、周轉(zhuǎn)率高、成本低、承載力大等特點(diǎn)，被廣泛使用[1]。但由于萬能桿件構(gòu)件類型多、拼裝規(guī)則復(fù)雜、組拼效率不高等特點(diǎn)，要求工人具有較高的技術(shù)水平。隨著橋梁跨徑建設(shè)的迅猛發(fā)展，節(jié)段重量逐步增大，施工裝備的技術(shù)水平提升較快，萬能桿件的技術(shù)優(yōu)勢逐步褪去，有被新型結(jié)構(gòu)型式替代的趨勢。

2.1.2 鋼管塔架

鋼管塔架近年來逐步被應(yīng)用到纜索吊塔架中，如南廣鐵路西江特大橋、成貴鐵路鴨池河大橋等。鋼管塔架具有承載力大、抗變形能力強(qiáng)、組裝速度快等優(yōu)點(diǎn)，但對起重設(shè)備要求較高?，F(xiàn)今我國橋梁裝備化水平已得到快速發(fā)展，該缺點(diǎn)正逐步被克服。

鋼管塔架立柱一般采用直徑500 mm以上的常備鋼管，腹桿、水平桿采用型鋼或鋼管。腹桿與立柱的連接方式主要有：焊接，如合江長江一橋扣塔；銷接，如成貴鐵路鴨池河大橋；栓接，如夜郎河大橋、西江特大橋。直接焊接的形式不利于塔架桿件的裝配化設(shè)計(jì)，周轉(zhuǎn)效率低；銷接形式受力明確，計(jì)算簡單，但對加工精度要求非常高；栓接形式利于實(shí)現(xiàn)裝配化，同時(shí)加工精度要求處于焊接與銷接之間，是一種比較良好的連接方式。結(jié)合馬灘橋的特點(diǎn)，采用格構(gòu)式鋼管塔架作為纜索吊及扣掛塔架是適宜的。

2.2 方案比選

工程橋面全寬54.4 m，左右幅為獨(dú)立的橋梁，可采用先后的施工順序，亦可同時(shí)建成。因此，重型塔架有兩套可行方案：方案一為采用1/2橋面寬度匹配的塔架，先完成一幅橋梁，塔架橫移至另一幅，完成另一座橋梁；方案二為與橋面全寬匹配的塔架，施工過程不橫移塔架。對兩套方案的比選可見表1。

表1 塔架方案比選表

由表1可見，方案一的用鋼量約為方案二的0.65倍，節(jié)省鋼材約1 700 t，在輔助設(shè)備方面，需增加一套橫移設(shè)備。工期對比中，兩者的主要差別在于工序的銜接上：方案二在進(jìn)行另一幅拱肋安裝的過程中，已完工的一幅可利用工作索進(jìn)行管內(nèi)混凝土灌注與吊桿安裝，兩幅橋的施工互不干擾；另一方面，當(dāng)需要加快進(jìn)度時(shí)，方案二僅需增加一套纜索設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)兩幅橋的同時(shí)施工，而方案一不具備該條件，因此方案二的工期風(fēng)險(xiǎn)低于方案一。纜風(fēng)形式對比中，受已架設(shè)拱肋的影響，獨(dú)立斜纜風(fēng)在橫移過程與已架設(shè)拱肋碰撞，方案一采用通天纜風(fēng)的形式為最佳方案；值得注意的是通天纜風(fēng)的安拆較復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)高。2013年，采用通天纜風(fēng)的某橋纜索塔架在拆除過程中，發(fā)生了塔架倒塌的事故，造成了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。

綜上所述，方案二在本橋的項(xiàng)目背景下更為合適。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 單元框架平面設(shè)計(jì)

塔架單位框架平面應(yīng)采用矩形截面，且應(yīng)設(shè)置水平斜桿。格構(gòu)柱水平截面形式有三角形、矩形、正多邊形，其中矩形最為常用[2]。纜索塔架需滿足索鞍的橫移，因而橫橋向?qū)挾冗h(yuǎn)大于順橋向?qū)挾龋捎镁匦谓孛娓鼮楹侠?。矩形截面為可變結(jié)構(gòu)，在豎向壓力作用下，易發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，需要在截面內(nèi)設(shè)置水平斜桿，使截面轉(zhuǎn)變?yōu)椴蛔兘Y(jié)構(gòu)。借鑒萬能桿件的立桿間距2 m的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本橋?qū)⑺芰⒅g距設(shè)定為4 m模數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)立桿高度為8 m模數(shù)，便于通用貨車的運(yùn)輸(見圖1)。

(a)立面圖

(b)側(cè)面圖

(c)平面圖

2.3.2 塔架柱頭設(shè)計(jì)

塔架柱頭的位置應(yīng)正對拱肋軸線。鋼管混凝土拱橋的施工特點(diǎn)為拱肋節(jié)段最重。施工過程中，纜索吊位于拱軸線的正上方，吊點(diǎn)垂直起吊拱肋節(jié)段至一定高度后，縱向移動至安裝位置；節(jié)段就位后安裝扣索，此時(shí)扣索亦基本與拱肋軸線平行，錨固于纜索吊索鞍下方的扣索平臺上，或繞過扣索平臺錨固于地錨上；每段的扣索錨固點(diǎn)或轉(zhuǎn)向點(diǎn)基本在同一豎直面上。因此，門式塔架的柱頭應(yīng)與拱肋節(jié)段軸線對正，便于扣索的錨固或轉(zhuǎn)向，另一方面，也使得塔架承受的外部豎向荷載傳遞至基礎(chǔ)的路徑最為簡單，對塔架的整體受力是非常有利的。

2.3.3 腹桿形式選擇

塔架腹桿采用斜桿式與K式。格構(gòu)式塔架的腹桿布置形式可分為斜桿式、交叉式、K式和再分式[2]。交叉式對扣索鞍的位置限制較多，因而不宜使用；再分式用于幾何尺寸較大的塔架中，且腹桿間距過大，不能滿足扣索扣掛的需求，因此也不宜使用；斜桿式與K式的腹桿體系簡潔明了，易于實(shí)現(xiàn)裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化，在合理控制桿件長細(xì)比的前提下，力學(xué)性能可滿足要求。擬將在扣索平臺處使用K式腹桿，其余采用斜桿式腹桿(見圖2)。

圖2 馬灘紅水河特大橋塔架示意圖

依據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》的規(guī)定，塔柱長細(xì)比不宜超過表2數(shù)值[3]：

表2 塔柱容許長細(xì)比表

參考上表數(shù)值，并結(jié)合市場上最為普遍的鋼管、型材型號，擬定個(gè)桿件的截面尺寸如表3。

表3 塔柱桿件截面尺寸表

2.4 纜風(fēng)設(shè)計(jì)

纜風(fēng)是穩(wěn)定塔架結(jié)構(gòu)的一種措施[4]。纜風(fēng)的受力機(jī)理為：塔架受側(cè)向水平外荷載時(shí)，產(chǎn)生一定的變形，引起塔架兩側(cè)纜風(fēng)的張進(jìn)與松弛，這個(gè)過程形成的張力差可抵抗部分的外荷載。纜風(fēng)對塔架的彈性支撐剛度可用下式表達(dá)[5]：

(1)

式中：αi——左側(cè)纜風(fēng)的水平夾角；

ai——左側(cè)纜風(fēng)錨固吊至塔架的水平距離；

βi——右側(cè)纜風(fēng)的水平夾角；

bi——右側(cè)纜風(fēng)錨固吊至塔架的水平距離；

E0——纜風(fēng)的彈性模量；

Ai——纜風(fēng)截面積。

由式1可知，彈性模量是影響彈性支撐剛度的因素之一。常用的纜風(fēng)為普通鋼絲繩，其彈性模量約為7.56×104MPa；常用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量為1.95×105MPa，約為普通鋼絲繩彈性模量的2.6倍。本橋采用主扣合一式塔架，對塔頂?shù)奈灰瓶刂茋?yán)格，因此選用鋼絞線作為塔架的纜風(fēng)更為合適。經(jīng)計(jì)算，共需鋼絞線纜風(fēng)繩52束，每束8根。

2.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用Midas Civil 2015通用有限元軟件建立塔架三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算(圖3)。其中立柱采用梁單元；腹桿、水平桿采用桁架單元；鋼絞線纜風(fēng)采用只受拉單元。塔底固結(jié)，外部荷載以集中力的形式作用在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。荷載工況見表4。

編號荷載組合備注1重力+主索力(靠邊、吊重)+扣掛荷載+6級縱風(fēng)(+X)主索鞍在塔頂靠邊,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級縱向風(fēng)作用(+X:從岸往江)2重力+主索力(靠邊、吊重)+扣掛荷載+6級縱風(fēng)(-X)主索鞍在塔頂靠邊,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級縱向風(fēng)作用(-X:從江往岸)3重力+主索力(靠邊、吊重)+扣掛荷載+6級橫風(fēng)(+Y)主索鞍在塔頂靠邊,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級橫向風(fēng)作用(+Y:從右往左)4重力+主索力(靠邊、吊重)+扣掛荷載+6級橫風(fēng)(-Y)主索鞍在塔頂靠邊,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級橫向風(fēng)作用(-Y:從左往右)5重力+主索力(居中、吊重)+扣掛荷載+6級縱風(fēng)(+X)主索鞍在塔頂居中,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級縱向風(fēng)作用(+X:從岸往江)6重力+主索力(居中、吊重)+扣掛荷載+6級縱風(fēng)(-X)主索鞍在塔頂居中,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級縱向風(fēng)作用(-X:從江往岸)7重力+主索力(居中、吊重)+扣掛荷載+6級橫風(fēng)(+Y)主索鞍在塔頂居中,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級橫向風(fēng)作用(+Y:從右往左)8重力+主索力(居中、吊重)+扣掛荷載+6級橫風(fēng)(-Y)主索鞍在塔頂居中,吊車吊重物并停放在主索纜中央,6級橫向風(fēng)作用(-Y:從左往右)

桁架式單元內(nèi)力值見表5。

表5 塔架桁架式單元內(nèi)力值表

立柱鋼管在各工況下的應(yīng)力值見表6。

表6 立柱鋼管構(gòu)件應(yīng)力值表

各工況下的塔架頂位移計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 塔架頂位移值表

從表5、表6的計(jì)算結(jié)果可見，塔架桿件內(nèi)力滿足要求；從表7可知，塔架頂?shù)淖畲笃浦禎M足要求。

3 結(jié)語

通過對塔架的結(jié)構(gòu)形式、單元截面、腹桿形式、扣索類型等關(guān)鍵構(gòu)造的討論，并結(jié)合馬灘紅水河特大橋的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了截面模數(shù)為4 m、節(jié)段模數(shù)為8 m，采用D610×14/16 mm的大鋼管作為立柱的重型纜索塔架，并通過有限元軟件的模擬計(jì)算，驗(yàn)證了塔架滿足安全要求。目前，馬灘紅水河特大橋塔架已完成加工制造，正在進(jìn)行安裝；安裝前，進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明塔架的承載力滿足要求。

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[5]郝憲武，白青俠，石 勇.固支塔架纜風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2000，20(4)：29-31.