A字形固結(jié)體系斜拉橋鋼塔安裝技術(shù)探究

周彪

（中交路橋華北工程有限公司，北京 100000）

1 引言

壽光農(nóng)圣街彌河大橋鋼塔設(shè)計為A 字形結(jié)構(gòu)，采用廠內(nèi)加工現(xiàn)場安裝的施工工藝。由于鋼塔下部較寬而上部較窄，如何在保證安全的前提下提高經(jīng)濟效益是需要研究的課題。另外，由于節(jié)段逐段安裝形成臨時懸臂結(jié)構(gòu)，如何保證施工過程中節(jié)段之間受力平衡也是施工過程中需要考慮的重點問題。

2 工程概況

橋梁起止樁號為KO+329.5～KO+778.5，總長449 m。橋梁跨徑布置為（4×20+3×29+2×90+2×31+2×20）m，橋?qū)?8 m。主橋跨徑為（90+90）m 的A 字形獨塔斜拉橋，塔梁墩固結(jié)體系，橋面以下為混凝土結(jié)構(gòu)，下塔柱高9.643 m。橋面以上5 m 內(nèi)為鋼混結(jié)合段，5 m 以上為鋼結(jié)構(gòu)，橋面以上塔高68 m。

3 施工特點及難點

①由于A 字形鋼塔寬度不均勻，且高度為68 m，施工過程中工人操作平臺在能夠保證滿足施工需要的同時要保證施工安全。

②考慮A 字形鋼塔施工過程中節(jié)段穩(wěn)定性以及外部風(fēng)荷載的不利影響，需要對其穩(wěn)定性進(jìn)行研究并采取措施。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 方案比選

各施工工藝的優(yōu)點和缺點如表1所示。

表1 方案比選

第一，塔吊施工現(xiàn)場不具備施工場地條件，且工期和造價均不符合現(xiàn)場實際要求；第二，搭設(shè)腳手架投入成本大且支架本身重量帶來不確定因素，無法滿足現(xiàn)場實際要求；第三，塔設(shè)環(huán)向工作平臺配合汽車吊在各方面較為理想，但需要論證鋼塔安裝過程中的穩(wěn)定性。結(jié)合施工造價與施工工期綜合考慮，方案比選后采用主塔設(shè)環(huán)向工作平臺配合汽車吊施工工藝。

4.2 環(huán)向平臺支架法的合理性

4.2.1 鋼塔分塊介紹

主橋主塔為A 字形鋼塔，塔柱位于機非分隔帶，塔柱內(nèi)傾角度8°。橋面以上單塔柱截面尺寸為5 m（順橋向）×2.5 m（橫橋向），橋面以下單塔柱截面尺寸為7 m（順橋向）×4～5.5m（橫橋向）。橋面以上5 m 內(nèi)為鋼混結(jié)合面，5 m 以上為鋼塔柱，以下為混凝土塔柱。

鋼箱側(cè)壁板厚根據(jù)受力不同采用40 mm、30 mm、18 mm，塔柱拉索區(qū)以下（T0～T3）段為單箱雙室，腹板厚度為30 mm，T4～T11 段為單箱單室。主塔壁板及腹板均采用板式加勁肋進(jìn)行加強，板厚20 mm/16 mm，肋高220 mm/180 mm，主塔鋼箱約每2.5 m 設(shè)置一道橫隔板，橫隔板厚16 mm。塔上橫梁和塔頂橫梁頂?shù)装寰鶠?0 mm，腹板厚為18 mm 和20 mm。

鋼塔分為T0～T9 共計23 個節(jié)段，其中T4～T6 節(jié)段為斜拉索錨固區(qū)段，T11 為塔頂橫梁，T6 節(jié)段重量最大，最大節(jié)段重量約50.85 t。

4.2.2 支架設(shè)計介紹

吊裝支架在主塔內(nèi)布置，在地面基礎(chǔ)上采用鋼管立柱Φ426×6 mm 加平聯(lián)支架連接撐的形式，支架立柱豎向采用法蘭連接。根據(jù)工程要求在鋼塔側(cè)面距接口（操作平臺）位置1 000 mm 處搭設(shè)臨時通道，在支架搭設(shè)前，在下塔柱底座處預(yù)埋鋼板1 000 mm×1 000 mm×20 mm 作為臨時支架基礎(chǔ)。支架布置如圖1所示。

圖1 主塔臨時支架立面布置圖

4.2.3 環(huán)向平臺及通道設(shè)計介紹

在鋼塔節(jié)段焊接位置處設(shè)置環(huán)向操作平臺，平臺采用型鋼焊接，四周設(shè)置操作平臺及護(hù)欄，左右側(cè)鋼塔操作平臺通過通道平臺連接，方便人員通行，如圖2所示。

圖2 環(huán)向平臺支架通道

4.2.4 工況設(shè)定

工況一：安裝鋼塔至T2 節(jié)段。

鋼塔安裝至T2 節(jié)段，支架承受鋼塔T0、T1、T2 節(jié)段重量。

最大荷載組合：1.2×（支架自重+鋼塔自重）+1.4×風(fēng)荷載。

工況二：橫梁安裝后，其余節(jié)段未安裝。

橫梁安裝完畢，支架承受鋼塔T0、T1、T2、T3 節(jié)段及橫梁重量。

最大荷載組合：1.2×（支架自重+鋼塔自重）+1.4×風(fēng)荷載。

工況三：主塔合龍，但未全部安裝完成。

塔頂節(jié)段未全部安裝完成，支架承受鋼塔部分節(jié)段的重量。

最大荷載組合：1.2×（支架自重+鋼塔自重）+1.4×風(fēng)荷載。

工況四：鋼塔節(jié)段全部安裝完成，支架拆除完畢，斜拉索未安裝。

拼裝支架拆除后，鋼塔在自重狀態(tài)下受縱橋向風(fēng)荷載。

最大荷載組合：1.2×鋼塔自重+1.4×風(fēng)荷載。

經(jīng)分析，上述4 種工況均不利，因此，對這4 種工況采用MIDAS 程序進(jìn)行建模計算，驗算支架的強度、剛度及穩(wěn)定性是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

對鋼塔及鋼塔安裝支架進(jìn)行三維空間建模，并對各種桿件賦予各自材料特性。

4.2.5 各工況的受力計算

工況一：安裝鋼塔至T2 節(jié)段。

最大荷載組合：支架自重+鋼塔自重+風(fēng)荷載。

由圖3可知，該工況下拼裝支架最大組合應(yīng)力值為26.5 MPa<215 MPa，滿足設(shè)計及施工要求。

圖3 支架組合應(yīng)力圖

由圖4可知，支架頂部縱向產(chǎn)生位移9.1 mm<70 mm=（L/400），最大位移出現(xiàn)在支架上部結(jié)構(gòu)，為整體位移，滿足設(shè)計及施工要求。

圖4 支架位移分析圖

由圖5可知，最不利工況下支架最大反力為68.1 kN。

圖5 支架反力圖

工況二：橫梁安裝后，其余節(jié)段未安裝。

最大荷載組合：支架自重+鋼塔自重+橫梁自重+風(fēng)荷載。

由圖6可知，該工況下支架整體的組合應(yīng)力最大值21.7 MPa＜215 MPa，滿足設(shè)計及施工要求。

圖6 支架整體組合應(yīng)力圖

由圖7可知，支架頂部縱向產(chǎn)生位移9.2 mm<100 mm=（L/400），最大位移出現(xiàn)在支架上部結(jié)構(gòu)，為整體位移，滿足設(shè)計及施工要求。

圖7 支架位移分析圖

由圖8可知，最不利工況下支架最大反力為95.6kN。

圖8 支架反力圖

工況三：主塔合龍，但未全部安裝完成。

最大荷載組合：支架自重+鋼塔自重+風(fēng)荷載。

由圖9可知，該工況下支架整體的組合應(yīng)力最大值177.7 MPa＜215 MPa，滿足設(shè)計及施工要求。

圖9 支架整體組合應(yīng)力圖

由圖10 可知，支架頂部縱向產(chǎn)生位移63.9 mm<170 mm（L/400），最大位移出現(xiàn)在支架上部結(jié)構(gòu)，為整體位移，滿足設(shè)計及施工要求。

圖10 支架位移分析圖

由圖11 可知，最不利工況下最大支架反力為164.2 kN，所有鋼管樁支反力均按照最大支反力計算。

圖11 支架反力圖

工況四：鋼塔節(jié)段全部安裝完成，支架拆除完畢，斜拉索未安裝。

最大荷載組合：鋼塔自重+風(fēng)荷載。

由圖12 可知，該工況下鋼塔最大組合應(yīng)力值為57.8 MPa<215 MPa，滿足設(shè)計及施工要求。

圖12 鋼塔組合應(yīng)力圖

由圖13 可知，鋼塔頂部縱向產(chǎn)生位移129.3 mm<680 mm（高聳結(jié)構(gòu)任意點的水平位移不得大于該點離地高度的1/100），最大位移出現(xiàn)在支架上部結(jié)構(gòu)，為整體位移，滿足設(shè)計及施工要求。

圖13 鋼塔位移分析圖

將最不利工況作用下，支架各構(gòu)件的計算結(jié)果匯總，如表2所示。

表2 支架計算結(jié)果匯總表

4.2.6 設(shè)計結(jié)論

從表2可以得知，最不利工況荷載作用下，支架的強度能滿足施工要求。整體穩(wěn)定性驗算中，臨界荷載系數(shù)較大、安全可靠。剛度驗算中，支架所有構(gòu)件的撓度變形均在規(guī)范允許的變形范圍內(nèi)（L/400），能滿足彌河大橋鋼結(jié)構(gòu)安裝施工需要。鋼塔在未安裝拉索的狀態(tài)下，其變形量和整體穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

5 現(xiàn)場施工注意事項

①鋼混結(jié)合段施工時鋼塔安裝的難點和重點，也是鋼塔安裝精度控制的根本保障。因此，橋上混凝土段混凝土澆筑時宜采用鋼板減少模板變形帶來的施工誤差，保證與鋼塔節(jié)段的精準(zhǔn)對接。

②為保證鋼混結(jié)合段澆筑的密實性，采用微膨脹混凝土，混凝土通過澆筑孔后進(jìn)入節(jié)段內(nèi)，在預(yù)埋板頂部設(shè)置振搗孔和通氣孔（見圖14）。

圖14 預(yù)埋板開孔示意圖

③平臺安裝牛腿，每邊設(shè)置兩道保證其穩(wěn)定性，平臺及支架通道安全防護(hù)高度為1.2 m，必須符合安全規(guī)范要求，支架與鋼塔臨時固結(jié)密實、穩(wěn)定。

6 結(jié)語

經(jīng)過前期的技術(shù)準(zhǔn)備和施工過程中的觀測控制，農(nóng)圣街彌河大橋鋼塔于2021年8月19日順利安裝完成，為下一步斜拉索安裝順利施工打下堅實基礎(chǔ)。隨著我國斜拉橋的不斷發(fā)展，對鋼塔造型和美觀的要求越來越高，項目在完成鋼塔施工的同時，通過仔細(xì)研究，創(chuàng)新了鋼塔安裝工藝，為之后類似工程施工提供了參考和借鑒。