H型鋼塔架設計與異位拼裝施工技術研究

摘要：文章以廣西正龍紅水河特大橋為例，創(chuàng)新設計了一種“主扣合一”標準H型鋼塔架結構，采用ANSYS軟件對該塔架進行有限元仿真模擬，在主塔安裝中首創(chuàng)異位拼裝施工方法并詳細介紹了拼接工藝。結果表明：H型鋼塔架在最不利荷載作用下滿足強度、剛度及穩(wěn)定性的規(guī)范要求；采用異位拼裝施工方法可有效提升塔架在同一水平截面的抗剪切能力，其塔架偏移量優(yōu)于同位拼裝施工方法。研究成果可為纜索吊裝系統(tǒng)塔架提供借鑒。

關鍵詞：拱橋；纜索吊裝；H型鋼塔架；異位拼裝；有限元仿真

中圖分類號：U445.4? ? ? 文獻標識碼：A

文意編號：1673-4874（2024）04-0102-04

0 引言

隨著我國公路基礎設施的迅速發(fā)展，鋼管混凝土（CFST）拱橋因跨越能力大、施工工期短、建設成本低等優(yōu)勢，在橋梁建設中得到了廣泛應用［1-2］。超大跨度CFST拱橋常采用纜索吊運和斜拉扣掛工藝進行施工，而塔架作為纜索吊裝施工的關鍵組成部分，其強度、剛度和穩(wěn)定性對整個纜索吊裝系統(tǒng)起到至關重要的作用［3］。傳統(tǒng)塔架采用萬能桿件或鋼管桿件等連接形式，同一塔架上的節(jié)點連接件種類繁多，各部位的節(jié)點板各不相同，且在每個連接節(jié)點上常有方向各異的多個連接桿件端點，節(jié)點板連接結構復雜［4］。

為克服傳統(tǒng)萬能桿件或鋼管塔架的不足，本文依托廣西正龍紅水河特大橋工程項目，設計一種H型鋼作為立柱“主扣合一”的塔架形式，采用槽鋼、角鋼和工字鋼等桿件進行連接，節(jié)點板使用鋼板切割焊接制造。該塔架具有固定方向力學性能強、用鋼量少、便于運輸存儲、適用廣泛等諸多優(yōu)勢，創(chuàng)新采用異位拼裝施工方法進行主塔安裝，以此研究百米級高度纜索吊裝系統(tǒng)H型鋼塔架在超大跨度CFST拱橋施工中的應用。

1 工程概況

正龍紅水河特大橋位于廣西來賓市興賓區(qū)正龍鄉(xiāng)新村，是武宣—忻城公路№2標段的一座特大橋。橋梁全長1 404 m，其中主橋為316 m中承式CFST拱橋，矢跨比為1/4.48，矢高為68 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.5。

圖1和圖2分別展示了纜索吊裝系統(tǒng)立面布置圖和平面布置圖，纜索吊裝系統(tǒng)中跨為486 m，武宣岸邊跨為323 m，忻城岸邊跨為342 m。塔架采用主扣合一的H型鋼塔架，武宣岸塔架高120.9 m，忻城岸塔架高124.9 m，塔底固結。纜索吊裝系統(tǒng)兩岸共配置2個主地錨及4個扣地錨，兩岸共17個纜風地錨，主工作索道塔后垂直角武宣岸為20.03°，忻城岸為20.20°。全橋共28個拱肋節(jié)段，節(jié)段最大吊裝為96.5 t，用對應的N1～N7扣索對稱張拉錨固至塔架上，并張拉塔架背索錨固至扣地錨。格子梁共27個吊裝節(jié)段，最大吊裝節(jié)段為116 t。

2 主扣合一的H型鋼塔架設計

2.1 塔架結構設計

主扣合一塔架采用H型鋼桁架式結構，型號為HW400 mm×408 mm熱軋寬翼緣工字鋼，材質為Q355B。H型鋼塔架設計圖見圖3，塔架基礎采用群樁基礎，兩岸分別采用12根1.3 m樁基礎，入巖3 m，基礎頂部設置承臺和塔腳預埋段。單個塔架設置兩排立柱，每排立柱由6根H型鋼組成，塔架豎向、橫向、縱向均以4 m為模數(shù)設計，通過斜聯(lián)、橫聯(lián)將6根H型鋼連接成整體，兩排豎塔每隔24 m設置橫梁進行連接，塔頂設置箱梁，塔頂橫梁寬度為46.6 m。

每個塔架共有40束纜風索，每束由4根15.2 mm鋼絞線組成，塔頂及塔腰設縱向纜風索和側向纜風索，纜風索采用錨固連接板與塔架焊接，扣索鞍段設置扣索鞍平臺及支撐桿件，以提高平臺的承載能力。

2.2 節(jié)點板設計

為了減少焊接工藝對塔架受力可能造成的缺陷，H型鋼塔架標準段各桿件之間連接點主要采用Q355B節(jié)點板和M27高強螺栓栓接，連接形式為摩擦型。圖4和圖5分別為16 mm和20 mm兩種厚度尺寸的節(jié)點板栓接示意圖，前者用于橫聯(lián)與斜聯(lián)的栓接，后者用于立柱與橫聯(lián)、斜聯(lián)的栓接，可直接在翼緣板進行開孔，外加少量加勁板焊接，傳力明確，便于塔架節(jié)段安裝和拆除。

2.3 扣索索力計算

在正龍紅水河特大橋拱肋吊裝作業(yè)中，根據(jù)28個拱肋節(jié)段吊裝指令，依次吊裝拱肋和橫撐，直至吊完最后一節(jié)拱肋和橫撐完成合龍。合龍后澆筑拱座后澆段固定拱腳，再拆除扣索和背索，完成無鉸拱受力轉化的工作。為確保拱肋吊裝線形，根據(jù)《路橋施工計算手冊》中“零彎矩法”計算塔架扣索索力［5］。

2.4 塔架有限元模型的建立

基于ANSYS有限元分析軟件，建立H型鋼塔架整體計算模型如圖6所示。全模型共有節(jié)點708個，Beam188梁單元3 696個，MPC184剛性單元24個，Link10三維僅受拉桿單元20個。塔架底部單元采用全約束，即約束塔架底部節(jié)點的所有平動自由度及轉動自由度（Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz）；纜風繩地面錨固端采用位移約束，即約束纜風繩錨固端的所有平動自由度（Ux、Uy、Uz）；塔頂后纜風繩采用10束鋼絞線，其Link10單元截面積為10×182.4 mm2；塔頂前纜風繩采用9束鋼絞線，其Link10單元截面積為9×182.4 mm2；塔腰后纜風繩及塔腰前纜風繩采用8束鋼絞線，其Link10單元截面面積為8×182.4 mm2；塔架側纜風繩均采用5束鋼絞線，其Link10單元截面面積為5×182.4 mm2。

本次拱肋吊裝模擬工況共分為7個節(jié)段，拱肋節(jié)段吊裝分別為82.8 t，67.7 t，96.5 t，83 t，77.9 t，74.8 t和73.3 t，扣索和背索由N1～N7分步驟累加至塔架上，本次拱肋吊裝1～7節(jié)段荷載工況定義為：自重+吊裝主索力+扣索力+纜風索力+6級風荷載。

2.5 仿真結果及分析

下頁圖7～9分別展示了拱肋吊裝1～7節(jié)段最大Mises應力、最大位移和最大纜風張力曲線圖。在整個吊裝施工階段，塔架最大Mises應力出現(xiàn)在節(jié)段3，最大應力為102.41 MPa，小于應力允許值270 MPa；塔架最大位移出現(xiàn)在節(jié)段1，最大位移為83.14 mm＜h/400=300 mm；纜風繩擬采用8根預應力為1 860 MPa、15.2 mm的鋼絞線，單根15.2 mm鋼絞線的允許張力Fm，max≤288 kN，塔架纜風繩最大張力出現(xiàn)在節(jié)段3，最大張力為551.28 kN，折算成單根鋼絞線最大張力為551.28/8=68.91 kN，小于張力允許值288 kN。計算結果表明，在吊裝第1～7拱肋節(jié)段時，塔架的強度和剛度均滿足規(guī)范要求，纜風繩張力也滿足規(guī)范規(guī)定的設計值。

塔架前10階屈曲分析特征值變化見圖10，隨著階程的增大，屈曲分析特征值逐漸增加，第一階特征值為9.9，大于規(guī)范要求的臨界特征值4，說明塔架屈曲穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3 塔架異位拼裝施工技術及應用

3.1 異位拼裝施工原理

該工程H型鋼塔架主塔拼裝首創(chuàng)異位拼裝施工方法，其施工原理為：H型鋼塔架首節(jié)段拼裝時，采用長度不同的標準節(jié)和非標準節(jié)立柱進行組合安裝，使得首節(jié)段立柱之間依次形成高差。后續(xù)立柱節(jié)段則使用統(tǒng)一長度的標準節(jié)段進行安裝，使整個塔架立柱法蘭連接面依次異位。安裝至塔頂時，再使用非標準節(jié)和標準節(jié)組合將高差調回，使塔頂處于同一水平高度。使用該方法安裝完塔架后，所有立柱法蘭連接面均不在同一水平面內，增強了塔架抗剪切能力，提高了H型鋼塔架的整體剛度和穩(wěn)定性，同時可以降低鋼材型號，減少單元吊裝重量，降低塔吊型號，減少租賃成本。

3.2 塔架安裝施工工藝

3.2.1 塔腳施工

塔架基礎采用分離式群樁基礎。南北岸承臺均采用12根直徑為1.3 m的鋼筋混凝土端承樁。放樣出塔架立柱位置后進行樁基施工，樁基中心與塔架H型鋼立柱中心重合，樁基主筋深入承臺1 m。

施工塔架群樁樁基后進行樁頭破除，然后開始安裝塔架預埋段，塔架基礎承臺處預埋一節(jié)高4 m的H型鋼立柱HW408 mm×400 mm，施工承臺鋼筋籠和模板，并澆筑C30承臺混凝土。

3.2.2 塔吊安裝

對塔吊基礎進行施工后，兩岸各布設2臺6513型塔吊配合塔架安裝，為保證塔吊的安全施工，以16 m為節(jié)點逐步頂升塔吊，塔吊頂升前，須在塔架對應位置安裝塔吊的扶墻裝置，依次完成塔吊的安裝。

3.2.3 首節(jié)段H型鋼立柱異位拼裝

首節(jié)段立柱安裝時，使用4 m非標準節(jié)段立柱與8 m標準節(jié)段立柱組合安裝，順橋向前后兩根立柱長度相同，橫橋向依次交替使用標準節(jié)組合和非標準節(jié)組合，使得首節(jié)段立柱法蘭接頭依次形成4 m高差。

臥拼完成后使用卡扣將立柱組合單元片系牢，使用汽車吊進行翻身，隨后將立柱單元片吊至預埋段H型鋼立柱頂部，使首節(jié)段立柱與預埋段立柱中心重合，經測量無誤后使用高強螺栓將首節(jié)段與預埋段連接牢固，逐片起吊安裝，直至第一節(jié)段立柱組合片安裝完成。

3.2.4 標準節(jié)段H型鋼立柱異位拼裝

第一節(jié)段形成異位后，從第二節(jié)段開始，H型鋼立柱均使用標準節(jié)段安裝。安裝第二節(jié)段前，先在地面放出地樣，進行標準節(jié)段立柱地面臥拼，將橫聯(lián)、斜聯(lián)與立柱拼裝在一起，形成第二節(jié)段標準立柱組合單元片。第二節(jié)段立柱組合單元片安裝完畢后，進行立柱組合單元片之間的橫聯(lián)及斜聯(lián)安裝，使第二節(jié)段組合單元片與第一節(jié)段連接成為整體。

反復循環(huán)以上施工步驟，使H型鋼立柱異位拼裝至塔頂，安裝過程中需實時測量，并在塔腰和塔頂安裝纜風繩，確保塔架垂度及偏位滿足設計要求。

3.2.5 塔頂調平

H型鋼立柱安裝至塔頂標高附近時，立柱形成異位。為保證箱梁安裝時塔頂水平，如圖11所示，安裝最后一節(jié)立柱時使用非標準節(jié)段立柱將高差補回，使塔頂調平。

3.3 塔架施工監(jiān)控

為比較H型鋼塔架的使用性能，武宣岸塔架采用異位拼裝施工工藝進行安裝，忻城岸塔架采用同位拼裝施工工藝進行安裝。塔架安裝完成后，進行全面檢查和測量，保證所有螺栓均處于擰緊狀態(tài)，兩岸塔架垂直度均相同。正龍紅水河特大橋纜索吊裝系統(tǒng)的試吊試驗中，試吊重量分為4組：（1）加載50%，重量為58 t；（2）加載100%，重量為116 t；（3）加載110%，重量為127.6 t；（4）加載125%，重量為145 t。同步測量兩岸塔架塔頂和塔腰位置的位移偏移量，結果見表2。

由表2可知，跨中加載相同重量時，塔頂位移高于塔腰。塔架最大位移出現(xiàn)在加載125%時忻城岸下游塔頂?shù)奈恢?，最大位移?79 mm。武宣岸塔架采用異位拼裝工藝，剛度有所提升，武宣岸塔頂及塔腰位置的位移偏移量均比北岸小，說明異位拼裝施工方法可有效提升塔架在同一水平截面抗剪切的能力。

4 結語

（1）本文介紹了廣西正龍紅水河特大橋項目創(chuàng)新設計的一種多用途標準H型鋼塔架結構，該塔架具有受力性能好、用鋼量少、便于運輸存儲、適用廣泛等優(yōu)點，可在拱橋施工中推廣使用。

（2）在最不利荷載組合作用下，塔架強度、剛度和穩(wěn)定性驗算均滿足規(guī)范要求，驗證了結構設計的合理性，能保證塔架施工的安全。

（3）H型鋼塔架主塔安裝采用異位拼裝施工方法，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該方法安裝的塔架剛度有所提升，可有效增強塔架在同一水平截面抗剪切的能力。

參考文獻

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作者簡介：陳亮勝（1996—），碩士，工程師，主要從事道路與橋梁技術管理工作。