張文學(xué) 蘇黎君 汪志斌 賈建興

（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124）

近些年，我國大跨徑橋梁建設(shè)飛速發(fā)展，異形橋塔結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在實際工程中［1-2］。大噸位橋塔的施工對臨時支架的要求高，給橋塔支架施工帶來了很大的挑戰(zhàn)。橋塔施工是大跨度橋梁施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，有必要對其支架施工技術(shù)及方案進(jìn)行研究。橋塔主要施工方式包括分節(jié)段施工安裝和整體豎轉(zhuǎn)2種，前者分為有支架施工、無支架施工。不同的施工方案對施工質(zhì)量、施工安全、施工周期以及成本都有影響。泰州長江公路大橋主塔下橫梁采用支架法與塔柱異步施工，通過安裝主動橫向水平支撐調(diào)整了鋼塔橫向線形及內(nèi)力［3］；武漢二七長江大橋主塔橫梁采用滿堂支架法施工，上塔柱采用塔梁同步施工技術(shù)［4］；南京青奧公園步行橋鋼塔采用支架法施工，通過浮吊吊裝鋼塔節(jié)段，利用鋼塔支架支撐鋼塔節(jié)段［5］。江西景德鎮(zhèn)白鷺大橋主塔采用整體扳起法豎向轉(zhuǎn)體施工方案［6-7］；東苕溪大橋拱形斜鋼塔采用在平面位置拼裝、整體對拉的豎轉(zhuǎn)施工方案［8-9］。橋塔施工方案需結(jié)合工程實際情況考慮不同的因素，從而采取最合理的施工方案。

本文以新首鋼大橋為背景對橋塔施工支架方案進(jìn)行對比分析和優(yōu)化設(shè)計，以保證施工過程中支架的安全性、穩(wěn)定性，探討橋塔線形控制方案，并系統(tǒng)分析支架設(shè)計細(xì)節(jié)構(gòu)造等問題。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

新首鋼大橋是長安街西延道路工程中的控制性工程，橫跨西六環(huán)高速路、永定河以及豐沙鐵路，建成后將成為京西地標(biāo)性建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計寓意為“和力之門”，體現(xiàn)了自然環(huán)境和人文環(huán)境的結(jié)合，也展現(xiàn)了北京的活力和長安街的底蘊。主橋為雙塔斜拉鋼構(gòu)橋，長639 m，主跨跨徑280 m，設(shè)計使用年限100 年。該橋為北京地區(qū)最大跨徑橋，也是國內(nèi)最寬（54.9 m）、拱形鋼塔最高（128 m）的斜拉橋，其效果圖見圖1。

圖1 新首鋼大橋效果圖

斜拉橋高塔高128 m，高塔南側(cè)塔肢傾斜71°，北側(cè)塔肢傾斜61°，高塔總用鋼量為9 817.4 t。矮塔高78.5 m，南側(cè)塔肢傾斜74°，北側(cè)塔肢傾斜58°，矮塔總用鋼量為5 770 t。橋塔兩塔肢前后錯步25 m，全橋各類鋼材用量合計4.3 萬t。工程具有規(guī)模大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜、加工制作精度要求高、運輸?shù)跹b能力要求高、焊接技術(shù)要求高、測量測控精度要求高等特點，從加工制作到運輸安裝都極具挑戰(zhàn)性。

1.2 重難點分析

新首鋼大橋拱形高塔具有大噸位、超異形的特點。高塔總高128 m，整體為變截面空間扭曲結(jié)構(gòu)，總用鋼量達(dá)9 800 t 以上，施工過程中結(jié)構(gòu)所受荷載、變形均存在不對稱性，橋塔節(jié)段施工線形控制難度較大。節(jié)段軸心偏差要求不大于1/（4 000H）（H為索塔總高度），高程偏差要求不大于2Nmm（N為節(jié)段數(shù)），附加應(yīng)力要求不超過8 MPa。高塔支架搭設(shè)高度為130 m，要求支架和橋塔協(xié)同變形，高空支架安裝及變形檢測難度大。

2 高塔支架方案比選

高塔分為南北塔肢各15 個節(jié)段以及1 個合龍段，節(jié)段最大質(zhì)量為700 t，高塔施工過程中節(jié)段安裝位置越高，結(jié)構(gòu)線形越難控制。高塔節(jié)段劃分如圖2所示。本文設(shè)計了4種支架方案進(jìn)行對比分析（表1），以確定最合理的方案。橋塔支架方案模型見圖3。

圖2 高塔節(jié)段劃分

表1 支架方案對比

圖3 橋塔支架方案模型

由于高塔節(jié)段噸位大，結(jié)構(gòu)傾斜，如果通過塔吊吊裝、斜拉索分段張拉調(diào)整橋塔線形，施工難度會增大，成本高。裝配式滿堂支架與橋塔連接位置多，造成支架受力不明確，不利于節(jié)段施工拼裝，且滿堂支架的穩(wěn)定性難以保證。通過綜合比對分析可知，方案1和方案2不適用于高塔施工，本文對方案3和方案4進(jìn)一步分析，以確定最優(yōu)支架方案。

3 格構(gòu)式支架與全封閉式支架比選

格構(gòu)式支架和全封閉式支架均采用Q345 鋼材，立柱均采用φ810×12 mm 的直縫埋弧焊鋼管，支架橫撐、斜撐采用φ530×10 mm 的鋼管。立柱節(jié)間高度1 200 cm，立柱間距300～1 000 cm。立柱之間采用等強對接熔透焊接，立柱與橫撐、斜撐之間采用相貫焊接。整個支架結(jié)構(gòu)共設(shè)置12排鋼管立柱，立柱頂部位于對應(yīng)高塔節(jié)段下底面向下約150 cm 處，立柱頂部與高塔通過牛腿連接。高塔北塔肢支架分別設(shè)置在GTN6，GTN8，GTN10，GTN12，GTN14 和GTN15 節(jié)段的水平投影位置。在GTN6 節(jié)段設(shè)置2 個立柱；GTN8 和GTN10 節(jié)段設(shè)置4 個立柱形成格構(gòu)柱；GTN12 節(jié)段設(shè)置2 個立柱；GTN14 節(jié)段設(shè)置3 個立柱形成格構(gòu)柱。高塔南塔肢支架分別設(shè)置在GTS8，GTS10，GTS12，GTS14，GTS15 和HLD 節(jié)段的水平投影位置。GTS8 節(jié)段設(shè)置2個立柱；GTS10和GTS12節(jié)段設(shè)置4個立柱形成格構(gòu)柱；GTS14 節(jié)段設(shè)置3 個立柱，HLD 節(jié)段設(shè)置3排8 個立柱，總共11 個立柱形成一個大格構(gòu)柱，支架設(shè)計總用鋼量為900 t。全封閉式支架在格構(gòu)式支架的基礎(chǔ)上，將所有的支架立柱通過橫撐和斜撐連接，形成一個封閉的雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，支架用鋼量為1 200 t。2種支架方案整體布置見圖4。

圖4 支架方案整體布置

通過ANSYS 建立分析模型，高塔采用beam4 單元模擬，支架采用beam188 單元模擬。由于高塔南北塔肢底部前4 個節(jié)段截面尺寸和剛度較大，節(jié)段長度較短，建模時分別將南北塔肢的前4 個節(jié)段簡化為1 個節(jié)段，并將高塔合龍段分成南北2 個節(jié)段。南北塔肢各13 個節(jié)段。主塔底部與支架立柱底部均采用固結(jié)方式連接；支架立柱頂部與高塔采用鉸接方式連接，只約束y方向豎向自由度，釋放z方向和x方向平動自由度及3 個方向的轉(zhuǎn)動自由度。對橋塔-支架耦合模型進(jìn)行整體升溫、降溫30 ℃，對比分析2 種支架結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的內(nèi)力情況。

3.1 結(jié)構(gòu)整體升溫30 ℃

塔肢合龍后對2 種橋塔-支架耦合模型整體升溫30 ℃，2 種模型在溫度荷載作用下支架立柱支反力分別見圖5 和圖6。可知：結(jié)構(gòu)整體升溫30 ℃后，全封閉式支架立柱支反力明顯大于格構(gòu)式鋼管立柱支反力。全封閉式支架南塔肢立柱最大支反力為3 446 kN，發(fā)生在GTS12-S 立柱，北塔肢立柱最大支反力為2 443 kN，發(fā)生在GTN12-N 立柱；格構(gòu)式支架南塔肢立柱最大支反力為2 377 kN，發(fā)生在GTS8-S 立柱；北塔肢立柱最大支反力為1 848 kN，發(fā)生在GTN12-N立柱。模型整體升溫30 ℃后，格構(gòu)式支架立柱總支反力增大3 900 kN，全封閉式支架總支反力增大4 150 kN。表明全封閉式支架受溫度荷載的影響較大，在溫度荷載作用下支架內(nèi)力較大，立柱受力不均勻，降低了結(jié)構(gòu)的安全性。

圖5 格構(gòu)式支架立柱支反力變化（升溫30 ℃）

圖6 全封閉式支架立柱支反力變化（升溫30 ℃）

3.2 結(jié)構(gòu)整體降溫30 ℃

橋塔合龍后對2 種橋塔-支架耦合模型整體降溫30 ℃，2 種模型在溫度荷載作用下支架立柱支反力分別見圖7 和圖8?？芍航Y(jié)構(gòu)整體降溫30 ℃后，全封閉鋼管支架立柱支反力與格構(gòu)式鋼管立柱支反力相差不大，全封閉支架立柱最大支反力為2 218 kN，格構(gòu)式支架立柱最大支反力為2 056 kN，均發(fā)生在GTS12-S立柱。模型整體降溫30 ℃后，全封閉式支架立柱總支反力減小2 005 kN，格構(gòu)式支架立柱總支反力減小1 814 kN，表明全封閉式支架立柱受溫度荷載影響較大。

圖7 格構(gòu)式支架立柱支反力變化（降溫30 ℃）

圖8 全封閉式支架立柱支反力變化（降溫30 ℃）

值得注意的是，對于2 種橋塔-支架耦合模型，結(jié)構(gòu)整體升溫30 ℃后，支架立柱反力明顯增大，降溫30 ℃后支架立柱反力減小。這是因為在ANSYS 模型中支架立柱底部標(biāo)高與塔底標(biāo)高相差12.3 m，在溫度荷載作用下支架立柱的伸縮量大于橋塔伸縮量，從而出現(xiàn)升溫作用下“支架頂塔”、降溫作用下“塔掛支架”的現(xiàn)象。

綜上分析可知，全封閉式支架受溫度荷載的影響較大，格構(gòu)式支架方案在溫度荷載作用下受力更加合理且施工方便，故不建議采用方案4，后文基于方案3進(jìn)行分析。

4 橋塔施工方案分析

由于高塔節(jié)段重量大、空間扭曲，要使高塔施工滿足1/（4 000H）的線形要求，必須采取合理的橋塔施工安裝方案。通過對比分析，高塔節(jié)段安裝采用反變形的施工方案，即通過有限元計算可得高塔安裝完成后各節(jié)段上頂面相對設(shè)計線形的位移偏差，由此得到高塔每節(jié)段所需反變形的位移。對高塔節(jié)段進(jìn)行逐段預(yù)拼裝，使其每節(jié)段位于相應(yīng)的反變形位置，格構(gòu)式支架支撐鋼塔節(jié)段，高塔支架施工現(xiàn)場見圖9。施工過程中高塔節(jié)段豎向位移和縱向位移分別見圖10和圖11?？芍?，隨著高塔節(jié)段的架設(shè)，各節(jié)段的預(yù)變形逐漸減小，塔肢合龍后節(jié)段位移偏差達(dá)到最小值，計算結(jié)果基本閉合，滿足設(shè)計要求。

圖9 高塔支架施工現(xiàn)場

圖10 高塔節(jié)段豎向位移

圖11 高塔節(jié)段縱向位移

對比分析高塔逐段施工安裝與反變形2種施工方案，高塔合龍后節(jié)段豎向位移和縱向位移分別見圖12和圖13?？芍啾扔诟咚鸲问┕ぐ惭b方案，采用反變形方案后高塔節(jié)段位移偏差明顯減小，豎向位移控制在10 mm 以內(nèi)，縱向位移控制在13 mm 以內(nèi)。由于橫向位移很小，故忽略不計。高塔所有節(jié)段安裝完成后整體線形滿足設(shè)計要求。

圖12 高塔合龍后節(jié)段豎向位移

圖13 高塔合龍后節(jié)段縱向位移

5 設(shè)計細(xì)節(jié)

5.1 斜撐方向?qū)α⒅芰Φ挠绊?/h3>

橋塔異形扭曲導(dǎo)致鋼管支架結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則，對比分析斜撐不同方向的布置形式，發(fā)現(xiàn)支架斜撐布置方向?qū)Y(jié)構(gòu)受力影響較大，合理的斜撐布置可以使支架立柱受力更加均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高。

本文對荷載組合作用下2種斜撐布置方向的支架模型進(jìn)行內(nèi)力分析，荷載組合為恒載+10年一遇風(fēng)載，整體升溫和降溫30 ℃?；诓煌奢d組合，對橋塔-支架耦合模型進(jìn)行分析得到支架每個立柱豎向支反力包絡(luò)值。選取橋塔合龍節(jié)段位置格構(gòu)支架，分析對比未優(yōu)化斜撐布置方向模型（模型1）與優(yōu)化斜撐布置方向模型（模型2），2 種模型見圖14。模型1：每節(jié)段有3 個斜撐相貫于該立柱下部節(jié)點，有2 個連接斜撐相貫于HLD-E 立柱下部節(jié)點。模型2：對模型1 的支架斜撐布置方向進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，每節(jié)段只有1 個斜撐相貫于HLD-W 立柱下部節(jié)點，有2個連接斜撐相貫于HLD-E立柱上部節(jié)點。

圖14 支架模型

2 種模型在荷載組合作用下立柱支反力見表2?？芍?，模型2中HLD-W 與HLD-E立柱支反力包絡(luò)值比模型1 小，GTN15-S 與GTN15-N 立柱支反力包絡(luò)值比模型1大，模型2支架整體受力更加均勻、合理。GTS15-N立柱豎向軸力增大的原因是模型2 中每節(jié)段有1 個斜撐相貫于下部節(jié)點，故會造成GTS15-N 立柱支反力增大。在實際支架施工中，應(yīng)注意避免多個斜撐相貫于立柱同一節(jié)點，造成支架立柱受力不均勻。

表2 格構(gòu)立柱支反力 kN

5.2 斜撐壁厚對立柱受力的影響

格構(gòu)式支架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件為鋼管立柱（主管），斜撐、橫撐（支管）為輔助受力構(gòu)件，增強支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。主管的外部尺寸不應(yīng)小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不應(yīng)小于支管壁厚［10］，以防止主管在節(jié)點區(qū)發(fā)生局部屈服破壞［11］?；诟駱?gòu)式支架方案建立橋塔-支架耦合有限元模型，研究空間鋼管相貫節(jié)點在荷載作用下的受力情況。支架選用shell63單元，橋塔選用beam4單元，支架立柱頂部與橋塔只約束y方向豎向自由度，釋放z方向和x方向平動自由度及3 個方向的轉(zhuǎn)動自由度。最不利荷載組合為恒載+50 年一遇風(fēng)荷載。立柱尺寸為φ810×12 mm，橫撐、斜撐為φ530×n（n為支管壁厚，分別為6，8，10，12 mm）。對受力最大的鋼管相貫節(jié)點（圖15）做局部分析，對比分析不同支管壁厚對主管受力的影響（圖16）?？芍?，相貫節(jié)點處主管應(yīng)力隨著支管壁厚的增加而增大。

圖15 鋼管相貫節(jié)點

圖16 主管主應(yīng)力變化

相貫節(jié)點處主管等效應(yīng)力云圖見圖17。可知：①支管與主管連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，節(jié)點連接區(qū)局部應(yīng)力超限，這是因為主管與支管通過相貫焊接，且多個支管集匯于主管同一節(jié)點，受力復(fù)雜。②由于主管徑向剛度與軸向剛度相差較大，因此應(yīng)力沿主管的軸向和環(huán)向分布很不均勻，相貫線處首先發(fā)生局部變形和局部應(yīng)力集中［12］。支管壁越厚，其軸向剛度越大，在荷載組合作用下，受力較大的支管使主管在節(jié)點連接區(qū)應(yīng)力急劇增大，甚至發(fā)生局部屈服進(jìn)入塑性變形。③在支架設(shè)計中，應(yīng)使支管的管徑以及壁厚小于主管，支管在荷載組合作用下首先發(fā)生變形甚至屈服。為避免主管發(fā)生失穩(wěn)，通過分析計算得到最合理管徑，考慮結(jié)構(gòu)極限受力狀態(tài)，可以使主管強度等級高于支管強度等級。

圖17 相貫節(jié)點處主管等效應(yīng)力云圖（單位：Pa）

5.3 高塔與支架連接方式

支架頂部與橋塔通過箱形牛腿連接，牛腿采用Q345B 鋼板焊接，板厚30 mm。通過有限元分析橋塔施工過程發(fā)現(xiàn)，支架頂部與牛腿不同的連接方式對橋塔-支架整體結(jié)構(gòu)在荷載組合（恒載+10 年一遇風(fēng)載）作用下的內(nèi)力和位移影響較大。建立3 種橋塔-支架耦合方式的有限元模型：①滑動連接，即支架頂部與牛腿通過滑動支座連接，不考慮水平摩擦力；②滑動連接，但是考慮支架立柱頂部與牛腿水平摩擦力，摩擦因數(shù)μ取0.02，水平摩擦力Fi=Ri μ（Ri為橋塔傳到支架立柱的豎向力）；③鉸接，即約束支架頂部與牛腿3個方向的平動自由度。

5.3.1 支架內(nèi)力

分析橋塔施工全過程中橋塔-支架不同耦合方式下支架立柱支反力包絡(luò)值，見圖18。可知：采用第3種連接方式時，個別立柱支反力與另外2 種連接方式相差不大，其余支架立柱支反力比另外2 種連接方式整體偏小；采用第2種連接方式時支架內(nèi)力最大。

圖18 支架立柱支反力包絡(luò)圖

支架立柱支反力包絡(luò)值見表3?？芍孩俨捎玫? 種連接方式時，南塔立柱最大支反力為4 382 kN，北塔立柱最大支反力為3 523 kN；②采用第2 種連接方式時，南塔立柱最大支反力為4 636 kN，北塔立柱最大支反力為3 819 kN；③采用第3 種連接方式時，南塔立柱最大支反力為2 930 kN，北塔立柱最大支反力為4 060 kN。

表3 支架立柱支反力包絡(luò)值 kN

值得注意的是，考慮立柱頂部與牛腿水平摩擦的滑動連接時，需要對支架立柱頂部施加相應(yīng)的水平摩擦力。這里討論一種錯誤的分析方法：將ANSYS塔架整體模型在荷載組合作用下計算得到的支架立柱頂部最大豎向荷載乘以摩擦因數(shù)作為水平摩擦力，并施加在支架立柱各個頂點?？紤]摩擦力沿東南西北方向作用的工況，分析荷載組合作用下支架立柱支反力包絡(luò)值，最后計算結(jié)果很大。原因是這種方式給支架立柱施加了一個最大的水平推力，但支架立柱頂部與牛腿相對位移不一定發(fā)生在立柱頂部支反力最大時，與結(jié)構(gòu)實際受力不符，在支架設(shè)計分析中應(yīng)避免。

5.3.2 主塔位移

橋塔施工全過程中橋塔-支架不同耦合方式下主塔橫向位移和縱向位移的包絡(luò)圖分別見圖19和圖20?？芍孩俨捎玫?種連接方式時，其主塔節(jié)段在荷載作用下位移最?。虎诓捎玫?種連接方式時，主塔節(jié)段位移整體偏大，這是因為支架在荷載組合作用下內(nèi)力無法釋放，造成主塔位移偏大。

圖19 主塔橫向位移包絡(luò)圖

圖20 主塔縱向位移包絡(luò)圖

綜上分析可知，考慮支架結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性、經(jīng)濟(jì)性，同時為了避免支架頂部在荷載組合作用下由于偏心產(chǎn)生的次彎矩，建議支架頂部與高塔連接采用鉸接方式進(jìn)行簡化處理。

6 結(jié)論

本文以新首鋼大橋為背景工程，合理設(shè)計了斜拉橋橋塔施工方案和支架方案，研究了支架設(shè)計中一些細(xì)節(jié)問題對橋塔-支架整體結(jié)構(gòu)的影響，得到以下結(jié)論：

1）高塔支架采用格構(gòu)式支架方案，在溫度荷載作用下該方案受力比較合理，便于支架施工安裝時在地面進(jìn)行預(yù)拼裝，且用鋼量小。

2）高塔采用反變形的施工方案，高塔合龍后豎向位移控制在10 mm以內(nèi)，縱向位移控制在13 mm以內(nèi)，整體節(jié)段滿足設(shè)計線形要求。

3）格構(gòu)式支架的斜撐布置方向?qū)χЪ苷w受力有較大影響，在鋼管支架設(shè)計中應(yīng)注意避免多個斜撐相貫于立柱同一節(jié)點，造成支架立柱受力不均勻。

4）鋼管支架設(shè)計中，斜撐的管徑、壁厚應(yīng)小于立柱的管徑、壁厚。極限狀態(tài)下，應(yīng)使斜撐先于立柱發(fā)生屈服，從而起到保護(hù)立柱的作用，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)。

5）在分析模型中支架頂部與高塔連接采用鉸接方式進(jìn)行簡化處理，在荷載組合作用下支架內(nèi)力整體偏小，主塔位移整體偏大。該簡化方式能較為準(zhǔn)確地反映支架結(jié)構(gòu)的受力情況，滿足工程需求。