【摘 " "要】：以渭河大橋為工程背景，結(jié)合主橋鋼斜塔施工環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，對主塔施工方案進行論證分析。主塔劃分為23個節(jié)段，采用分段吊裝的方案快速進行主塔施工，通過對不同施工方案進行有限元模擬分析，得到懸臂拼裝、支架法拼裝及同步安裝部分斜拉索方案關(guān)鍵施工工序下的塔根部應(yīng)力及塔的最大變形，發(fā)現(xiàn)同步張拉索方案主塔根部應(yīng)力和頂部變形均比無支架法大幅度降低，與支架法方案相比除Y向變形外其余方向變形減小。

【關(guān)鍵詞】：無背索斜拉橋；鋼主塔；懸臂拼裝；支架法拼裝；同步安裝

【中圖分類號】：U448.27 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）04-40-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.04.010

Comparison and Selection of Construction Technology Schemes for

Double Tower Cable-Stayed Bridges Without Back Cables

ZHOU Yue1，ZHANG Baiquan2，CAI Tiechen2

（1.Shaanxi Provincial Transportation Planning and Design Research Institute Co.Ltd， Xi’an 710000，China;

2.Northwest Branch of China Construction Eighth Engineering Bureau Co. Ltd.， Xi’an 710000，China）

【Abstract】：Taking the Weihe River Bridge as the engineering background， and combines the construction environment and structural characteristics of the steel inclined tower of the main bridge to demonstrate and analyze the construction plan of the main tower. The main tower is divided into twenty-three sections， and the construction of the main tower is carried out quickly using a segmented lifting scheme. Through finite element simulation analysis of different construction schemes， the stress at the tower root and the maximum deformation of the tower under the key construction processes of the cantilever assembly， bracket assembly， and synchronous installation of partial cable-stayed cable schemesare obtained. It is found that the stress at the root and deformation at the top of the main tower in the synchronous tension cable scheme are significantly reduced compared to the non support method， and compared to the support method scheme， the deformation in all directions except for the Y direction is reduced.

【Key words】：cable stayed bridge without back cable；steel main tower；cantilever assembly；bracket assembly； synchronous installation

主塔施工作為無背索斜拉橋建設(shè)過程中最重要的工序，塔結(jié)構(gòu)形式及施工方對橋梁線形及應(yīng)力的影響較大，支架法和豎轉(zhuǎn)法是最常用的施工方法［1～2］；但因塔的結(jié)構(gòu)形式較多，加之無背索斜拉橋為傾斜鋼塔，施工技術(shù)難度大、變形控制要求高，在制定施工方案時需要根據(jù)橋梁特點并結(jié)合進度、安全等影響因素綜合考慮。王寧［3］以合理成橋狀態(tài)為研究目的，建立橋塔-支架協(xié)同變形的有限元模型進行計算分析，并對施工控制的關(guān)鍵因素進行研究，結(jié)合具體的施工控制方法以及誤差解決方案解決了異形斜拉橋的超靜定鋼拱塔施工控制的關(guān)鍵問題；王旭等［4］以某無背索斜拉橋為背景，研究了4種不同支架方案的受力；辛德彭等［5］對無背索斜拉橋的支架支撐現(xiàn)澆法和塔梁同步施工法進行對比分析，發(fā)現(xiàn)主塔采用塔梁同步施工法施工可減小主塔塔身應(yīng)力；林東龍［6］分析了空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋在3種張拉方案下橋梁結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，對斜拉索的張拉順序進行優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)不同的張拉順序?qū)τ谑┕み^程中變形及應(yīng)力影響較大；馬健峰［7］以迎賓大橋為工程背景，根據(jù)大橋的結(jié)構(gòu)形式、施工條件和計算分析結(jié)果，研究了迎賓大橋的施工方案及以及施工控制等問題。賈貫乾［8］依據(jù)鋼-混組合結(jié)構(gòu)梁獨塔無背索斜拉橋設(shè)計特點，對斜塔施工進行了合理的節(jié)段劃分，為克服斜塔實心混凝土結(jié)構(gòu)施工困難，對施工方案進行詳細的比選和研究，并對方案實施進行了詳細闡述。

本文依托渭河大橋主橋，對雙塔無背索斜拉橋鋼主塔安裝方案進行研究，采用先梁后塔的施工方法，優(yōu)化主塔施工方案，對比分析不同施工方案塔根部應(yīng)力及變形情況，研究各施工方案的可實施性。

1 工程概況

渭河大橋主橋采用無背索斜拉-連續(xù)梁組合體系，塔梁固結(jié)、墩梁支撐體系，跨徑布置140 m+110 m+140 m，標準斷面寬度39.2 m。主梁采用變高度連續(xù)鋼箱梁，邊跨標準梁高為3.6 m，中跨標準段梁高為3 m，中支點處梁高為5.6 m，邊支點處梁高為2.5 m。鋼箱梁為分離式5箱室斷面，箱室內(nèi)寬3.2 m，箱外腹板間距5～5.6 m，頂?shù)淄?，雙向橫坡為2%，腹板垂直于頂板布置。

橋塔采用混凝土-鋼結(jié)構(gòu)，呈倒V形，固結(jié)于主梁頂面上，立面上其軸線與水平面的夾角為62.2°；結(jié)構(gòu)最高點距橋面的豎向高度為75.478 m。在橋塔平面內(nèi)倒V形橋塔的單肢塔柱軸線長87.048 m，與水平面夾角約76.845°；塔柱在塔頂處通過塔冠橫梁相連，塔上索距5.84 m。塔柱截面呈八邊形，由外壁板、隔艙板組成；內(nèi)部設(shè)置4道隔艙板，將截面分為5個艙室，邊跨錨索側(cè)艙室填充C60自密實無收縮混凝土；中間艙室為檢修空間，設(shè)置爬梯。斜拉索采用?15.2 mm環(huán)氧涂層鋼絞線成品索，梁上拉索橫梁間距為12m。見圖1。

2 主塔施工方案

根據(jù)起重設(shè)備的性能、加工制造和運輸條件，主塔劃分為23段，最大單段質(zhì)量58.0 t。渭河大橋主墩均位于河漫灘，枯水期施工場地?zé)o河道水流影響。主塔節(jié)段在工廠拼裝后運輸至現(xiàn)場，采用350 t履帶起重機吊裝。見圖2和圖3。

擬對3種拼裝方案進行計算并進行綜合對比分析。見表1。

由于無背索斜拉橋塔為傾斜塔身且每節(jié)段質(zhì)量較大，施工難度較大，塔索同步方案采用無支架拼裝、斜拉索分段張拉作為臨時支撐，施工難度較大，特別是施工線形控制是一個較大的挑戰(zhàn)。大鋼管支架方案塔支架搭設(shè)高度為77 m，高空支架安裝及變形檢測難度大。由于塔截面尺寸較大，故加入無支架懸拼方案作為對比，研究無支架施工的可行性，在懸拼過程中需要根據(jù)塔的穩(wěn)定情況增加臨時穩(wěn)定措施，保證塔的穩(wěn)定；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，塔根部構(gòu)造復(fù)雜，受力復(fù)雜，故無支架懸臂施工風(fēng)險大且施工質(zhì)量難以保證。

3 主塔施工方案模擬分析研究

經(jīng)過對比分析可知，無支架懸拼方案不適用于高大傾斜塔身鋼塔施工，但為了研究對比其他施工方案效果也進行了計算分析，本文重點對塔索同步方案和大鋼管支架方案進行分析，以確定最優(yōu)支架方案。

3.1 主橋計算模型

根據(jù)設(shè)計圖紙及3個方案的施工順序，建立施工階段計算模型。見圖4。

采用空間桿系有限元進行全橋模擬，為充分考慮多道縱梁分配效應(yīng)，建立了梁格計算模型，主橋、橋塔采用梁單元，斜拉索采用索單元，模擬橋梁施工全過程。

塔梁固結(jié)處采用剛性連接進行模擬，索與塔和主梁之間采用彈性連接中的剛性來模擬，主墩梁底設(shè)置4個支座，采用一般約束進行模擬。

3.2 施工模擬

3.2.1 方案一

對懸臂拼裝施工階段進行數(shù)值模擬，計算得到各個施工階段對應(yīng)的塔根部應(yīng)力及最大變形。見表2。

主塔根部應(yīng)力及最大塔身變形均隨著懸臂拼裝高度的增加逐漸增大，待安裝完最后一節(jié)時，根部應(yīng)力最大為264 MPa，最大變形X向為110 mm、Y向為133 mm、Z向為-105 mm，鋼板應(yīng)力及塔身變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)；但是鋼材應(yīng)力已接近設(shè)計強度，綜合施工誤差等因素影響，局部應(yīng)力集中可能會更大，因此本方案不適合作為本橋施工方案。

3.2.2 方案二

根據(jù)主塔分段及拉索位置，在T13前采用懸臂安裝，T13后主塔分段安裝并采用主拉索作為臨時拉結(jié)措施。見圖5。

對關(guān)鍵節(jié)段鋼主塔吊裝和拉索臨時拉結(jié)施工進行模擬分析，拉索張拉力暫定1 600 kN，施工過程中根據(jù)需要調(diào)節(jié)。T16節(jié)段鋼主塔吊裝施工完成后，主塔根部應(yīng)力為141 MPa，在T16節(jié)段安裝和03、04號索張拉完成后應(yīng)力降低最大。隨著節(jié)段安裝和索的張拉應(yīng)力總體趨勢降低，T19節(jié)段安裝后張拉03、04號索，主塔根部應(yīng)力明顯減小并趨于穩(wěn)定，主塔頂部變形受拉索臨時拉結(jié)影響顯著，待T23節(jié)段拼裝完成后，根部應(yīng)力108 MPa，主塔最大變形X向為-100 mm、Y向為180 mm、Z向為-12 mm，Y向位移有所增大。見表3。

隨著拉索的張拉，塔根部應(yīng)力總體趨于減小并穩(wěn)定在在100～120 MPa的可接受范圍，塔身最大變形也控制在200 mm以內(nèi)，張拉03、04號索之前施工階段塔身線性一直在±30 mm以內(nèi)調(diào)整。施工過程中可在塔拼裝關(guān)鍵節(jié)段安裝1～2道橫橋向水平支撐，以減小Y向變形。在不設(shè)塔支架情況下大大提高了主塔安裝精度和線型質(zhì)量，節(jié)省成本與施工周期。

3.2.3 方案三

主塔臨時支架采用大鋼管格構(gòu)式立柱支架，縱橋向立柱間距4 m，橫橋向立柱間距4、4.2、4.5 m。立柱采用426 mm×8 mm鋼管，每根鋼管之間用203 mm×6 mm 鋼管為水平撐及斜撐進行連接，支架間橫撐使用245 mm×6 mm鋼管制作，在立柱上焊接連接板，作為水平撐及斜撐的連接接頭板。在柱頂使用40 a工字鋼作為橫梁，橫梁上設(shè)置標高調(diào)節(jié)及限位裝置。見圖6。

在施工過程中支架和橋塔協(xié)同變形，故本計算支架按照設(shè)計圖紙采用梁單元模擬，反映塔與支架的承受荷載最后的協(xié)調(diào)變形情況，鋼管支撐底部采用一般固定約束模擬基礎(chǔ)。本文主要研究施工方案之間的差異，故支架的受力與變形不贅述。

T10節(jié)段前的節(jié)段采用無支架懸臂安裝，塔承受自重及施工荷載等；T10節(jié)段后的節(jié)段采用有支架法施工，搭設(shè)鋼管支撐支架并在支撐上完成拼裝。根據(jù)計算，塔應(yīng)力在T12節(jié)段達到100 MPa，后續(xù)節(jié)段的安裝均在塔支架上完成，因此應(yīng)力增長很小，T23節(jié)段安裝時最大應(yīng)力為110 MPa，塔的變形與支架變形保持一致。T23節(jié)段拼裝完畢后最大位移發(fā)生在T14節(jié)段，為18 mm，其他方向變形很小，因此施工過程中塔拼裝線形易于控制。

3.3 主塔安裝方案對比分析

3種方案最終成橋應(yīng)力相差不大，但是塔身變形相差較大。方案一由于懸臂拼裝，變形最大；方案二X、Z向變形最小，Y向變形最大，主塔根部應(yīng)力及變形受拉索臨時拉結(jié)作用明顯減小，主塔安裝完成后塔頂X位移為110 mm，成橋后最大X向位移為942 mm，比施工中最大位移減小了184 mm，但是Y向位移有所增大，比方案一、方案三成橋后最大X向位移增加150 mm，但是對于Y向變形可再橫橋向安裝橫向支撐予以減小。見表4和圖7-圖8。

計算結(jié)果表明，方案二比方案三更具可行性和優(yōu)勢，索塔同步施工可大大縮短施工周期。

4 結(jié)論及建議

方案一塔根局部應(yīng)力較大，受施工臨時因素影響板件容易發(fā)生較大變形影響施工質(zhì)量及安全，施工過程中塔處于懸臂狀態(tài)，穩(wěn)定性較差，不建議采用。方案三應(yīng)力及變形在安裝節(jié)段荷載均由支架承受，應(yīng)力及變形均穩(wěn)定且較小，但是成本及周期有所增加。研究發(fā)現(xiàn)方案二無支架吊裝+拉索控制應(yīng)力和變形的主塔施工方案，由于在拼裝節(jié)段張拉斜拉索所支撐塔身自重，因此施工階段的應(yīng)力及變形比方案一大大減??；成橋節(jié)段的應(yīng)力和X、Z向變形均小于方案一和方案三，更有利于施工控制。

主塔施工過程中拉索施加反力可有效約束塔自身自重引起的應(yīng)力及變形，加以橫向支撐等措施，在不搭設(shè)支架情況下提高了施工安全，增加了拼裝精度，可進一步研究施加橫向支撐及優(yōu)化臨時張拉索力的影響。

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