謝志軍 魏方東 熊亞

摘要：以青海省西寧市西平大街空間異形鋼塔鋼箱梁斜拉橋為背景，重點介紹西平大街斜拉橋鋼索塔整體豎向轉體施工關鍵計算要點。

關鍵詞：豎向轉體法； 空間異形鋼塔鋼箱梁斜拉橋； 施工計算要點

中圖分類號：U445.465文獻標志碼：A

0引言

將鋼材應用于大跨度索結構橋梁增大了索結構的跨越能力并降低了橋梁自重。鋼結構橋梁在西方及日本等發(fā)達國家的橋梁工程中已被廣泛采用，但中國鋼結構橋梁的占比卻小于1%（截止2015年）［1］。其中一個制約鋼結構應用于橋梁的因素是鋼材的防腐難題，但近年來，隨著鋼材防腐技術的進步及2016年交通運輸部《推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》［2］的發(fā)布，鋼結構在橋梁上的應用得到了很大程度的進展。

目前，很多大跨度索結構橋梁的主塔也普遍采用鋼結構，國內建成的馬鞍山長江公路大橋、大榭二橋、港珠澳大橋、泰州長江公路大橋中塔、馬鞍山長江公路大橋中塔、南京長江三橋索塔、杭州之江大橋索塔等均采用鋼結構［4-6］。本文以青海省西寧市西平大街空間異形鋼塔鋼箱梁斜拉橋為背景，重點介紹西平大街斜拉橋豎向轉體施工計算重點。

1鋼索塔施工技術概述

鋼結構橋梁的施工較多地采用無支架施工技術，包括懸臂拼裝、頂推、轉體等施工方法［3］。而鋼索塔的施工技術主要分為分節(jié)段安裝和整體安裝兩種方法。根據(jù)結構特點及施工條件，常用的鋼索塔施工方法有：整體吊裝法、高空分節(jié)段安裝法和整體轉體法等［6］。南京長江三橋作為我國特大橋鋼索塔施工的首個施工案例，采用了節(jié)段拼裝的方法施工鋼索塔［7］。珠港澳大橋江海直達船航道橋3座風帆形鋼塔均采用了浮吊整體安裝（圖1）［8］。

龍城大橋和中興大橋鋼索塔均采用豎轉方法施工［9-10］。圖2給出了中興大橋鋼索塔豎轉施工布置。

由此可見，關于鋼索塔的施工方法的選擇沒有統(tǒng)一的標準，需要綜合考慮工程質量、安全、經(jīng)濟及施工現(xiàn)場環(huán)境等諸多因素，最終確定一個合理的施工方法及施工方案。

2工程概況

西平大街空間異形鋼塔鋼箱梁斜拉橋位于青海省西寧市。由于該橋梁為南川文化旅游商貿(mào)會展區(qū)重點基礎設施，屬于當?shù)匚幕貥私ㄖ?，所以對橋梁造型的美觀要求較高。本橋主塔采用了外觀造型較為獨特的多肢空間異形鋼塔。主橋采用135 m+90 m空間雙索面鋼塔鋼箱梁斜拉橋，橋梁總長為231 m，雙向6車道。橋梁主跨主梁采用鋼梁（兩邊箱），邊跨主梁采用鋼箱梁（配重），橋寬41～54.8 m。塔柱包括一根中塔柱和兩根邊塔柱，中塔柱總高108 m，邊塔柱總高103.5 m，索塔總重量約2 383 t。橋梁效果圖見圖3。

3總體施工方案、方案優(yōu)點及施工難點

3.1總體施工方案

西平大街斜拉橋主塔采用異形鋼索塔，結構受力復雜，施工難度較高［11-14］。綜合考慮現(xiàn)場施工條件，結合施工控制相關理論，同時參考相關工程經(jīng)驗［15-17］，該橋索塔施工擬采用“胎架臥拼+整體豎轉”的總體方案（圖4），即先搭建拼裝胎架，鋼索塔在胎架上組拼焊接成型，在鋼索塔底部節(jié)段設置豎向轉鉸，為實現(xiàn)索塔的整體豎轉，設置了臨時轉體塔架，通過在轉體牽引索的張拉端（轉體牽引索錨碇側）和轉體塔架頂設置同步液壓牽引系統(tǒng)，實現(xiàn)對鋼索塔豎向轉體施工的精確控制，待鋼索塔轉體到位后完成體系轉換。另外設置了混凝土壓桿使整個轉體機構形成自平衡體系，以達到降低轉體牽引索錨碇工程量的同時也滿足錨碇的抗滑移要求。

鋼索塔豎轉施工的主要施工步驟：

（1）首先施工①號墩臺基礎，并原位吊裝鋼索塔轉鉸位置以下節(jié)段，通過張拉預應力鋼絞線與承臺固結，原位吊裝下轉鉸。

（2）鋼索塔預埋段、調整支架、轉體塔架、臥拼支架及胎架、錨碇、混凝土壓桿施工。

（3）工廠制造鋼索塔節(jié)段，運輸至工地，鋼索塔分節(jié)段進行吊裝、定位，連接轉鉸后依次組拼并焊接成型。

（4）安裝牽引系統(tǒng)、纜風索，掛設鋼索塔轉體背索，試轉體將鋼塔脫離胎架，檢查系統(tǒng)無問題后進行正式轉體。

（5）轉體到位后，調整支架受力，牽引系統(tǒng)卸載至合理索力，鋼索塔合龍并封鉸，拆除轉體系統(tǒng)，完成體系轉換。

3.2方案優(yōu)點及施工難點

3.2.1方案優(yōu)點

相比索塔高空節(jié)段安裝的施工方案，本施工方案的優(yōu)點有幾點：

（1）可降低索塔結構的高空拼裝工作難度。

（2）可有效提高鋼索塔節(jié)段焊接質量和工效，有利于控制工程質量和縮短工期。

（3）有利于施工安全管理，減少施工安全隱患。

3.2.2施工難點

同時采用“胎架臥拼+整體豎轉”方案也存在難點：

（1）由于轉體結構總重超過2 000 t，轉體過程中轉鉸結構受力復雜，加工安裝難度較大。

（2）轉體過程中需保證牽引系統(tǒng)的同步工作，其配合精度要求較高。

（3）鋼塔豎轉應選擇風力不大于4級時施工，由于轉體過程不宜中斷，若轉體過程中風力轉大會對施工造成不便，所以合理選擇施工時間對轉體施工極其關鍵。

4鋼塔牽引豎向轉體施工計算

4.1轉體系統(tǒng)組成

轉體系統(tǒng)由轉鉸、牽引系統(tǒng)、錨碇、混凝土壓桿、轉體塔架和纜風索組成。通過在鋼索塔底部節(jié)段設置轉鉸，搭設轉體塔架并利用牽引系統(tǒng)實現(xiàn)鋼索塔的整個豎向轉體動作，轉體角度85°（圖4）。

工程結構謝志軍， 魏方東， 熊亞： 空間異形鋼塔鋼箱梁斜拉橋鋼索塔整體豎向轉體施工計算要點

4.2豎向轉鉸計算

豎向轉鉸共設置2個，每個邊塔設置1個，由上轉鉸、下轉鉸和銷軸組成，轉鉸耳板采用上二下一組合，單個豎向轉鉸總重約107 t。其中上轉鉸采用兩片耳板，耳板厚度200 mm；下轉鉸采用一片耳板，耳板厚度400 mm。其中，上轉鉸布置與鋼索塔轉體部分底端，下轉鉸布置于鋼索塔與承臺固結節(jié)段的頂端，上、下轉鉸通過銷軸連接，上、下轉鉸均采用ZG35CrlMo合金鋼鑄件制造。為減小吊裝重量，銷軸采用圓筒形式，外徑900 mm，內徑500 mm，材質為40Cr。轉鉸布置見圖5。

由表1計算結果可知，下轉鉸所受順橋向荷載有一個變號的過程。這是當轉體結構重心在水平面投影點移動到轉鉸銷軸軸線右側后（約轉體超過72°后）導致整個結構的傳力路徑發(fā)生變化所致，轉體至72°之前，下轉鉸所受外荷載方向同大里程方向同向，且荷載值逐漸減小，轉體超過72°后，方向變?yōu)榕c小里程方向同向，且荷載值逐漸增大。下轉鉸所受豎向力隨轉體角度的增加逐漸增大。

利用Ansys Workbench建立了上、下轉鉸的實體有限元模型。圖6給出轉體過程中最不利工況時，上、下轉鉸Mises等效應力分布情況。

由圖6計算結果可知，上轉鉸最大Mises應力為174.3 MPa，出現(xiàn)在轉體初始階段（剛開始轉體）；下轉鉸最大應力為262.9 MPa，出現(xiàn)在轉體最后階段（調整支架受力前一刻）；以上Mises應力值均小于ZG35CrlMo合金鋼鑄件抗拉、壓設計強度360 MPa。

4.3牽引系統(tǒng)計算

牽引系統(tǒng)由轉體牽引索、轉體背索、連續(xù)千斤頂、計算機控制系統(tǒng)組成。轉體牽引索平行布置8組，每組由一束37根1860級、直徑17.8 mm鋼絞線組成，轉體牽引索分兩段，在轉體塔架頂部分段（圖7）。其中近鋼索塔側一段的鋼絞線一端連接在鋼索塔張拉扣點處，另一端連接在轉體塔架頂部的連續(xù)千斤頂處；遠鋼索塔側一段的鋼絞線一端連接在轉體牽引索錨碇連續(xù)千斤頂處，另一端連接在轉體塔架頂部扣點處。轉體背索平行布置2組，每組由一束37根1860級、直徑17.8 mm鋼絞線組成，一端連接在鋼索塔張拉扣點處，另一端連接在背牽引索錨碇連續(xù)千斤頂處。

實際轉體施工中的前半段通過控制錨碇側及轉體塔架頂部連續(xù)千斤頂?shù)姆绞街鸩椒止?jié)段完成轉體動作。當轉體結構重心在水平面投影點移動到轉鉸銷軸軸線右側后（約轉體超過72°后），通過控制背索連續(xù)千斤頂?shù)姆绞绞菇Y構轉體至預定位置。

表2給出了轉體過程中牽引索及牽引背索的受力變化變化情況。

由表2計算結果可知，轉體牽引索與背索是輪換承載的。轉體至72°之前的過程中，轉體牽引索為主要的承載構件，且索力至逐漸減??；轉體超過72°后，轉體背索變?yōu)橹饕休d構件，且索力值逐漸增加。

4.4合龍及封鉸前鋼索塔強度及變形計算

當鋼索塔轉體到位后，利用合龍調整支架為鋼索塔中塔柱和轉體背索作為臨時承載構件，通過逐漸放松轉體牽引索的方式，當放松至合理索力后完成鋼索塔合龍及封鉸。

本方案在轉體至84.73°時合龍調整支架開始受力，通過放松牽引背索的方式，主要受力構件逐漸由牽引背索轉換為調整支架，當放松至合理索力后完成鋼索塔合龍及封鉸。圖8～圖11給出了合龍封鉸前放松牽引背索過程中鋼索塔的變形情況。正值代表塔柱向小里程樁號和向下變形，負值代表塔柱向大里程方向和向上變形。

圖10和圖11中變形突變處為合龍口的上斷面，因為此時還未合龍，所以有變形的突變。

由圖8～圖11計算結果可知，鋼索塔柱的變形量隨著牽引背索的放松逐漸減小。

表3給出了合龍封鉸前調整支架受力時，放松牽引背索過程中鋼索塔應力變化情況。

由表3計算結果可知，在牽引背索力較小時鋼索塔的最大應力值較小。

由以上分析結果可知，在合龍封鉸前放松牽引背索過程中，鋼索塔的變形和應力都有逐漸減小的趨勢。這說明可通過控制背索索力的方式調整合龍前鋼索塔的內力及變形。

4.5混凝土壓桿布置及計算要求

西平大橋鋼索塔整體豎向轉體方案中，由于轉體結構自重較大，為保證轉體結構在轉體過程中的穩(wěn)定性，必然會導致轉體牽引索錨碇的工程量巨大。為減小轉體牽引索錨碇的工程量，本方案創(chuàng)造性的提出混凝土壓桿結構，混凝土壓桿的一端與①號承臺固結，另一端與轉體牽引索錨碇固結?；炷翂簵U總體布置見圖14，設置穿越段是由于③號橋臺在轉體施工前已經(jīng)完工，混凝土壓桿在施工時需要下穿③號橋臺，為方便施工，穿越段采用了焊接工字鋼代替混凝土，穿越段橫截面布置見圖12，工字鋼段與混凝土的連接方式見圖13。

混凝土壓桿計算應滿足穩(wěn)定性與承載力要求。

4.6轉體塔架布置及計算要求

為實現(xiàn)鋼索塔的轉體動作，在鋼索塔的一側設置了轉體塔架（圖4），轉體塔架作為鋼索塔轉體過程中的重要受力構件，對整個轉體方案的成功與否起著決定性作用。轉體塔架高75.2 m，采用4 m×4 m格構式塔架，共2組，縱向寬約4.8 m，橫向寬約14.8 m，中間采用連桿進行連接。立柱鋼管伸入承臺，直接與承臺連接成一體，轉體塔架布置形式如圖15所示。轉體塔架應滿足強度與穩(wěn)定性要求。

5結束語

西平大街斜拉橋橋主塔為空間異形鋼索塔，鋼索塔采用“胎架臥拼+整體豎轉”的整體豎向轉體方案。施工時，設置了混凝土壓桿、轉體塔架、豎向轉鉸及轉體系統(tǒng)，保證了轉體過程中轉動結構始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，通過配合使用上述構件施工順利。本文簡要介紹了西平大街斜拉橋鋼索塔整體豎向轉體過程中的關鍵計算要點。進一步保證了轉體過程中結構應力水平和變形可控。

參考文獻

［1］岳清瑞，侯兆新.對我國鋼結構發(fā)展的思考［J］.工程建設標準化，2017（5）：48-56.

［2］交通運輸部關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見［J］.公路，2016，61（8）：271-272.

［3］中國橋梁工程學術研究綜述·2021［J］.中國公路學，2021，34（2）：1-97.

［4］何廣源，吳迪軍，李書銀，等.大跨度橋梁鋼索塔安裝測量方法及精度分析［J］.測繪通報，2014， 446（5）：89-91.

［5］常彥虎，章建，王歲利，等.大榭二橋鋼索塔制作難點分析及對策［J］.鋼結構，2013， 176（9）： 52-55+7.

［6］許前順，牛亞洲，石虎強.大跨度索結構橋梁鋼塔施工技術研究綜述［J］.公路，2017，62（6）：84-89.

［7］陳光保，魏浩翰，黃騰.南京長江三橋鋼索塔施工測量技術［J］.公路交通科技，2008，150（9）： 73-80.

［8］金秀男，樸瀧，陳黎，等.港珠澳大橋江海直達船航道橋鋼箱梁安裝方案研究［J］.世界橋梁，2021，49（6）：21-27.

［9］吳永敏.中興大橋V型主塔豎轉施工技術［J］.城市道橋與防洪，2021，262（2）：123-125.

［10］馬恒.龍城大橋鋼索塔豎轉施工關鍵技術［J］.現(xiàn)代交通技術，2008（3）：50-53.

［11］高興澤，范大意，楊仁康.景德鎮(zhèn)白鷺大橋鋼塔豎向轉體施工技術［J］.鐵道工程學報，2007，24（5）： 55-62.

［12］潘軍，徐瑜.港珠澳大橋九洲航道橋主梁及橋塔施工關鍵技術［J］.橋梁建設，2016，46（6）：1-6.

［13］衛(wèi)軍，曾志豪，李定有.斜拉橋異型拱塔施工臨時橫撐方案比選［J］.橋梁建設，2017，47（4）：113-118.

［14］王杰，徐啟利.平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋橋塔桁架式臨時橫撐設計［J］.世界橋梁，2018， 46（4）：22-26.

［15］孫九春.豎轉提升工藝下拱肋體系轉換與合龍控制方法研究［J］.橋梁建設，2017，47（l）：53-58.

［16］聶磊，謝國平.公路跨鐵路橋梁轉體施工設計［J］.鐵道勘察，2018（3）：117-121.

［17］曾甲嘩，劉智春，陳裕民，等.轉體施工鋼箱梁獨塔斜拉橋設計［J］.世界橋梁，2016，44（4）：11-15.

［作者簡介］謝志軍（1977—），男，本科，高級工程師，從事工程施工技術、工程管理工作及研究。