摘要：文章以廣西正龍紅水河特大橋?yàn)槔瑒?chuàng)新設(shè)計(jì)了一種“主扣合一”標(biāo)準(zhǔn)H型鋼塔架結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件對(duì)該塔架進(jìn)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(xì)介紹了拼接工藝。結(jié)果表明：H型鋼塔架在最不利荷載作用下滿足強(qiáng)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?jī)?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(guān)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(hào)：U445.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文意編號(hào)：1673-4874（2024）04-0102-04

0 引言

隨著我國(guó)公路基礎(chǔ)設(shè)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(shè)成本低等優(yōu)勢(shì)，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。超大跨度CFST拱橋常采用纜索吊運(yùn)和斜拉扣掛工藝進(jìn)行施工，而塔架作為纜索吊裝施工的關(guān)鍵組成部分，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)纜索吊裝系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用［3］。傳統(tǒng)塔架采用萬(wàn)能桿件或鋼管桿件等連接形式，同一塔架上的節(jié)點(diǎn)連接件種類繁多，各部位的節(jié)點(diǎn)板各不相同，且在每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)上常有方向各異的多個(gè)連接桿件端點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)板連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜［4］。

為克服傳統(tǒng)萬(wàn)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(xiàng)目，設(shè)計(jì)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(jìn)行連接，節(jié)點(diǎn)板使用鋼板切割焊接制造。該塔架具有固定方向力學(xué)性能強(qiáng)、用鋼量少、便于運(yùn)輸存儲(chǔ)、適用廣泛等諸多優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新采用異位拼裝施工方法進(jìn)行主塔安裝，以此研究百米級(jí)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(yīng)用。

1 工程概況

正龍紅水河特大橋位于廣西來(lái)賓市興賓區(qū)正龍鄉(xiāng)新村，是武宣—忻城公路№2標(biāo)段的一座特大橋。橋梁全長(zhǎng)1 404 m，其中主橋?yàn)?16 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(jié)。纜索吊裝系統(tǒng)兩岸共配置2個(gè)主地錨及4個(gè)扣地錨，兩岸共17個(gè)纜風(fēng)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(gè)拱肋節(jié)段，節(jié)段最大吊裝為96.5 t，用對(duì)應(yīng)的N1～N7扣索對(duì)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(gè)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(shè)計(jì)

2.1 塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主扣合一塔架采用H型鋼桁架式結(jié)構(gòu)，型號(hào)為HW400 mm×408 mm熱軋寬翼緣工字鋼，材質(zhì)為Q355B。H型鋼塔架設(shè)計(jì)圖見圖3，塔架基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，兩岸分別采用12根1.3 m樁基礎(chǔ)，入巖3 m，基礎(chǔ)頂部設(shè)置承臺(tái)和塔腳預(yù)埋段。單個(gè)塔架設(shè)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(shè)計(jì)，通過(guò)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(shè)置橫梁進(jìn)行連接，塔頂設(shè)置箱梁，塔頂橫梁寬度為46.6 m。

每個(gè)塔架共有40束纜風(fēng)索，每束由4根15.2 mm鋼絞線組成，塔頂及塔腰設(shè)縱向纜風(fēng)索和側(cè)向纜風(fēng)索，纜風(fēng)索采用錨固連接板與塔架焊接，扣索鞍段設(shè)置扣索鞍平臺(tái)及支撐桿件，以提高平臺(tái)的承載能力。

2.2 節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)

為了減少焊接工藝對(duì)塔架受力可能造成的缺陷，H型鋼塔架標(biāo)準(zhǔn)段各桿件之間連接點(diǎn)主要采用Q355B節(jié)點(diǎn)板和M27高強(qiáng)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(diǎn)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(jìn)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(jì)算

在正龍紅水河特大橋拱肋吊裝作業(yè)中，根據(jù)28個(gè)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(wú)鉸拱受力轉(zhuǎn)化的工作。為確保拱肋吊裝線形，根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》中“零彎矩法”計(jì)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(jì)算模型如圖6所示。全模型共有節(jié)點(diǎn)708個(gè)，Beam188梁?jiǎn)卧? 696個(gè)，MPC184剛性單元24個(gè)，Link10三維僅受拉桿單元20個(gè)。塔架底部單元采用全約束，即約束塔架底部節(jié)點(diǎn)的所有平動(dòng)自由度及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz）；纜風(fēng)繩地面錨固端采用位移約束，即約束纜風(fēng)繩錨固端的所有平動(dòng)自由度（Ux、Uy、Uz）；塔頂后纜風(fēng)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(fēng)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(fēng)繩及塔腰前纜風(fēng)繩采用8束鋼絞線，其Link10單元截面面積為8×182.4 mm2；塔架側(cè)纜風(fēng)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(gè)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(fēng)索力+6級(jí)風(fēng)荷載。

2.5 仿真結(jié)果及分析

下頁(yè)圖7～9分別展示了拱肋吊裝1～7節(jié)段最大Mises應(yīng)力、最大位移和最大纜風(fēng)張力曲線圖。在整個(gè)吊裝施工階段，塔架最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)段3，最大應(yīng)力為102.41 MPa，小于應(yīng)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(fēng)繩擬采用8根預(yù)應(yīng)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(fēng)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(jì)算結(jié)果表明，在吊裝第1～7拱肋節(jié)段時(shí)，塔架的強(qiáng)度和剛度均滿足規(guī)范要求，纜風(fēng)繩張力也滿足規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)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(shuō)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(shù)及應(yīng)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(shí)，采用長(zhǎng)度不同的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱進(jìn)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(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段進(jìn)行安裝，使整個(gè)塔架立柱法蘭連接面依次異位。安裝至塔頂時(shí)，再使用非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組合將高差調(diào)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(nèi)，增強(qiáng)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(shí)可以降低鋼材型號(hào)，減少單元吊裝重量，降低塔吊型號(hào)，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(chǔ)采用分離式群樁基礎(chǔ)。南北岸承臺(tái)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(jìn)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(tái)1 m。

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

3.2.2 塔吊安裝

對(duì)塔吊基礎(chǔ)進(jìn)行施工后，兩岸各布設(shè)2臺(tái)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(diǎn)逐步頂升塔吊，塔吊頂升前，須在塔架對(duì)應(yīng)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(shí)，使用4 m非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段立柱與8 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段立柱組合安裝，順橋向前后兩根立柱長(zhǎng)度相同，橫橋向依次交替使用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組合和非標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行翻身，隨后將立柱單元片吊至預(yù)埋段H型鋼立柱頂部，使首節(jié)段立柱與預(yù)埋段立柱中心重合，經(jīng)測(cè)量無(wú)誤后使用高強(qiáng)螺栓將首節(jié)段與預(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)段安裝。安裝第二節(jié)段前，先在地面放出地樣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(fù)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(guò)程中需實(shí)時(shí)測(cè)量，并在塔腰和塔頂安裝纜風(fēng)繩，確保塔架垂度及偏位滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.5 塔頂調(diào)平

H型鋼立柱安裝至塔頂標(biāo)高附近時(shí)，立柱形成異位。為保證箱梁安裝時(shí)塔頂水平，如圖11所示，安裝最后一節(jié)立柱時(shí)使用非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段立柱將高差補(bǔ)回，使塔頂調(diào)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(jìn)行安裝，忻城岸塔架采用同位拼裝施工工藝進(jìn)行安裝。塔架安裝完成后，進(jìn)行全面檢查和測(cè)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(yàn)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(cè)量?jī)砂端芩敽退恢玫奈灰破屏浚Y(jié)果見表2。

由表2可知，跨中加載相同重量時(shí)，塔頂位移高于塔腰。塔架最大位移出現(xiàn)在加載125%時(shí)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(shuō)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(jié)語(yǔ)

（1）本文介紹了廣西正龍紅水河特大橋項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一種多用途標(biāo)準(zhǔn)H型鋼塔架結(jié)構(gòu)，該塔架具有受力性能好、用鋼量少、便于運(yùn)輸存儲(chǔ)、適用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)該方法安裝的塔架剛度有所提升，可有效增強(qiáng)塔架在同一水平截面抗剪切的能力。

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