大型臨時索塔結構設計

劉 珍 趙 平

(中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610091)

大型臨時索塔結構設計

劉 珍 趙 平

(中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610091)

結合南寧大橋主橋上部結構施工技術方案，對臨時索塔結構設計進行了討論，針對臨時索塔構造的特殊性，分析了臨時索塔的構思及設計原則，并對其構造設計方法進行了闡述，以滿足臨時索塔的功能要求。

臨時索塔，結構，設計，主橋

1 概述

1.1 南寧大橋主橋設計概述

南寧大橋主橋為大跨徑曲線梁非對稱外傾式拱橋，由兩條獨自向外傾斜的鋼箱拱肋(東側拱肋傾角69.715 59°，西側拱肋傾角66.541 58°)、曲線半徑為1 500 m的橋面曲線鋼箱梁、傾斜的吊桿、系桿及肋間平臺，共同構成一個三維的空間結構體系。大橋效果圖見圖1。

鋼箱拱由兩條非對稱外傾式拱肋組成，東、西拱肋分15個吊裝節段，全橋共30個吊裝節段。節段寬7.40 m或7.408 m，節段高5.60 m～10.008 m，節段長13.931 m～21.152 m；節段重121.6 t～218 t。鋼箱梁為單箱單室截面扁平流線型全焊結構，全寬35 m，中心高3.5 m，梁長6.8 m～9.0 m，重119.3 t～136.6 t。

1.2 主橋上部結構施工技術方案

南寧大橋主橋上部鋼結構(鋼箱拱、鋼箱梁)采用“先拱后梁、以拱承梁，鋼肋拱通過斜拉扣掛懸臂拼裝”的施工方案。拱肋架設采用“纜索吊機吊裝，斜拉扣掛”方案。即，拱節段采用纜索吊機吊裝就位后扣掛于臨時索塔上，鋼箱梁吊裝就位后利用永久系桿和臨時系桿扣掛于拱肋上固定。纜吊系統跨度布置為：東側240 m+452 m+280 m，西側264 m+452 m+280 m。

2 臨時索塔結構設計概述

2.1 傳統類似結構設計概況

傳統類似臨時索塔，要求施工期間安裝與拆除方便，施工完成后其主要構件可重復利用于類似結構，盡可能降低施工費用，因此傳統索塔在選材上常采用通用桿件，如：萬能桿件、型鋼等；結構構造上，為克服彎矩對塔剛度的影響，常采用吊塔(吊裝塔架)與扣塔(扣索塔架)分離，用鉸連接的形式，或采用下部活動式支座；傳統索塔吊裝噸位較小，結構尺寸亦較小。

2.2 南寧大橋臨時索塔構造特殊性

南寧大橋主橋拱肋獨特的雙外傾結構(如圖2所示南寧大橋橫斷面圖)對纜吊系統以及扣掛體系的功能要求，使臨時索塔具有特殊性。1)臨時索塔超寬。臨時索塔不僅要滿足鋼拱肋跨中段(最外側段)吊裝，又要適應鋼箱梁的吊裝(索塔跨中部位起吊)。這要求臨時索塔塔頂足夠寬，達109 m寬，又要臨時索塔跨中具有足夠的強度，滿足吊裝使用要求。2)臨時索塔超高。為方便鋼拱肋跨中段(最高段)起吊安裝，以及操作空間要求，又因地形影響，使臨時索塔南塔高136 m，北塔高126 m。3)塔頂索鞍橫移。南寧大橋曲線梁非對稱外傾式拱橋結構，使拱肋各節段以及鋼箱梁起吊位置相對變化，但相鄰節段位置變化較小，因此必須將纜索系統設置為可移動形式。塔頂結構承載特殊，整個索塔結構影響較大。4)吊扣合一，塔腳固結。為控制索塔高度，索塔采用吊扣合一的形式。為保證在使用過程中塔身的穩定，便于操作，索塔結構采用塔腳與基礎剛結的門式塔架結構。

2.3 設計構思及設計原則

南寧大橋臨時索塔的功能及要求如下：根據總體施工組織設計方案，限制了臨時索塔采用吊扣合一的結構形式。它既作為纜吊系統支撐結構，承擔纜吊系統全部豎向荷載；又是鋼肋拱吊裝期間臨時斜拉索錨固塔，承擔扣錨體系產生的豎向荷載。臨時索塔結構設計以設計指導性施工方案為基礎，在滿足纜吊系統、扣掛系統的使用功能及結構安全前提條件下，綜合考慮其經濟性、功能要求以及施工方便的原則進行設計。設計中重點對臨時索塔的功能性、經濟性以及施工方便做了設計構思：1)功能性。臨時索塔采用吊扣合一，塔腳與基礎固結，受力復雜，同時拱、梁安裝定位對塔身剛度的要求高。索塔的功能要求對臨時索塔剛度和強度須重點考慮；2)技術經濟性。加工料標準化設計，施工完成后其主要構件可重復利用于類似工程，盡可能降低施工損耗；3)安全可靠性。根據索塔使用情況，不僅要求索塔整體剛度、強度及穩定性滿足使用要求外，而且局部受力的特殊部位的構件也必須滿足其使用要求(如扣點部位等)；4)施工方便。為方便臨時索塔安裝與拆除，標準化設計及工廠化加工，現場螺栓組拼，避免現場高空焊接及切割。

3 南寧大橋臨時索塔構造設計

3.1 臨時索塔總體設計概況

臨時索塔青山岸高126.0 m，橫橋向總寬109.16 m，順橋向塔底寬18.52 m，塔頂總寬6.0 m；蟠龍岸高136.0 m，橫橋向總寬109.16 m，順橋向塔底寬19.82 m，塔頂總寬6.0 m。

索塔結構由索塔管結構、索塔H型鋼、索塔萬能桿件橫梁、索塔錨箱及索塔塔頂分配梁等組成，圖3為臨時索塔構造圖。

3.2 主要設計內容及荷載

施工程序方面：拱肋節段安裝先東拱、后西拱，先懸拼、后張拉扣索，再張拉橫向連接索以及風纜；主梁安裝從跨中開始，按9 m節段向橋墩方向安裝。臨時索塔設計，考慮風纜位置、纜索系統對塔架的約束作用，塔架風荷載等。根據“斜拉扣掛”施工索力(各施工階段扣索、橫向對拉索、橫向纜風索索力)，對拱肋吊裝扣掛體系進行計算復核；對纜索地壟、扣錨地壟樁基承載力進行驗算，并對承臺基礎進行計算。綜上所述，臨時索塔主要承受的主要荷載有索塔自重、纜吊系統靜載及吊裝荷載、鋼肋拱吊裝期間臨時斜拉扣掛于索塔上扣錨索產生的豎向荷載、風荷載。

3.3 管結構

臨時索塔管結構為主要承載構件，將上部荷載全部傳遞到基礎。根據受力需要，索塔每肢外側有4根φ813×14 mm鋼管，內側有φ813×16 mm鋼管。鋼管柱之間的聯結系采用雙槽鋼截面([20a 及[16a)呈[]布置，增加其抗扭剛度。每肢鋼管立柱在橫橋向等寬布置，鋼管立柱順橋向變寬設置，頂寬6 m，滿足其上連接的H 型鋼柱拼接4 榀萬能桿件的需求，底寬19.8 m，通過變寬度使塔腳組合抗彎慣性矩增加了11倍，增強塔架順橋向的穩定性。

3.4 H型鋼結構

索塔H型鋼結構位于扣索錨固區，它既是主要承載構件，又是萬能桿件與管立柱之間力傳遞的轉換體系。型鋼立柱高30.0 m，規格采用H580×510×12×20 mm和H580×200×12×20 mm，材質Q345，強軸順橋向布置。立柱間用法蘭盤連接，立柱間系桿采用雙槽鋼截面呈[]布置，增加其抗扭剛度。

H型鋼區是扣錨索的主要錨固區，每側共設置7組扣錨索，其中4組位于H型鋼區。為滿足與四榀萬能桿件連接的要求，在內側2根H型鋼大立柱之間布置了2根H型鋼小立柱，立柱間距采用萬能桿件2 m標準間距。

3.5 萬能桿件

為便于安裝及拆除，并重復利用材料，臨時索塔兩肢之間以及H型鋼柱頂端均采用萬能桿件。臨時索塔兩肢之間寬65.08 m，由64 m標準萬能桿件和1.08 m異形桿件組成。

3.6 錨梁

扣索、錨索交叉錨固于錨梁上，錨梁承受較大的荷載，起著平衡扣錨索水平分力并將豎向荷載傳遞給下方桿件的作用。錨梁采用箱形結構，為適應在錨梁上張拉扣、錨索以及調索的需要，錨梁兩端設計為異形結構。扣錨索張拉、調索操作均在塔頂錨梁上完成。錨梁長6.4 m～6.5 m，寬0.55 m～0.65 m，高1 m～1.3 m，材質采用Q345B。

3.7 塔頂分配梁

為將吊裝荷載可靠、均勻傳遞給下方桿件，避免局部受力過大，造成破壞，在索塔的上方布置三層分配梁，自下而上依次為下橫梁、縱梁、索鞍導軌。下橫梁通過節點板與其下方的萬能桿件相連接，同時在節點位置增加橫向加勁肋，順橋向增加槽鋼聯結系使下橫梁形成整體。并在橫橋方向、段與段之間利用拼接板連接，連接位置為腹板及上、下翼緣。

3.8 基礎設計

臨時索塔基礎承受上部結構豎向荷載為3 100 t，同時承受吊裝過程水平荷載，基礎要求承載力大，且位于河灘岸邊，土質表層主要為淤泥質層，承載力低，臨時索塔基礎采用承臺、群樁形式。塔架樁基采用4×4布置，鉆孔灌注樁樁徑為1.50 m。承臺外形尺寸為22.0×17.6，分為兩肢，兩肢間設置系梁。

3.9 設計方法與結論

南寧大橋鋼箱拱節段采用“無支架纜索吊裝、斜拉扣掛”施工方案，懸拼節段通過扣索錨固于臨時索塔上，施工過程極其復雜，臨時索塔既是吊塔又是扣塔。

為了模擬結構體系的受力行為，采用空間桿系有限元程序對主要受力結構進行模擬分析，包括臨時索塔、塔架纜風索、錨索、扣索、橫向對拉索及側向纜風索均進行了模擬計算。模型中未對主索道及工作索道建模模擬，僅考慮其重量約束剛度及荷載作用，并將其重力剛度按彈簧邊界施加于塔頂軌道梁上。從臨時索塔拼裝到鋼箱梁吊裝完成，根據塔架受力及結構的變化，劃分了77個施工階段對臨時索塔進行受力過程模擬分析，立柱及塔頂分配梁采用梁單元，聯結系及萬能桿件采用桿單元，纜風及扣錨索采用等效桁架單元建立仿真計算模型。

索塔仿真分析采用桿系有限元軟件midas軟件建模計算，扣錨索、纜風索以及主索都屬于幾何非線性結構，按ernst公式計算彈性模量，以等效桁架單元建立模型。

經計算，臨時索塔內側鋼管立柱的最大荷載發生在塔頂段，組合應力為176 MPa，外側鋼管立柱的最大荷載發生在塔底段，組合應力為163 MPa。結構最大應力發生在內側H 型鋼大立柱底部4 m段，最大組合應力為243 MPa；考慮風荷載時組合應力253 MPa。各項檢算指標均滿足規范要求。

塔架的最大位移出現在前幾個拱肋起吊階段，隨著扣錨索的約束作用的增加，扣塔位移逐步減小。單個施工階段扣塔最大順橋向位移約12 cm(小于允許值12 600/600=21 cm)。最大增幅在拱肋節段纜索起吊的工況。纜索起吊是短期荷載工況，對拱肋的影響是暫時的；在纜索松吊后，纜索起吊造成的扣塔偏移和已經安裝的拱肋節段線形的偏移均得到恢復。

4 索塔安裝方案

臨時索塔各構件采用工廠標準化加工以及施工通用材料。管結構、H型鋼以及系桿均采用工廠標準化加工，并在加工廠預拼檢查加工精度，控制加工質量，為安裝精度提供保障。索塔管結構及H型鋼結構拼裝，利用大型塔吊輔助單管單節段拼裝，同步安裝系桿，分節段整體檢查及調整安裝精度。索塔萬能桿件采用懸臂拼裝方式，先在地面將萬能桿件組拼為“米”字或“K”字形結構，利用塔吊吊裝就位安裝。拼裝過程中，在索塔兩側分別設置臨時側纜風輔助張拉來克服懸臂拼裝自身擾度對萬能桿件跨中合龍的不利影響。最后利用塔吊安裝塔頂分配梁以及纜索系統。索塔拆除采用與安裝倒序的步驟，先安后拆，后安先拆的方式進行索塔拆除。

5 結語

組合式索塔經強度檢算、剛度檢算均滿足規范要求；索塔整體剛度很好，最大位移只有11.6 cm，不到塔高的1‰，小于允許值；索塔失穩破壞發生在錨梁下一些局部桿件，最小穩定系數為2.1，穩定系數略偏小，吊裝過程中加強觀測及調整可有效避免破壞。

南寧大橋臨時索塔結構設計不僅滿足纜索吊裝系統、扣掛系統對索塔的功能要求，還在經濟性，施工簡便等方面取得了一定成果，可供同類施工參考。

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Onstructuredesignoflarge-scaletemporarycabletower

LIUZhenZHAOPing

(ChinaRailwayErju5thEngineeringCo.,Ltd,Chengdu610091,China)

Combining with the construction technology scheme of Nanning big bridge upper structure, this paper discussed the temporary cable tower structure design, according to the particularity of temporary cable tower structure, analyzed the concept and design principles of temporary cable tower, and elaborated the structural design method, in order to meet the functional requirements of temporary cable tower.

temporary cable tower, structure, design, main bridge

1009-6825(2014)33-0181-03

2014-09-17

劉 珍(1982- )，女，助理工程師； 趙 平(1980- )，男，工程師

U441

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