大噸位異形鋼橋塔施工支架設計研究

張文學 蘇黎君 汪志斌 賈建興

（北京工業大學建筑工程學院，北京 100124）

近些年，我國大跨徑橋梁建設飛速發展，異形橋塔結構越來越多地出現在實際工程中［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。橋塔施工是大跨度橋梁施工的關鍵技術之一，有必要對其支架施工技術及方案進行研究。橋塔主要施工方式包括分節段施工安裝和整體豎轉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整了鋼塔橫向線形及內力［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［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段，利用鋼塔支架支撐鋼塔節段［5］。江西景德鎮白鷺大橋主塔采用整體扳起法豎向轉體施工方案［6-7］；東苕溪大橋拱形斜鋼塔采用在平面位置拼裝、整體對拉的豎轉施工方案［8-9］。橋塔施工方案需結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行對比分析和優化設計，以保證施工過程中支架的安全性、穩定性，探討橋塔線形控制方案，并系統分析支架設計細節構造等問題。

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，橫跨西六環高速路、永定河以及豐沙鐵路，建成后將成為京西地標性建筑，結構設計寓意為“和力之門”，體現了自然環境和人文環境的結合，也展現了北京的活力和長安街的底蘊。主橋為雙塔斜拉鋼構橋，長639 m，主跨跨徑280 m，設計使用年限100 年。該橋為北京地區最大跨徑橋，也是國內最寬（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，高塔南側塔肢傾斜71°，北側塔肢傾斜61°，高塔總用鋼量為9 817.4 t。矮塔高78.5 m，南側塔肢傾斜74°，北側塔肢傾斜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。工程具有規模大、結構形式復雜、節點構造復雜、加工制作精度要求高、運輸吊裝能力要求高、焊接技術要求高、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構，總用鋼量達9 800 t 以上，施工過程中結構所受荷載、變形均存在不對稱性，橋塔節段施工線形控制難度較大。節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為節段數），附加應力要求不超過8 MPa。高塔支架搭設高度為130 m，要求支架和橋塔協同變形，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 個節段以及1 個合龍段，節段最大質量為700 t，高塔施工過程中節段安裝位置越高，結構線形越難控制。高塔節段劃分如圖2所示。本文設計了4種支架方案進行對比分析（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

由于高塔節段噸位大，結構傾斜，如果通過塔吊吊裝、斜拉索分段張拉調整橋塔線形，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，不利于節段施工拼裝，且滿堂支架的穩定性難以保證。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進一步分析，以確定最優支架方案。

3 格構式支架與全封閉式支架比選

格構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。整個支架結構共設置12排鋼管立柱，立柱頂部位于對應高塔節段下底面向下約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置在GTN6，GTN8，GTN10，GTN12，GTN14 和GTN15 節段的水平投影位置。在GTN6 節段設置2 個立柱；GTN8 和GTN10 節段設置4 個立柱形成格構柱；GTN12 節段設置2 個立柱；GTN14 節段設置3 個立柱形成格構柱。高塔南塔肢支架分別設置在GTS8，GTS10，GTS12，GTS14，GTS15 和HLD 節段的水平投影位置。GTS8 節段設置2個立柱；GTS10和GTS12節段設置4個立柱形成格構柱；GTS14 節段設置3 個立柱，HLD 節段設置3排8 個立柱，總共11 個立柱形成一個大格構柱，支架設計總用鋼量為900 t。全封閉式支架在格構式支架的基礎上，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殼結構，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 個節段截面尺寸和剛度較大，節段長度較短，建模時分別將南北塔肢的前4 個節段簡化為1 個節段，并將高塔合龍段分成南北2 個節段。南北塔肢各13 個節段。主塔底部與支架立柱底部均采用固結方式連接；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 個方向的轉動自由度。對橋塔-支架耦合模型進行整體升溫、降溫30 ℃，對比分析2 種支架結構在溫度荷載作用下的內力情況。

3.1 結構整體升溫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：結構整體升溫30 ℃后，全封閉式支架立柱支反力明顯大于格構式鋼管立柱支反力。全封閉式支架南塔肢立柱最大支反力為3 446 kN，發生在GTS12-S 立柱，北塔肢立柱最大支反力為2 443 kN，發生在GTN12-N 立柱；格構式支架南塔肢立柱最大支反力為2 377 kN，發生在GTS8-S 立柱；北塔肢立柱最大支反力為1 848 kN，發生在GTN12-N立柱。模型整體升溫30 ℃后，格構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力較大，立柱受力不均勻，降低了結構的安全性。

圖5 格構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 結構整體降溫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。可知：結構整體降溫30 ℃后，全封閉鋼管支架立柱支反力與格構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，格構式支架立柱最大支反力為2 056 kN，均發生在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，結構整體升溫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高與塔底標高相差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，從而出現升溫作用下“支架頂塔”、降溫作用下“塔掛支架”的現象。

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進行分析。

4 橋塔施工方案分析

由于高塔節段重量大、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段上頂面相對設計線形的位移偏差，由此得到高塔每節段所需反變形的位移。對高塔節段進行逐段預拼裝，使其每節段位于相應的反變形位置，格構式支架支撐鋼塔節段，高塔支架施工現場見圖9。施工過程中高塔節段豎向位移和縱向位移分別見圖10和圖11。可知，隨著高塔節段的架設，各節段的預變形逐漸減小，塔肢合龍后節段位移偏差達到最小值，計算結果基本閉合，滿足設計要求。

圖9 高塔支架施工現場

圖10 高塔節段豎向位移

圖11 高塔節段縱向位移

對比分析高塔逐段施工安裝與反變形2種施工方案，高塔合龍后節段豎向位移和縱向位移分別見圖12和圖13。可知，相比于高塔逐段施工安裝方案，采用反變形方案后高塔節段位移偏差明顯減小，豎向位移控制在10 mm 以內，縱向位移控制在13 mm 以內。由于橫向位移很小，故忽略不計。高塔所有節段安裝完成后整體線形滿足設計要求。

圖12 高塔合龍后節段豎向位移

圖13 高塔合龍后節段縱向位移

5 設計細節

5.1 斜撐方向對立柱受力的影響

橋塔異形扭曲導致鋼管支架結構形式不規則，對比分析斜撐不同方向的布置形式，發現支架斜撐布置方向對結構受力影響較大，合理的斜撐布置可以使支架立柱受力更加均勻，結構穩定性更高。

本文對荷載組合作用下2種斜撐布置方向的支架模型進行內力分析，荷載組合為恒載+10年一遇風載，整體升溫和降溫30 ℃。基于不同荷載組合，對橋塔-支架耦合模型進行分析得到支架每個立柱豎向支反力包絡值。選取橋塔合龍節段位置格構支架，分析對比未優化斜撐布置方向模型（模型1）與優化斜撐布置方向模型（模型2），2 種模型見圖14。模型1：每節段有3 個斜撐相貫于該立柱下部節點，有2 個連接斜撐相貫于HLD-E 立柱下部節點。模型2：對模型1 的支架斜撐布置方向進行調整優化，每節段只有1 個斜撐相貫于HLD-W 立柱下部節點，有2個連接斜撐相貫于HLD-E立柱上部節點。

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。可知，模型2中HLD-W 與HLD-E立柱支反力包絡值比模型1 小，GTN15-S 與GTN15-N 立柱支反力包絡值比模型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 中每節段有1 個斜撐相貫于下部節點，故會造成GTS15-N 立柱支反力增大。在實際支架施工中，應注意避免多個斜撐相貫于立柱同一節點，造成支架立柱受力不均勻。

表2 格構立柱支反力 kN

5.2 斜撐壁厚對立柱受力的影響

格構式支架結構主要受力構件為鋼管立柱（主管），斜撐、橫撐（支管）為輔助受力構件，增強支架結構的穩定性。主管的外部尺寸不應小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不應小于支管壁厚［10］，以防止主管在節點區發生局部屈服破壞［11］。基于格構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 個方向的轉動自由度。最不利荷載組合為恒載+50 年一遇風荷載。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）。可知，相貫節點處主管應力隨著支管壁厚的增加而增大。

圖15 鋼管相貫節點

圖16 主管主應力變化

相貫節點處主管等效應力云圖見圖17。可知：①支管與主管連接處存在應力集中現象，節點連接區局部應力超限，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點，受力復雜。②由于主管徑向剛度與軸向剛度相差較大，因此應力沿主管的軸向和環向分布很不均勻，相貫線處首先發生局部變形和局部應力集中［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點連接區應力急劇增大，甚至發生局部屈服進入塑性變形。③在支架設計中，應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生變形甚至屈服。為避免主管發生失穩，通過分析計算得到最合理管徑，考慮結構極限受力狀態，可以使主管強度等級高于支管強度等級。

圖17 相貫節點處主管等效應力云圖（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現，支架頂部與牛腿不同的連接方式對橋塔-支架整體結構在荷載組合（恒載+10 年一遇風載）作用下的內力和位移影響較大。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力最大。

圖18 支架立柱支反力包絡圖

支架立柱支反力包絡值見表3。可知：①采用第1 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作為水平摩擦力，并施加在支架立柱各個頂點。考慮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值，最后計算結果很大。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生在立柱頂部支反力最大時，與結構實際受力不符，在支架設計分析中應避免。

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圖分別見圖19和圖20。可知：①采用第2種連接方式時，其主塔節段在荷載作用下位移最小；②采用第3種連接方式時，主塔節段位移整體偏大，這是因為支架在荷載組合作用下內力無法釋放，造成主塔位移偏大。

圖19 主塔橫向位移包絡圖

圖20 主塔縱向位移包絡圖

綜上分析可知，考慮支架結構在施工過程中的安全性、經濟性，同時為了避免支架頂部在荷載組合作用下由于偏心產生的次彎矩，建議支架頂部與高塔連接采用鉸接方式進行簡化處理。

6 結論

本文以新首鋼大橋為背景工程，合理設計了斜拉橋橋塔施工方案和支架方案，研究了支架設計中一些細節問題對橋塔-支架整體結構的影響，得到以下結論：

1）高塔支架采用格構式支架方案，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行預拼裝，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，縱向位移控制在13 mm以內，整體節段滿足設計線形要求。

3）格構式支架的斜撐布置方向對支架整體受力有較大影響，在鋼管支架設計中應注意避免多個斜撐相貫于立柱同一節點，造成支架立柱受力不均勻。

4）鋼管支架設計中，斜撐的管徑、壁厚應小于立柱的管徑、壁厚。極限狀態下，應使斜撐先于立柱發生屈服，從而起到保護立柱的作用，防止結構發生整體失穩。

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