空間彎扭曲線鋼橋塔的設計與施工

孫 亮

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

柳州白沙大橋位于柳州市柳北區東南部與城中區西部之間，東西向跨越柳江河道，南距上游壺東大橋、北距下游河東大橋均為1.5 km。主橋采用跨徑布置為（200+200）m 的空間雙索面獨塔斜拉橋，標準橋面寬度為38 m，設置有雙向6 車道加雙側非機動車道和人行道，主梁采用扁平流線型鋼箱梁，橋塔采用反對稱空間彎扭門型鋼塔，結構體系為塔、梁、墩固結的剛構體系[1]，橋型立面布置見圖1 所示。

圖1 主橋橋型立面布置圖（單位：m）

2 橋塔結構設計

2.1 總體設計

空間彎扭曲線橋塔的結構形式和受力特性均較為復雜，對計算結果的準確性，以及制造、安裝的精度均有很高的要求。考慮到鋼結構相對于混凝土結構而言，一方面因其材質均勻、彈性模量恒定、各種不確定因素（如收縮、徐變等）較少，計算結果較為準確；另一方面鋼塔節段采取預制并經試拼裝后出廠，能更好地保證成品的質量和精度，因此設計采用了鋼塔。此外，鋼塔現場工作量與高空作業量均較少，可有效降低施工風險、提高施工效率，并且由于自重較輕，既利于抗震，還可減小下部結構規模。

橋塔從承臺頂至塔頂截面中心的高度為106.2 m，塔底設置有9.3 m 高的混凝土塔座，與錨入其中的鋼塔柱形成鋼—混結合段，其余為鋼結構，塔上共設有30 對斜拉索，橋塔實景見圖2 所示。

圖2 橋塔實景

塔柱中軸線鑒于橋梁中心面反對稱，在橫橋向和順橋向鉛錘面上的投影自上而下分別由橢圓曲線段、圓曲線段，以及直線段組合而成，并在兩個方向疊加形成空間曲線，見圖3 所示。中軸線橫橋向橢圓曲線方程為，圓曲線方程為（X+377.4675）2+（55.1-Z）2=4002，分界點位于Z=50 m處；中軸線順橋向橢圓曲線方程為1，圓曲線方程為（Y+138.0104）2+（33.5-Z）2=1502，分界點位于Z=37.5 m 處；從Z=100 m 處向下為直線段，沿空間曲線末端切線方向向下延伸。橋塔坐標系原點位于中軸線頂端，Z 軸正方向鉛錘向下。

圖3 橋塔總體結構圖（單位：m）

塔柱采用變高度單箱七室矩形截面，橫橋向寬度為450 cm，順橋向寬度從塔底至塔頂由1042 cm漸變至500 cm，截面四角均以65 cm×65 cm 倒角以改善結構的氣動性能。塔柱內部沿高度方向通常設置有2 道縱向和4 道橫向內腹板，壁板及內腹板上均設有標準間距為80 cm 的豎向板式肋加勁，截面形式見圖4 所示。為增強結構的整體性、提高抗扭剛度，沿塔柱軸線每隔約2.5 m 設有一道橫隔板，除錨索區中間箱室內的橫隔板水平設置外，其余均沿塔柱軸線的法向平面設置。

圖4 塔柱橫截面圖（單位：cm）

橋塔主體結構鋼材材質為Q345qD，壁板與內腹板厚度根據結構受力狀況確定，板厚為24～50 mm。為便于斜拉索在塔柱中間箱室內錨固，降低橋塔的制造及安裝難度，塔柱在塔底至錨索區范圍內只彎曲但不扭轉，在錨索區以上至塔頂范圍內既彎曲且扭轉。

2.2 塔底錨固構造

在由塔柱縱向彎曲引起索力偏心距增大，以及上、下游側索力不對稱等因素的共同影響下，塔底彎矩和拉應力均相對較大，因此除了承臺頂面的鋼—混結合段外，還在承臺內設置了鋼底座以加強鋼塔的錨固，見圖5 所示。

圖5 塔底錨固構造圖（單位：m）

鋼底座頂面位于承臺頂面以下0.7 m 處，豎向高度為4.6 m，頂、底部分別設有厚度為50 mm 和36 mm的水平承壓板，承壓板間布置有縱橫交錯的豎向肋板，位置與底節段塔柱壁板、內腹板及豎向加勁肋對應。豎向肋板上間隔開有φ60 mm 的圓形過筋孔，孔洞中的混凝土榫與貫穿鋼筋一起形成PBL 剪力鍵，在PBL 剪力鍵間隙處還補充設置了φ22 mm 剪力釘作為輔助傳力元件，共同承擔鋼塔柱與混凝土承臺間力的傳遞。底座豎向肋板采用加大尺寸的設計，增大了鋼與混凝土的接觸面積，以便布置足夠數量的傳剪件。

鋼塔底節段與鋼底座之間采用全熔透角焊縫連接，貫穿混凝土塔座并與之形成鋼—混結合段。結合段內的鋼塔壁板和內腹板上同樣設置有PBL 剪力鍵和剪力釘，以滿足鋼與混凝土之間的傳力需求[2]。為避免塔座及承臺混凝土在極端工況下受拉開裂，沿塔壁四周順塔柱軸線方向還布置有φ32 mm 的精軋螺紋鋼預應力粗鋼筋，兩端分別錨固于塔座頂面和承臺底面。

鋼底座作為鋼塔的主要錨固件，其豎向肋板上布置的傳剪件是傳遞荷載的主要構件，頂、底部的承壓板和塔座鋼—混結合段作為強度儲備可進一步提高錨固的可靠性。此外，結合段外層混凝土還可避免浪濺區干濕交替效應對鋼塔造成加速腐蝕，從而提高結構的耐久性。

2.3 塔梁固結段構造

為了提高整體豎向剛度，主橋采用了塔、梁、墩固結的剛構體系。但由于上、下游塔柱與主梁相接處縱向不在同一位置，若在塔梁固結處設置斜交橫梁，一方面會加劇主梁結構在不對稱索力作用下的彎扭耦合效應，另一方面會破壞鋼箱梁內部正交異性結構的連續性與規律性，影響鋼箱梁在荷載作用下內力與變形的分布規律，同時還會造成鋼箱梁頂板局部剛度分布不均勻，影響橋面鋪裝的耐久度。因此，采用在塔區范圍的鋼箱梁內增設多道正交隔板的方式，加強梁體內部縱、橫向聯系，大幅提高其整體性和剛度，從而保證固結區內力傳遞與分配的均勻性，避免了設置斜交橫梁。

塔區縱向長度為24 m 的鋼箱梁劃分為2 個12 m長的節段，各自分別與一側塔柱連接，每個鋼箱梁節段內均設置有9 道橫隔板和5 道縱隔板，其中有4道實腹式橫隔板和3 道空腹式橫隔板連同頂、底板一起延伸至內側塔壁，并與塔柱全熔透焊接。固結區塔柱結構也相應進行了加強，內部增設5 道豎向隔板和2 道水平隔板，位置分別與鋼箱梁橫隔板，以及頂、底板對應。塔梁固結段平面布置見圖6 所示。

圖6 塔梁固結段平面布置圖（單位：m）

2.4 斜拉索錨固區

斜拉索錨固區位于橋塔中上部分，總高度范圍約42 m，每側塔柱內各設置有15 對鋼錨箱，高度方向間距均為3 m。鋼錨箱安裝在橋塔的2 道縱向內腹板之間，由主錨板、承壓板（含承壓加勁肋，下同）、蓋板、錨墊板及索導管等構件組成，蓋板所在平面垂直于斜拉索中心線，承壓板和主錨板均與蓋板垂直，見圖7 所示。

圖7 斜拉索錨箱構造圖

由于斜拉索索力經由承壓板和主錨板傳遞至順橋向內腹板，并通過內腹板最終傳遞給橋塔，因而錨索區內腹板在承受橋塔豎向力的同時還需承受由兩側斜拉索水平分力引起的拉力，以及由不平衡索力產生的剪力[3]。這一點在確定該區域內腹板厚度時應予以考慮。

2.5 橋塔穩定性分析

為進一步研究這種空間彎扭曲線橋塔的結構受力特性并較為準確地判定其穩定性能，對橋塔分別建立了桿系單元和板殼單元的ANSYS 有限元模型進行數值仿真計算。在空間桿系單元模型中，斜拉橋主梁采用Beam4 單元模擬成魚骨刺模型，斜拉索采用Link10 單元模擬并施加初始張拉力，橋塔采用Beam188 單元進行模擬；在空間板殼單元模型中，主梁及斜拉索采用與空間桿系單元模型同樣的方式模擬，橋塔則采用Shell143 單元進行模擬，建模時還詳細模擬了橋塔的內部構造，壁板、內腹板、加勁肋，以及橫隔板等構件的布置均與實際結構保持一致[4]。

基于所建立的空間模型對橋塔在豎向荷載作用下的穩定性進行分析，得到其失穩臨界荷載Pcr和對應的屈曲特征值λ（即穩定安全系數）。需要說明的是，這里豎向荷載包含結構自身的恒載W 與汽車荷載F，Pcr即為λ 倍的恒載與汽車荷載之和，可表達為：λ=Pcr/（W+F）。

由空間桿系單元模型算得橋塔理想彈性狀態下的第一類穩定最小特征值為94.51，在考慮材料、幾何雙重非線性，以及結構初始缺陷影響的前提下，第二類穩定最小特征值為19.89，表現為斜拉索錨固區域位的塔柱截面形心處位移較其他位置明顯增大；由空間板殼單元模型算得的第一類穩定最小特征值為25.15，第二類穩定最小特征值為12.90，兩類失穩模態均表現為局部屈曲，分別位于斜拉索錨固區中部的外壁板和內部拉索處的腹板、橫隔板及加勁肋。計算表明，在計入雙重非線性因素的影響并考慮可發生局部失穩的計算模式下，橋塔的最小穩定安全系數為12.90，滿足《公路斜拉橋設計規范》（JTG/T 3365-01）的規定且具有較高的安全度。

3 橋塔施工

3.1 吊裝方案與節段劃分

橋塔采用龍門架吊裝，在確定橋塔吊裝方案時主要對塔吊、浮吊和門架吊裝等幾種常用方式進行了比選。由于橋塔空間線形復雜并且對安裝精度要求極高，普通塔吊難以適應，安全風險較大，再加上控制和調整構件空中姿態需增設多項附屬設備，則其結構將更為復雜且成本高昂；若采用大噸位浮吊，雖安全風險較小，但安裝精度難以保證，并且由于塔、梁同步架設，主梁頂推過塔后需采用兩臺浮吊進行吊裝，成本較高；而龍門架能很好地適應橋塔的線形要求，并可將提升系統設為四吊點吊裝且能獨立調整單個吊點的位置，塔節段空中對位姿態調整速度快、精度高，且經濟性較好，相對于其他方案具有較大的優勢。

根據擬定的吊裝方案和設備起重能力，將橋塔劃分為T1～T14 等14 個類型共27 個制作段，節段長度為7.1～13.9 m 不等，最大節段重量為206 t。各節段分界面均為塔柱軸線的法向平面,見圖3 所示。

3.2 節段制造

塔柱節段內部構造復雜，需根據各類鋼板的最大軋制寬度及結構尺寸有針對性地對各節段進行板單元劃分，并按盡可能減少焊接變形的原則將節段劃分為壁板單元、腹板單元、隔板單元、錨箱單元等，各單元件獨立加工后在胎架上組拼焊接成完整節段[5]。

在節段制造中，難度最大的是橋塔頂部T13、T14 節段彎扭區壁板單元的制作和斜拉索錨箱單元的組裝。頂部壁板單元彎扭程度較大，制作時，先采用800 t 壓力機對板件進行彎扭加工，并采用活絡樣板隨時檢查，待板件彎扭成型后將其置于預先設置好并經精確測量的仿形胎架上進行火焰矯正，使之與胎架密貼后組焊加勁肋，然后進行二次矯正至完全附胎，以確保單元件成型精確。為保證斜拉索錨箱的安裝精度，在組裝前，需對錨箱定位線的位置及角度進行檢查并修正；在組裝過程中，待索導管端頭與錨箱蓋板密貼且其中心與蓋板、錨墊板上的孔同心時，檢查索導管出塔端中心點坐標，其坐標值與設計坐標值誤差不得大于2 mm，否則須在保證蓋板側索導管中心與蓋板、錨墊板孔中心重合的基礎上對索導管進行調整，直至達到上述要求；組裝后，采用全站儀測量錨固點坐標，其坐標值在容許偏差范圍內方可認定合格。

3.3 節段匹配與試拼裝

塔柱節段組拼焊接完成后，需與相鄰節段進行匹配。在無約束狀態下，以相鄰節段基準端基線為依據在配切端進行長度配切。塔柱節段采取2 節段立位與5 節段水平位置的試拼裝，水平位置試拼裝在胎架上進行，各節段均處于無應力狀態。

3.4 節段吊裝對位

每個塔柱節段上均設置有4 個吊點，對應于龍門架上的4 臺提升千斤頂，千斤頂上、下共有3 道錨固裝置，防止極端情況下塔柱下落。吊索采用10-φ15.24 鋼絞線，每吊裝4 個節段更換一次，龍門架及支架鋼管立柱處均安裝有應力、位移、風速、風向監控系統，對吊裝過程全程跟蹤監測，確保施工安全。

塔柱節段吊裝對位流程如圖8 所示。起吊前為平位姿態（圖8a），此時兩個A 類吊點在重心之下，兩個B 類吊點在重心之上，首先將節段整體提升至合適高度，平移就位后提升A 類吊點，B 類吊點不動，翻轉節段至立位姿態（圖8b），此時所有吊點的吊具均旋轉至節段長邊方向，然后調整同側的一個A類吊點和一個B 類吊點，另一側A、B 類吊點均不動，將節段調整至對位姿態（圖8c）。將節段下落段至已拼節段上口的限位板處后采用千斤頂進行微調，調整至準確位置后焊接限位板將其固定。

圖8 節段吊裝對位流程示意圖

為了提高安裝精度，節段對位時間選擇在清晨或傍晚氣溫較低且相對穩定的時候。根據現場測量結果，塔柱節段X、Y、Z 軸3 個方向的累積誤差均不超過12 mm，滿足設計及規范要求。

4 結語

柳州白沙大橋主橋采用跨徑布置為（200+200）m的雙索面獨塔斜拉橋，橋塔為反對稱的空間彎扭曲線形鋼塔，設計與施工難度均較大。根據橋塔結構形式及受力特性，在承臺內設置鋼底座并將鋼塔與底座相連，與塔座鋼—混結合段共同承擔較大的塔底彎矩，提高了塔底錨固的安全性；通過加強塔、梁固結區主梁的剛性，在不設置斜交橫梁的情況下實現了塔柱與主梁兩側在不同位置處固結；通過建立有限元模型進行數值仿真計算，明確了橋塔的失穩模態、屈曲部位，以及穩定安全系數。根據橋塔的工程技術特點，選擇了龍門架吊裝的總體施工方案，采取有效措施確保塔柱節段，特別是彎扭區和斜拉索錨箱等重難點部位的制造精度，并按照預先制定的節段吊裝拼接流程進行施工，取得了良好的預期效果。