大跨度鋼桁拱橋吊索塔架施工技術

齊東建

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

在現有鋼橋的施工過程中，鋼桁拱橋以其結構新穎、跨越能力強、成橋建筑美觀、靜動力性能好以及施工方便等特點，成為大跨度橋梁中極具競爭力的結構形式之一。鋼梁架設作為鋼桁拱橋施工過程中最重要的一環，其施工質量決定著后續的使用安全，為此需投入極大的精力來確保鋼梁架設的成功。

傳統的鋼梁架設主要分為纜索吊裝法、斜拉扣掛法等施工工藝，其中斜拉扣掛法以其施工的便捷性、安全性以及準確性被國內眾多學者研究并應用。李德坤［1］以長壽長江大橋為背景，從設計、施工到拆除整體介紹了60 m高單層吊索塔架的施工工藝；盛智平［2］以南京大勝關大橋為背景，創新性地在兩跨鋼梁外側布設配有三層斜拉索的吊索塔架，高度為68.5 m，內側采用平索的施工工藝，克服了鋼梁架設過程中內力及線形難以調整的問題；易成杰等［3］以江漢七橋為背景，對89.6 m高的吊索塔架在拼裝過程中的各個工況進行了詳細的受力分析；封仁博等［4］以連鹽鐵路灌河特大橋背景，研究了39 m高的吊索塔架在連續鋼桁梁柔性拱中的應用。

綜上，目前隨著鋼橋建設跨度及施工技術的發展，在大跨度鋼桁拱橋領域，超高吊索塔架施工工藝研究偏少。基于此，本文以明珠灣大橋為背景，研究了百米級吊索塔架在大跨度鋼桁拱橋施工中的應用，詳細介紹了塔架結構組成、拼接工藝以及內力傳遞原理，并將3D掃描技術引入塔架線形監測，確保塔架線形滿足需求。同時對最不利荷載條件下吊索塔架整體強度、剛度進行了有限元分析。

1 工程概況

明珠灣大橋主橋為（96+164+436+164+96+60）m三主桁中承式六跨連續鋼桁拱橋（圖1），全長1 016 m。主桁采用三片桁架結構，邊跨及次邊跨為平桁結構，邊跨及主拱肋均為N形桁式。大橋設計速度為60 km/h，設計荷載為城市-A級。雙層橋面，橋寬43.2 m［5］，上層布置雙向八車道和兩側人行道，下層中間布置管線走廊，兩側為預留車道。

圖1 明珠灣大橋立面布置（單位：m）

大橋主跨鋼梁架設采用斜拉扣掛［6-9］拱梁同步施工方案。施工時為拱梁同步架設創造條件，保證大懸臂架梁結構的安全，在大橋27#、28#主墩鋼梁S22節點設置兩座吊索塔架，配合2臺150 t爬坡架梁吊機向跨中逐節間架設鋼梁［10］。吊索塔架利用63 t塔吊分段散拼。拼裝過程中，為保證塔架拼裝順利通過臺風期以及控制塔架垂直度，設置三道臨時風纜。隨主跨鋼梁架設，依次掛設三層扣索并張拉，然后繼續架設鋼梁至中跨合龍，中跨合龍過程中可通過扣索索力控制調整合龍口高差與轉角，為主橋中跨合龍提供技術手段。

2 吊索塔架結構

2.1 塔架結構

吊索塔架主要由塔架、斜拉索組成。塔架整體結構形式為空間組合式塔柱，扣索采用1 770 MPa高強平行鋼絲索。單個吊索塔架設計總重約18 000 kN。吊索塔架結構見圖2。

圖2 吊索塔架結構（單位：mm）

塔架結構包括中心立柱及橫向連接系。中心立柱自下至上由五部分組成：底節、9.15 m非標準節間、10 m標準節間、5.83 m非標準節間和錨固區節間。橫向連接系包括橫向連接桁架及橫向連接X撐，材料采用Q420qD（底節和錨固區節段）、Q345C（橫聯）以及Q235鋼材。底節是吊索塔架中心立柱到支承鉸座的過渡節間。底節與鋼梁S22節點通過鉸軸鉸接；鉸軸直徑為φ550，材質為Q345。吊索塔架的豎向荷載以集中力的方式通過底節鉸座傳給鋼梁S22節點。

中心立柱橫截面由2根焊接王字形斷面結構及連接綴條2］［28a槽鋼組成，為格構式壓彎構件，其主要功能是將斜拉索傳遞而來的豎向荷載傳遞至鋼梁，進而傳遞至下部基礎。各節間采用M30普通螺栓等強對接，螺栓等級為5.6級、B級。中心立柱斷面見圖3。

圖3 吊索塔架中心立柱斷面（單位：mm）

為滿足現場施工條件，控制安裝吊重，錨固區節間分左右兩部分施工，拼裝時采用M30普通螺栓等強對接，吊索上錨箱通過φ400 mm鉸軸和錨固區節間連接。

橫向連接桁架弦桿采用工字型焊接鋼結構，腹桿采用雙拼］［28槽鋼。橫向連接X撐采用工字型焊接鋼結構，斜桿采用［28a槽鋼。橫向連接系與中心立柱面板上焊接拼接板采用M27普通螺栓連接，組成完整的吊索塔架結構，以增加塔架的整體剛度。

2.2 斜拉索系統

扣索系統由吊索和錨箱組成。吊索均采用1 770 MPa高強鋼絲，外層包裹聚乙烯PE護套。每個塔架共設三層吊索，由下至上分別為第一、二、三層，第一層中跨吊索規格為PESH7-127，其余吊索規格為PESH7-139。第一層吊索的前索與后索分別錨固于鋼梁S29、A9節點，第二層吊索前索與后索錨固于S32、A5節點，第三層吊索前索與后索錨固于S36、A3節點處。為減輕單根索的重量，方便索體安裝及運輸，每層索的前、后索均采用4根成品索組成。扣索設計選型按照JTG/T 3365-01—2020《公路斜拉橋設計規范》［11］選取深圳市百年一遇風荷載12級風設計，安全系數大于等于2.14。扣索系統布置見圖4。

圖4 扣索系統布置

吊索塔架錨箱主要由上錨箱與下錨箱組成。上錨箱固定于吊索塔架頂端，下錨箱通過鉸軸與橋面預留耳板相連。

3 吊索塔架施工技術

3.1 首節安裝技術

吊索塔架底節安裝前，首先檢查S22節點耳板及底節鉸孔尺寸、光潔度、孔軸重合率和加工質量。為保證銷軸能順利通過，在預拼場將底節、鉸軸進行試拼。在拱肋上弦板安裝臨時墊凳，便于底節的臨時固定安裝。在臨時墊凳上疊放鋼板至底節底板標高位置，局部位置通過塞墊1～2 mm鋼板調平。底節由塔吊吊裝到位，調整底節平面位置、水平度和其與S22節點鉸孔的重合率，確保孔軸線誤差不大于0.25 mm，將鉸軸穿入鉸孔。然后焊接底節與支撐鉸座臨時連接板，并安裝連接螺栓進行臨時錨固連接，將鉸接轉變為臨時固結，便于安裝底節及第一層風纜之間塔架結構。最后拆除墊登抄墊鋼板，放松吊鉤完成體系轉換。吊索塔架底節臨時錨固見圖5。

圖5 吊索塔架臨時錨固

3.2 塔架拼裝技術

塔架采用塔吊逐節段吊裝，塔吊隨吊索塔架的拼裝同步提升，與塔吊之間通過附墻連接，共設置4道附墻，保證塔吊自由懸臂高度滿足JTJ 196—2010《建筑施工塔式起重機安裝、使用、拆卸安全技術規程》［12］要求。每層立柱安裝完成后，立即安裝橫向連接。立柱根據塔吊提升重量的限制進行必要的預拼。橫向連接系在預拼場組拼后橋上整體吊裝。錨固區節段拼裝全部在工廠進行試拼裝，防止由于螺栓孔誤差引起的桿件對位困難。為保證吊索塔架的拼裝垂直度，拼裝過程中采用3D掃描測控技術對吊索塔架進行實時快速監控測量，將拼裝線垂直度控制在1/1 000以內。

3.3 風纜安裝技術

風纜主要布置有三層，從下至上分別位于塔架31.35、61.35、81.35 m處。風纜總體布置見圖6。

圖6 風纜總體布置

風纜架設原則：同層邊跨及中跨側風纜對稱掛設、對稱張拉，風纜張拉以吊索塔架垂直度為主控因素，以風纜索力為輔助因素，均衡張拉至設計初張力。風纜采用特制防松夾片錨與分配梁連接張拉，并設防松裝置。第一道風纜張拉完成后，解除底節錨固連接，使底節變為鉸接，完成體系轉換。

3.4 斜拉索施工

扣索施工包括扣索的安裝及張拉兩道工序。為施工方便，扣索張拉端設置在橋面及拱肋端。扣索轉運至橋面后，利用放索架進行正式展索、起吊工作。扣索錨固端安裝之前，在索上距離錨具后方3～4 m位置安裝專用索夾作為起吊點。在錨具上安裝索夾，索夾上設置牽引吊點，用于扣索牽引。當扣索端部牽引到達錨箱口時，利用手拉葫蘆、橋上汽車吊、卷揚機配合塔吊，協調使扣索端部進入錨箱，并將扣索錨端拉出錨固面，旋上螺母安全錨固。

扣索安裝完畢后，按要求對扣索進行“平衡、對稱、同步、分級、緩慢”張拉，分級張拉程序為：0.2σ→0.5σ→0.8σ→1.0σ，σ為索力。為保證每根拉索的索力誤差控制在允許范圍內，采用傳感器檢測，對索力校核。扣錨索索力控制原則上采取以索力控制為主，伸長量控制為輔，同時兼顧主體結構內力和位移的變化，確保主體結構的安全性。張拉到設計索力，擰緊錨固螺母，完成扣索張拉。

4 吊索塔架構件計算分析

4.1 主要構件受力分析

吊索塔架的設計計算力學模型為壓彎構件［13］，吊索傳力通過塔架中心立柱頂部拉板分配至中心立柱。中心立柱通過立柱底節下鉸座支承在鋼梁上，將力傳給鋼梁，直至橋墩。為確保在鋼梁架設過程中吊索塔架結構各部位強度滿足施工需求，對吊索塔架各部位進行強度及剛度復核，通過建立有限元模型［14-15］，對結構在最不利荷載工況下進行計算。其中，塔架底部采用鉸接，計算荷載考慮：①吊索塔架結構自重；②吊索豎向分力；③風荷載按照深圳按百年一遇控制設計，設計風速V10=37.6 m/s。計算結果見表1。吊索塔架各部位最大應力均小于規范中規定的應力，滿足施工安全需求。

表1 吊索塔架各部位應力計算結果 MPa

4.2 底節及錨固區節間

吊索塔架底節及錨固節間為空間異形結構，且受力集中，為分析二者強度能否滿足規范的要求及保證施工安全，采用實體有限元建模軟件建立結構的實體模型，通過整體模型計算，當張拉完成第三層索力時，底節及錨固節間受力最大，處于最不利荷載工況。針對最不利工況進行有限元受力分析，得出結構Von Mises應力云圖見圖7。

圖7 結構Von Mises應力云圖

底節局部應力最大值為203MPa＜［σ］=259.5 MPa，上錨箱局部應力最大值94.7 MPa＜［σ］，表明在扣索張拉過程中結構強度滿足要求。

5 結論

1）通過采用3D掃描測控技術對吊索塔架拼裝線形進行實時監控，保證了吊索塔架拼裝精度。

2）在吊索塔架拼裝過程中，設置三層風纜，風纜及扣索選型考慮百年一遇臺風影響，保證臺風期吊索塔架施工安全性。

3）通過有限元整體桿系模型及細部實體模型計算分析，驗證了結構設計合理、施工安全可靠。