大跨度轉體鋼箱梁橋臨時索塔優(yōu)化設計

張子杰，張 成，張文學，方自安

(1.中鐵十四局集團第一工程有限公司，山東 青島 266000； 2.北京工業(yè)大學城市建設學部，北京 100124)

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設的進一步完善，跨線橋等立體交叉工程建設需求越來越多，橋梁轉體施工技術因對既有鐵路、公路等交通運營干擾較少，而得以廣泛應用推廣。對于跨度在150m以下、轉前T構單側懸臂長度在75m以下的轉體橋，一般采取連續(xù)梁結構體系設計施工，轉體時T構梁端的撓度也不是很大，結構自重可依靠結構自身承受。對于跨度>200m的轉體橋多采用斜拉橋結構體系，轉體時也無需臨時施工措施來承受結構自重，如保定樂凱大街南延轉體橋和跨廬山站立交工程。但對于跨度在150～200m的轉體橋，為了降低建設成本，成橋狀態(tài)采用連續(xù)梁結構體系較合理；但轉體時T構處于懸臂狀態(tài)，因懸臂長度過大，結構自身很難承受自重荷載，為確保安全一般需搭設臨時施工輔助措施來改善T構受力狀態(tài)。而設計文件中給出的建議施工臨時結構一般較保守，施工過程較復雜。因此，需施工單位根據(jù)實際工程情況進行優(yōu)化設計，在確保施工安全的前提下，盡量利用常用、可周轉材料，以降低施工臨時措施成本；盡量考慮施工現(xiàn)場情況和施工過程，從施工安全和便捷角度對施工臨時結構進行優(yōu)化，以提高施工速度；同時，盡量考慮施工隊伍自身施工水平和操作習慣，以提高施工方案的可控性。

為此，本文以青島市新機場高速連接線(雙埠—夏莊段)上跨青榮城際等既有鐵路節(jié)點轉體橋工程為背景，結合工程實際對設計文件中給出的施工臨時索塔結構進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的施工臨時索塔進行結構安全計算。優(yōu)化后的施工臨時索塔不僅結構安全性滿足規(guī)范要求，大幅度減少了施工費用，而且降低了臨時結構施工對既有線下鐵路的影響，提高了施工安全與速度。

1 工程概況

1.1 主體結構設計

青島市新機場高速公路連接線上跨青榮城際等既有鐵路轉體橋工程為跨徑2×120m變截面鋼箱梁T構橋，單幅橋寬24.58m，全幅總寬49.53m，其左幅橋立面如圖1所示(本文優(yōu)化設計均以左幅橋為例)。中墩墩頂4m區(qū)段鋼箱梁梁高7m，墩頂?shù)雀吡憾蝺蓚雀?0m區(qū)段梁高從7m按二次拋物線變化至4.5m，其余區(qū)段梁高為4.5m。跨中梁高與跨徑比值為1/26.667，中墩支點梁高與跨徑比值為1/17.143。鋼箱梁轉體角度為90°，鋼箱梁頂板距地面高度為21～27m。鋼箱梁采用Q345qDNH耐候鋼材料，由工廠最大化制造拉至現(xiàn)場，梁體根據(jù)設計分為17段在現(xiàn)場拼接，每個梁段分為5部分吊至20m高的支架上進行大塊拼裝，吊重最大為80t，最小為13t。

圖1 左幅橋立面(單位：cm)

1.2 原臨時索塔設計

設計文件給出的臨時斜拉索和索塔方案如圖2所示，具體設計如下。

圖2 臨時斜拉索布置

1)塔柱設計 采用8根φ1 000×16鋼管，并采用φ500×16鋼管作為穩(wěn)定性斜撐，采用熔透焊方式焊接，材質為Q355C。立柱縱向間距400cm，橫向間距560cm，高21m，如圖3所示。

圖3 原臨時索塔布置

2)拉索設計 采用PES(C)7-91型特制斜拉索，抗拉強度fd=1 670MPa，斜拉索由鋼錨箱、張拉桿、連接件、91絲φ7平行鋼絲、連接筒、張拉錨杯和錨固螺母等組成。每個T構沿縱向設置10道斜拉索，每側5道，分別為C5～C1，每道斜拉索沿橫向布置4根拉索，C5～C1的張拉力分別為2 000，2 400，2 900， 2 900，2 500kN。

3)錨管設計 上錨管采用φ269×24鋼管加工制造，材質為Q345C。錨管自索塔頂往下150cm設置第1道C1，然后每200cm設置1道，直至C5，錨管從上往下依次穿過索塔鋼管立柱，并分別錨固在對應側鋼管立柱上。為了平衡各拉索的縱向分力，在索塔頂端每道拉索錨管上方設置2道由2[40c和φ32精軋螺紋鋼組成的縱向拉力平衡措施。

2 臨時索塔優(yōu)化設計

2.1 原臨時索塔優(yōu)缺點分析

原設計文件給出的臨時斜拉索和索塔方案基本是基于正式斜拉索設計的，其結構承載力滿足規(guī)范要求，安全性毋庸置疑。但對于該項目的臨時索塔設計而言，原設計文件方案存在如下不足。

1)PES(C)7-91型拉索需廠家定制加工，加工、運輸費用較高，作為臨時應用，不夠合理；同時，需專業(yè)張拉設備和人員，進一步增加施工成本。

80例患者圍術期資料詳見表2。三組在創(chuàng)傷嚴重度評分（ISS）、傷口污染程度、Gustilo-Anderson分型、按骨科創(chuàng)傷協(xié)會（Orthopaedic Traumatological Association,OTA）分型、傷口創(chuàng)面覆蓋方式方面的差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。手術時間的長短依次為LCP組＞UTN組＞UEF組，三組間差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。同樣，術中失血量的多少依次為LCP組＞UTN組＞UEF組，三組間差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。但是，三組間住院時間差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

2)采用PES(C)7-91型拉索，塔頂需采用標準錨管設計，且需多次穿過索塔鋼管立柱，對鋼管立柱進行開孔焊接，這給臨時索塔設計、施工帶來諸多不便。一方面，需在立柱兩側設置平衡索力水平分力的結構；另一方面，開孔焊接對索塔主要受力構件鋼管立柱的可靠性有一定影響，并使得鋼管立柱處于局部受彎狀態(tài)，不利于受壓穩(wěn)定。

3)斜拉索分5個層高布置在索塔上，不僅降低了C2～C5拉索的錨固高度，致使C2～C5拉索的豎向分力降低，在豎向分力相同的情況下增加了拉索張拉力需求，而且拉索施工操作平臺分散，不僅施工效率低，而且作業(yè)環(huán)境風險大。

4)最重要的是原設計索塔的高空作業(yè)工作量較大，用鋼量也較大，且多為高空吊裝、懸掛、焊接施工，對鄰近鐵路的運營安全有較大影響。

2.2 臨時索塔優(yōu)化設計

基于以上所述原因，考慮到該橋斜拉索和索塔為臨時結構，且緊鄰鐵路施工，為了降低臨時索塔施工期間對鄰近鐵路的影響、降低施工成本、加快施工速度、確保施工安全，提出對原設計的臨時斜拉索和索塔進行優(yōu)化設計，如圖4a所示，具體優(yōu)化方案如下。

圖4 優(yōu)化后臨時斜拉索與臨時索塔布置

1)臨時塔柱優(yōu)化設計 臨時索塔立柱仍采用8根φ1 000×16鋼管，順橋向采用2∟140×10型鋼作為穩(wěn)定斜撐，橫橋向采用[20型鋼作為穩(wěn)定斜撐，均使用高強螺栓與立柱上連接板連接，盡量避免緊鄰鐵路焊接作業(yè)，立柱縱向間距400cm，橫向間距560cm，高18.5m，如圖4b所示。

2)臨時斜拉索優(yōu)化設計 使用施工現(xiàn)場便于采購、加工的鋼絞線拉索代替原設計方案中的PES(C)7-91型拉索，經(jīng)過折算采用15束7φ5鋼絞線拉索代替。鋼絞線根據(jù)計算長度在橋面下料、理順，采用4號鐵絲按150cm/道綁扎成束，下錨固端采用擠壓錨錨固；塔頂張拉端采用常規(guī)錨板、夾片+防滑壓板錨固，施工結束后采用單頂逐束放松卸索或采用特制退錨夾片和退錨板一次卸索。臨時斜拉索與箱梁連接的吊耳結構和錨固位置不變。

圖5 臨時索鞍

經(jīng)過優(yōu)化后臨時索塔的優(yōu)點如下。

1)斜拉索便于現(xiàn)場加工、運輸，成本低；預應力鋼絞線張拉施工工藝簡單、成熟，無需專業(yè)設備，施工方便，過程可控。

2)由于塔頂對拉臨時索鞍水平分力基本平衡，所以無須在塔頂鋼管外側設置[40c橫梁和對拉螺栓，大大減少了塔頂?shù)母呖盏跹b和高空焊接作業(yè)，降低對鄰近鐵路的影響，提高了臨時索塔搭設速度和安全性。

3)臨時斜拉索張拉均集中在塔頂操作平臺上，便于對平臺進行封閉管理，不僅施工安全方便、效率高，而且避免了設備的上下移動，降低對既有鐵路的影響。

3 臨時索塔施工過程驗算

3.1 有限元模型建立

臨時索塔采用MIDAS Civil建模，索塔整體采用梁單元建模計算，索鞍簡化建模，并通過彈性連接與下橫梁I45連接，下橫梁工字鋼采用彈性連接與柱頂節(jié)點連接，如圖6所示，支撐條件為柱底固定支撐。

圖6 臨時索塔模型

3.2 驗算工況及結果

3.2.1荷載及工況分析

荷載采用施工階段荷載，根據(jù)豎向分力相等原則對設計文件中索力進行換算得到加載索力，由C5～C1 的順序對稱張拉，考慮結構自重，共分5個對稱張拉工況進行驗算：①工況1 C5對稱張拉完成；②工況2 C4對稱張拉完成；③工況3 C3對稱張拉完成；④工況4 C2對稱張拉完成；⑤工況5 C1對稱張拉完成。

考慮實際施工中存在不對稱張拉情況，導致索塔存在偏載情況，在加載完成設計張拉力的基礎上，首先進行單側對稱偏載加載，所有拉索僅在順橋向大里程側增加設計張拉力5%的偏載荷載；然后進行雙向不對稱偏載加載，橫橋向前2根立柱上所有拉索僅在順橋向大里程側增加設計張拉力5%的偏載荷載，后2根立柱上所有拉索僅在順橋向小里程側增加設計張拉力5%的偏載荷載。偏載驗算共分為2個偏載工況：①工況6 同側對稱偏載5%；②工況7 異側不對稱偏載5%。

3.2.2結構受力驗算

限于篇幅，本文僅列出各工況的計算結果(見表 1)。通過有限元軟件計算，在工況1～7的加載條件下，臨時索塔最大應力為176.75MPa

表1 臨時索塔受力計算結果

4 結語

本文以青島市新機場高速公路連接線(雙埠—夏莊段)上跨青榮城際等既有鐵路節(jié)點轉體橋工程為背景，優(yōu)化設計了施工臨時索塔方案，并對優(yōu)化后的臨時索塔進行結構計算，得到以下結論。

1)本優(yōu)化設計不僅考慮了臨時結構的安全性，而且考慮了現(xiàn)場施工隊伍的實際情況，優(yōu)化后的臨時結構施工方便簡單，減少了專業(yè)施工設備和人員，提高了經(jīng)濟效益。

2)本文的優(yōu)化設計在原設計的基礎上進行改進，不僅保留了原索塔的各項功能，而且減少了現(xiàn)場施工對既有鐵路線的影響，提高了施工安全性。

3)本文中索塔安全性驗算考慮了組合工況，使驗算結果更可靠，同時也為類似工程提供了參考。