纜索吊裝系統無橫向纜風塔架柱腳加固技術措施

張世輝ZHANG Shi-hui

（中鐵二局集團有限公司，成都 610031）

0 引言

近年來，隨著我國高速公路網的不斷完善以及高速鐵路“八縱八橫”計劃的實施，各類型橋梁在公鐵線路上大放異彩，而拱橋是山區橋梁的常用橋型之一[1]。拱橋是跨越河流、深山峽谷等各類障礙物的一類通道，但因河流、深山峽谷的阻礙，使得拱橋拱肋的施工成為了難點，纜索吊裝斜拉扣掛懸臂拼裝法[2]作為一種無支架施工的方法，在地理條件惡劣的地區成為了當前施工拱橋拱肋的首選方案。纜索吊裝斜拉扣掛懸臂拼裝法由纜索系統與斜拉扣掛系統兩部分組成[3][4]，主要結構是各類纜索與鋼結構塔架，施工時利用纜索吊裝系統將拱肋分節段吊裝就位，并用臨時扣索將拱肋固定在塔架的錨梁上，再進行下節段拱肋的拼裝直至合龍。鋼結構塔架是拱肋拼裝過程中主要的承重結構，其承載能力及穩定性必須滿足施工要求，因而搭建塔架時須對其設置順、橫橋向的纜風，保證塔架在整個施工過程中具有足夠的剛度，以便順利完成拱肋的拼裝[5-10]。實際施工過程中塔架順橋向纜風的設置較為容易，而橫橋向纜風易受到塔架所處地理位置條件的限制導致無法找到合適的橫向錨固點進行錨固，即無法設置橫向風纜，因而在橫風及其他橫向荷載作用下，塔架柱腳可能會出現拉力，使得塔架存在較大的安全隱患。因而有必要對無橫向纜風的塔架進行施工階段分析，并主要針對其柱腳錨固措施進行驗算、加固，保證塔架的安全性。

1 工程概況

某計算跨徑為280m 中承式鋼筋混凝土拱橋是位于重慶市境內的一座鐵路橋，其拱肋線形按照1.5 次拋物線形變化，線形方程為h=0.0017918126×（141-x）1.5+3.9。拱肋結構設計為桁架式C60 鋼管混凝土勁性骨架再外包C55混凝土的平行拱，單片拱的上下鋼管混凝土弦桿共計4肢，并在拱肋間設置9 道橫梁將左右兩片拱肋連接為一體。

該拱橋位于山區且下跨一河流庫區，遂采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工其拱肋勁性骨架，并實施“吊扣一體”[7]的方案分別在河流南北兩岸搭設一座鋼結構塔架，用于纜索吊機主索道及拱肋扣索的安裝與后期承重。北岸塔架高度為98m，南岸高度為104m，塔架頂部橫橋向長34.5m，順橋向寬6m，整體采用門式結構，由8 根φ813×14mm 螺旋鋼管柱及N 型萬能桿件組合而成，均為Q235 材質。螺旋鋼管柱間利用萬能桿件組成的橫梁進行聯系，并采用雙拼窄翼緣HN600×200mm 型鋼作為鋼管柱頂部縱梁及橫梁，塔架塔冠處于縱、橫梁之上，均采用N 型萬能桿件拼裝而成，塔架設計如圖1 所示。

圖1 塔架構造（mm）

兩岸塔架根據地形條件設置7 道不同角度的順橋向纜風，但因南北兩岸塔架所處位置均在河岸向河內凸出的一塊區域內，橫橋向纜風無合適的地錨位置，所以該橋塔架未設置橫橋向纜風，塔架僅靠鋼管柱腳與基礎的錨固措施來抵抗橫橋向的不平衡荷載。因此本文在此基礎上進行塔架鋼管柱腳錨固措施進行驗算并加固，保證該橋塔架柱腳錨固措施能夠滿足各施工階段要求。

2 塔架柱腳驗算及加固

2.1 塔架有限元計算

根據纜索吊系統的原設計文件，采用有限元軟件Midas Civil 建立纜索吊系統有限元模型（圖2），纜索及扣錨索有采用僅受拉桁架單元，其余桿件均采用梁單元建立，塔架材料為Q253 鋼材，單座塔架模型共計9498 個單元，5801 個節點。塔架分析計入結構自重、風荷載及主索道施加的荷載，忽略溫度變化的影響。驗算時主要考慮2種拱肋吊裝狀態（最大懸臂狀態、拱肋4 節段吊裝后）和16 種荷載工況，荷載工況如表1 所示。表1 中的“順橋向”是指風由小里程吹向大里程；“逆橋向”是指風由大里程吹向小里程。主要考察塔架在結構自重、吊裝荷載以及順、逆、橫風荷載作用下的受力行為。

圖2 纜索吊裝系統有限元模型

表1 工況信息表

采用有限元方法對此無橫向纜風塔架進行施工階段分析計算后，提取模型在各工況下鋼管柱柱腳的內力，發現整個施工階段中南岸塔架柱腳出現有較大負反力，其4#鋼管柱（圖3）在“2 組小車空載位于南岸近塔架處+9 級橫風”（即工況6）的工況下，柱腳出現了高達710.3kN 的拉力以及717.4kN·m 的彎矩。塔架作為壓彎結構，其柱腳不應出現拉力，但因為塔架未設置橫向纜風，從而導致塔架處于這一安全隱患中，所以有必要對鋼管柱腳與基礎的錨固措施進行復核驗算，并采取措施加固柱腳，消除這一安全隱患。

圖3 塔架柱腳編號順序

2.2 塔架柱腳錨固措施抗拉驗算

塔架鋼管柱基礎為樁基礎，且單座塔架同側的4 根鋼管柱均處于同一承臺上。施工樁頂承臺時，預先埋設12 根直徑30mm 的Q235 螺栓錨桿作為預埋件，并按照300mm與400mm 的間距布置在柱腳一周，后期將其與鋼管柱柱腳的法拉盤相連接，用于固定塔架鋼管柱。通過2.1 節已知南岸塔架4#鋼管柱柱腳最大要承受710.270kN 的拉力以及717.452kN·m 的彎矩，若將此荷載分攤到各預埋件上時，現有的預埋件的抗拉承載力是否能滿足施工及規范要求，需要進一步驗算。

根據現行相應規范標準《高聳結構設計標準》（GB 50135-2019）[11]中第5.9.2 條可知，當圓形法蘭盤只受拉力N 和彎矩M 時，對于該塔架柱腳法蘭盤來說，普通螺栓與承壓型高強螺栓的拉力可分為兩種情況進行驗算：第一種，螺栓均受拉，按繞著螺栓群形心軸轉動計算；第二種，當按照第一種計算方式進行計算后，有螺栓拉力出現負值時表明螺栓并不是均受拉，應按繞鋼管柱外沿切線轉動計算，如圖4 所示。

圖4 塔架單個柱腳法蘭盤錨桿錨固示意

①假設鋼管柱腳法蘭盤上螺栓在軸向拉力N 與彎矩M 作用下全都受拉時，按繞著螺栓群形心軸（旋轉軸1）轉動，則螺栓拉力為：

式中：M、N 分別表示法蘭盤所受到的彎矩與軸向拉力；yi表示第i 個螺栓到旋轉軸的距離；yn表示距離旋轉軸最遠的螺栓到旋轉軸的距離，yn=500mm；n0表示螺栓個數，n0=12；表示螺栓抗拉強度設計值，為98960N。

由此可計算得螺栓最大拉力為：

由計算可知，距離旋轉軸1 為-500mm 的螺栓出現了負向拉力，則表示該橋南岸塔架4#鋼管柱柱腳法蘭盤螺栓群在此荷載下并非都處于受拉狀態，因此根據《高聳結構設計標準》，該法蘭盤應按照第二種情況對螺栓進行抗拉驗算。

②螺栓群不都受拉時，在荷載N 與M 的作用下繞鋼管柱外沿切線（旋轉軸2）轉動，螺栓拉力為：

式中：e 表示兩旋轉軸間的距離，e=406.5mm；

y’n 表示距離旋轉軸最遠的螺栓到旋轉軸的距離，y’n=906.5mm。

即距離旋轉軸最遠的單根螺栓錨桿需承受220159N的拉力，而直徑為30mm 的Q235 錨桿拉力設計值為98960N，說明目前塔架柱腳錨固方案不能滿足施工及規范要求，具有較大安全隱患，必須對柱腳進行加固，消除安全隱患。

2.3 塔架柱腳加固驗算

塔架鋼管柱腳按照預先錨固方案，采用預埋的12 根直徑為30mm 的錨桿固定柱腳，但經過對塔架施工階段分析后發現南岸塔架4#柱腳出現較大拉力，導致預先柱腳錨固方案不能滿足要求。因此需要對兩岸塔架鋼管柱腳進行加固，提升鋼管柱腳與基礎的錨固力。通過2.2 節驗算可知，螺栓錨桿不是都受拉，且螺栓群繞旋轉軸2 轉動，因此加固方案選擇在受拉螺栓錨桿側增加5 根直徑為32mm、長度為2000mm 的PSB800 精軋螺紋鋼（圖5），通過后期鉆孔、注漿C40 混凝土后錨固塔架柱腳。

圖5 新增PSB800 精扎螺紋鋼加固設計圖

按照規范對加固后的柱腳進行驗算，新增的5 根精軋螺紋鋼其抗拉強度設計值為687MPa，遠大于預埋的Q235 螺栓錨桿抗拉強度設計值，所以對加固后的鋼管柱腳螺栓群抗拉驗算時，可偏安全的只考慮新增精扎螺紋鋼的作用，按式（3）可計算得到精扎螺紋鋼的最最大拉力為：

因此新增5 根直徑為32mm 的PSB800 精扎螺紋鋼后，其抗拉性能得到有效提高，且僅考慮精扎螺紋鋼的作用就能夠滿足施工及規范要求。同時預先埋設的12 根螺栓錨桿在此基礎上還能提供更多抗力，從而可有效保證塔架鋼管柱腳錨固桿件在施工過程中不被拉斷失效。塔架柱腳加固后的實物圖如圖6 所示。

圖6 PSB800 精扎螺紋鋼加固

2.4 塔架柱腳錨固桿件錨固長度驗算

塔架鋼管柱腳錨固措施新增PSB800 精軋螺紋鋼后，按照相應規范驗算了其抗拉性能，計算結果表明增設的螺紋鋼能夠有效抵抗施工階段產生的拉力，且有一定的安全系數。但預埋螺栓錨桿及精軋螺紋鋼在混凝土基礎中的錨固長度是否足夠，能否保證各錨固桿件不被拉脫拔出而失效，也是必須進行驗算的內容。根據現行《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[12]中第8.3.1 條可知，普通鋼筋錨固長度是在得知鋼筋基本錨固長度的基礎上計算而來的。受拉普通鋼筋基本錨固長度：

式中：α 表示錨固鋼筋外形系數；fy表示錨固鋼筋抗拉強度設計值；ft表示混凝土軸心抗拉強度設計值；d 表示錨固鋼筋直徑。

在此基礎上，可得到受拉鋼筋錨固長度：

式中：ζα表示錨固鋼筋外形系數。

塔架鋼管柱柱腳預埋件Q235 螺栓錨桿是直接錨固于C30 承臺內的，而PSB800 精軋螺紋鋼是后期加固時通過鉆孔、灌注C40 混凝土后再錨固于承臺內。因此結合各類錨固桿件的錨固方式以及公式（6）、（7）中各參數意義，分別統計兩類普通錨固鋼筋的錨固長度驗算參數如表2。

表2 普通鋼筋錨固長度驗算參數

將表2 中各驗算參數依次代入式（6）、（7）中，Q235 螺栓錨桿錨固長度：

PSB800 螺紋鋼錨固長度：

根據設計文件及后期加固方案可知，12 根直徑為30mm 的Q235 螺栓錨桿設計錨固長度為800mm，5 根直徑32mm 的PSB800 精扎螺紋鋼設計錨固長度為2000mm。同時經過式（8）與式（9）的計算可知，兩類錨固桿件實際錨固長度均大于《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中要求的錨固長度，滿足規范及施工要求。

3 結論

本文根據工程實際，分析了無橫向纜風塔架在各類工況下的受力狀態，并對無橫向纜風塔架鋼管柱腳錨固措施進行了復核驗算，采取措施進行加固補強，通過有限元分析及加固驗算得到以下結論：

①無橫向纜風塔架在拱肋吊裝階段，由于橫橋向風荷載的作用可能會導致塔架柱腳出現較大的拉拔力，應重點關注，并采取有效措施進行加固。

②采用Q235 材質的螺栓錨桿作為塔架柱腳法蘭盤錨固措施時，錨桿用量較大，且其作用不明顯；而采用PSB800 精扎螺紋鋼以及抗拉強度設計值更高的鋼筋對塔架柱腳進行錨固的價值意義更高。