新型裝配式重型鋼管塔架及其荷載試驗研究

摘要：為研究裝配式重型鋼管塔架作為纜索吊運斜拉扣掛施工中新型塔架結構形式的適應性和安全性，文章開展1∶1的裝配式鋼管塔架結構模型試驗，通過滿布32根鋼絞線并將單根鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t逐步施加荷載，分析該結構的受力和變形特點。實測結果表明，在整個加載過程中荷載-位移呈現線性關系，最大應力控制在120 MPa以內，結構安全性良好，可推廣應用于扣掛400 t以上的拱肋節段施工。

關鍵詞：拱橋；裝配式重型鋼管塔架；斜拉扣掛；荷載試驗

中圖分類號：U441.+2 A 34 120 4

0 引言

拱橋具有造型美觀、剛度大、施工便捷、經濟性好等優點，在工程中的應用越來越多，其建設跨徑也一次次刷新紀錄。目前，世界最大跨徑拱橋為主跨575 m鋼管混凝土拱橋——平南三橋。大跨徑拱橋施工多采用纜索吊運斜拉扣掛施工技術，塔架作為其主要受力結構，其安全性關乎整個工程的成敗。

目前，隨著工程建設的快速發展，塔架結構形式也呈現出多樣化，主要包含萬能桿件塔架、鋼管混凝土立柱塔架和型鋼結構塔架。萬能桿件塔架結構［1］通過細小的固定尺寸和型號規格的桿件逐根拼裝而成，具有施工成本低、安拆方便等優點。但由于桿件尺寸小、數量繁多，導致安裝拆除工作量較大，施工工期較長，且僅適用于中小跨徑拱橋施工。王俊輝［2］以主跨120 m鋼筋混凝土箱形拱為工程依托，通過貝雷片組裝拼接形成“人”字形桅桿式塔架結構，該塔架結構施工快捷、成本較低，可裝配化和重復周轉使用。但由于貝雷片規格限制，因而僅適用于中小跨徑拱橋施工。隨著拱橋跨徑和吊裝重量不斷增大，韓玉等［3］以主跨530 m鋼管混凝土拱橋——合江長江一橋為工程依托，針對結構跨徑大、吊裝重量大的特點，研發了鋼管混凝土立柱塔架結構。該塔架結構剛度大，可滿足大跨徑拱橋扣掛施工要求，但是由于拆卸工作量大，且無法周轉使用，導致施工成本高。劉宇峰等［4］以主跨531.2 m鋼桁架拱橋——秭歸長江公路大橋為工程依托，研發了格構式鋼管結構，進一步提高了塔架的裝配化程度。韓玉等［5］研發了裝配式重型鋼管塔架結構，該塔架結構為格構式設計，由標準件、索鞍平臺、塔頂橫梁等組成，以搭積木的形式實現塔架的高效拼裝，較傳統塔架結構具有桿件數量少、安拆快捷、可重復周轉使用等優點，因而應用在主跨為336 m的鋼管混凝土拱橋——馬灘紅水河橋中，取得了良好的應用效果。馬灘紅水河橋拱肋最大吊裝重量僅為120 t，塔架高度較小，塔架承受的斜拉扣掛重量較輕，其結構安全性較好。然而，隨著拱橋建設跨徑的增大、吊裝節段長度和吊裝重量不斷刷新紀錄，主跨575 m鋼管混凝土拱橋——平南三橋最大拱肋吊裝重量達215 t，在建主跨600 m鋼管混凝土勁性骨架拱橋——天峨龍灘橋拱肋最大吊裝重量達169 t，均超出了馬灘紅水河橋的吊裝重量，未來鋼管混凝土拱橋跨徑可能達700 m［6］，吊裝重量也可能再次刷新紀錄，塔架也將承受著更大的扣掛荷載。因此，該塔架結構適應性有待進一步研究和分析。

基于此，為研究新型裝配式鋼管塔架的安全性，制作1∶1的裝配式鋼管塔架結構模型進行試驗。塔架結構試驗模型尺寸為長×寬×高=4.9 m×4 m×10.72 m。通過在塔架結構的扣索平臺上滿布扣索鋼絞線，并對每根鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t逐級施加荷載，研究分析加載過程中塔架受力和變形情況，厘清該塔架結構的承載能力。

1 新型裝配式重型鋼管塔架

新型裝配式重型鋼管塔架采用塔腳固結的結構形式，包含塔頂、塔身標準節、塔間橫聯和扣索平臺四個部分，詳見圖1。施工采用空鋼管裝配式構件組建，包含“3種立柱+5種腹桿+9類節點板+5種橫梁”標準構件。該塔架結構均通過螺栓連接，標準單元段與扣索平臺索鞍單元段以搭積木的形式進行組合安裝。就主跨575 m鋼管混凝土拱橋——平南三橋而言，200 m高塔架在100 d內搭設完成，較傳統萬能桿件塔架結構可節省鋼材21.4%，桿件數量減少80％以上，縮減20%以上施工工期，周轉率達100%，操作簡單高效、經濟性好。

塔架扣索平臺作為塔架結構組成部分，扣掛于拱肋上的各扣索通過扣索平臺上的索鞍轉向地面，并通過扣地錨錨住扣索張拉平臺，再通過千斤頂對鋼絞線進行張拉或放松，以此調整拱肋的位置標高?？鬯髌脚_采用型鋼框架式結構設計，橫橋向設置工字型鋼梁，上翼緣板預留扣索鞍、拉桿安裝螺栓孔，下翼緣預留支撐桿連接螺栓孔。橫梁與立柱間采用栓接連接。結構設計時，考慮平臺的安裝與運輸，將一份平臺劃分為兩個對稱的構件，安裝時通過節點板進行連接。兩端橫梁中部，上下翼緣處均設置八字形斜腹桿，與立柱相連，以提高橫梁的豎向剛度。斜腹桿與平臺、立柱間均通過T型節點板連接。塔架扣索平臺結構布置圖詳見圖2。

各扣索繞過扣索鞍平臺轉向地面，并通過地面的扣地錨壓住扣索鋼絞線，塔架扣索平臺為塔架的直接受力部位，其安全性關乎整個工程的成敗。為評估塔架斜拉扣掛施工過程中的安全性，目前主要有有限元法和模型試驗法。有限元分析法通常對實際工程結構的邊界條件和結構荷載情況進行假定，模擬結構的受力情況，具有計算效率高、成本低等優點。然而，由于扣索繞過塔架扣索平臺索鞍輪，存在一定的磨損，且扣索繞過索鞍過程中對扣索平臺產生的荷載效應比較難以準確模擬，因此，采用有限元計算方法難以準確評估結構的受力性能。模型試驗法則通常根據結構的實際尺寸按照一定比例進行縮尺試驗，該方法直觀、可信，可為工程提供科學參考。

2 模型試驗概況

2.1 試驗設計

為保證試驗結果的真實性和可靠性，按照1∶1比例取一節段進行塔架荷載試驗。塔架結構尺寸為長×寬×高=4.9 m×4 m×10.72 m，鋼材均采用Q345，立柱為610 mm×14 mm，標準斜腹桿（GS01）和扣索錨固斜撐桿（GS05）為219 mm×5 mm，標準水平桿（GS02）和斜撐均為168 mm×5 mm。索鞍采用8門扣索鞍，扣索采用鋼絞線，布置4×8=32根鋼絞線。試驗時，鋼絞線滿布于扣索鞍上，由于試驗場地限制，張拉端和錨固端鋼絞線均沿著同一側偏移。通過張拉端千斤頂張拉鋼絞線對扣索平臺施加荷載，加載時，同排鋼絞線同步等大小施加荷載，即并排的32根鋼絞線同時、等大小地張拉。結構布置見下頁圖3。

2.2 監控儀器布置

根據有限元初步計算結果和力學知識，對關鍵部位的應力和位移進行分析，各測點布置如下。

2.2.1 位移計布置

在扣索力作用下，塔架順著鋼絞線方向產生位移，其中扣索平臺梁中部位移變化最大。為保證測量的準確性，在扣索平臺梁中部位置附近布置6個位移計，其中3個測量豎向位移，3個測量水平位移。

2.2.2 應變片布置

為確保扣索張拉過程中結構的安全性，分別在塔架扣索平臺立柱、斜撐桿、扣索平臺頂面和底面布置應變片。

2.3 荷載加載過程

2.3.1 預加載

由于實際施工過程中充分考慮安全系數前提下鋼絞線最大能承受10 t，故各扣索鋼絞線張拉端采用20 t油壓千斤頂進行分級加載。加載時，千斤頂合力中心和承壓板中心在同一直線上，15.2 mm鋼絞線允許最大荷載為10 t，預加荷載為5 t，檢查加載過程中各設備儀表、應變片、位移計的工作情況，消除施工過程中的非彈性變形。

2.3.2 加載

施工過程中，每根鋼絞線分4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t五種不同的荷載方式進行加載，每級加載需持荷180～300 s，待穩定后，記錄應變片、位移計的讀數。

3 結果分析

3.1 位移

按照設計圖紙的布置，搭設塔架模型進行試驗。塔架扣索平臺索鞍上每根扣索鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t五級荷載進行加載，每一級荷載都實測位移情況，記錄各工況下的荷載和位移情況。荷載-位移測量結果見圖4～5。

由圖4～5可知，在整個加載過程中，荷載與位移大致呈現線性關系，表征在加載過程中，各扣索鋼絞線沿著8門索鞍輪滿布時（鋼絞線數量為4×8=32根），各鋼絞線受力達13 t（超出施工時最大荷載的30%）時，即扣掛重量為4×8×13 t=416 t，結構仍處于線彈性階段，安全性較好。其中，水平位移控制在19 mm以內，豎向位移控制在12 mm以內，小于規范要求的水平位移限值5 455 mm/250=21.8 mm和豎向位移限制值4 900 mm/400=12.3 mm，塔架扣索平臺剛度大、安全性好。

3.2 應力

3.2.1 扣索平臺應力

每根扣索鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t五級荷載進行加載，每一級荷載都實測應變情況，根據應變得到應力值。相關測量結果見圖6。

由圖6可知，當新型裝配式塔架的扣索平臺采用8門索鞍滿布32根鋼絞線，每根鋼絞線最大荷載為13 t時，在整個加載過程中，無論是扣索平臺頂面還是扣索平臺底面，應力均隨著荷載的增加大致呈現線性關系，其應力均較小，最大應力為120 MPa，較Q345鋼材具有較大安全富余。由此表明，扣索平臺整個加載過程中始終處于彈性階段，結構具有良好強勁性。

3.2.2 斜撐應力

同理，由圖7可知，當扣索平臺滿布32根鋼絞線，單根鋼絞線最大荷載為13 t時，在整個加載過程中，無論是張拉端還是錨固端斜撐桿應力-荷載呈線性關系，其應力均較小，最大應力為100 MPa，較Q345鋼材有較大安全富余。由此表明，扣索平臺具有良好強勁性。此外，在加載過程中，位于扣索平臺以上的斜撐桿承受受拉荷載，扣索平臺下部承受受壓荷載，但受壓應力很小，整個加載過程中壓應力變化幅度較小。斜腹桿對稱位置處應力也存在一定差異，這是由于受到試驗場地限制，鋼絞線存在一定彎轉角而導致的。

3.2.3 立柱應力

由圖8可知，在整個加載過程中，立柱最大應力為100 MPa以內，表明扣索平臺具有良好強勁性。此外，各對稱點處鋼管立柱應力存在一定的差異性，也進一步表明了結構應力受鋼絞線偏轉角的影響。

4 結語

本文以新型裝配式重型鋼管塔架結構為背景，采用1∶1比例開展塔架扣索平臺荷載試驗研究，單根鋼絞線按照最大13 t加載，實測最大應力控制在120 MPa，最大位移為19 mm，鋼絞線荷載與位移始終呈現線性關系，結構加載過程中始終處于彈性加載階段，整體安全性較好。該類型塔架結構可進一步推廣應用于更大扣掛重量的拱橋結構施工。

參考文獻

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［2］王俊輝.懸索吊貝雷片塔架設計與實施［J］.鐵道建筑技術，2022（5）：119-123.

［3］韓 玉，秦大燕，馮 智.提升式搖臂安裝鋼管混凝土塔架施工新技術［J］.公路，2013（5）：10-15.

［4］劉宇峰，馬利剛.利用主墩的高塔架大跨度纜索吊施工技術［J］.公路交通科技（應用技術版），2019，15（12）：265-270.

［5］韓 玉，楊占峰，秦大燕，等.馬灘紅水河特大橋施工關鍵技術及創新［J］.公路，2019，64（2）：125-129.

［6］鄭皆連，王建軍，牟廷敏，等.700 m級鋼管混凝土拱橋設計與建造可行性研究［J］.中國工程科學，2014，16（8）：33-37.

收稿日期：2022-12-26