空間流線形提籃拱鋼主塔合龍位移分析

楊仁恒

（中鐵大橋局集團第六工程有限公司，武漢 430000）

1 引言

拱形鋼橋塔由于造型優美、綠色環保而被廣泛采用。 延崇高速公路是2022 年北京—張家口冬奧會中連接延慶賽區和張家口賽區的主要公路通道。 杏林堡大橋為延崇高速上的節點橋梁工程，位于張家口市懷來縣王家樓鄉杏林堡村東北，屬于懷來北互通立交工程范圍。 其鋼主塔采用空間流線形提籃拱形橋塔形式，拱形鋼橋塔的變形是施工中考慮的關鍵問題，其中，自重和溫度荷載作用下的變形尤為重要。

本文結合工程實際， 詳細建立了鋼橋塔上塔柱的有限元仿真模型， 研究分析了主塔各合龍口合龍前懸臂狀態下在結構自重和溫度作用下的位移情況[1]，為主塔合龍施工的方案設計提出了指導性意見。

2 工程概況

延崇高速杏林堡大橋上部結構采用鋼獨塔鋼主梁雙索面斜拉橋的塔梁固結形式。因地制宜設置的兩座橋塔，以“無限之環”的理念，造型動感，寓意冬奧之門。主塔為空間流線形鋼拱塔，且與主梁固結，固結范圍為單個拱腳順橋向又分成兩肢，即拱肋中下部范圍內有四肢，采用矩形截面，上塔柱高38 m，塔壁厚采用20 mm 厚鋼板，沿豎向間隔2.5～3 m 設置一道橫隔板，橫隔板采用16 mm 鋼板。 塔壁設置縱向加勁板肋，縱向加勁板肋在橫隔板處穿過所設的“V”形過焊孔不與隔板連接。

上塔柱沿豎向分為12 個節段，塔柱安裝時由下至上分段安裝，在節段B、D 各留一道合龍口，安裝過程中分別在橋塔節段E、C 內側設置第一道 （縱橋向為對撐A1， 橫橋向為對撐A2）、第二道對撐結構以便進行合龍口位移的調節[2]。主塔安裝布置如圖1 所示。

圖1 鋼主塔布置圖（單位：mm）

下塔柱采用矩形截面拱，高度11.5 m，從承臺頂面至塔節梁底分別由鋼筋混凝土橋塔基座、鋼混結合段（內填充C40 自密實混凝土）、F 節段（鋼箱節段）及塔梁連接段組成。

3 計算模型及計算工況

3.1 模型建立

采用有限元軟件建立鋼橋塔上塔柱整體計算模型。 考慮的荷載包括結構自重、溫度荷載及對撐荷載。 建立模型如圖2所示。

圖2 上塔柱整體計算模型

3.2 計算工況

根據施工工序和受力情況， 分5 種工況對上塔柱合龍口進行計算分析。

工況一：自重；

工況二：自重+系統升溫20 ℃；

工況三：自重+系統降溫20 ℃；

工況四：自重+50 kN（5 t）對撐力（第一道對撐A1）+50 kN（5 t）對撐力（第一道對撐A2）；

工況五：自重+50 kN（5 t）對撐力（第二道對撐）。

4 計算結果及位移分析

通過各工況下的荷載作用， 計算出了主塔各合龍口的水平位移結果，并對位移情況進行了對比分析，為采取合龍輔助措施提供依據。

4.1 合龍口各工況位移

塔柱節段D 和節段B 合龍口水平位移計算結果見表1。

表1 各合龍口相對水平位

對比分析各工況計算結果可知，在結構自重作用下，節段D 合龍口相對水平位移縱橋向為6.6 mm， 橫橋向為3.6 mm，節段B 合龍口相對水平位移為15.0 mm； 系統升溫20 ℃后，節段D 合龍口相對水平位移縱橋向增加0.6 mm，橫橋向增加0.8 mm，節段B 合龍口相對水平位移增加1.0 mm。 系統降溫20 ℃后，節段D 合龍口縱、橫橋向相對水平位移均減小0.7 mm，節段B 合龍口相對水平位移減小1.0 mm。

綜上分析可知， 空間流線形提籃拱形鋼主塔合龍口在結構自重作用下的相對位移較大， 系統溫度變化導致合龍口相對位移變化較小，合龍口位移則由結構自重工況控制，在施工過程中需要采取輔助措施進行合龍口姿態的調整[3]，以有利于主塔順利合龍。

4.2 各合龍口輔助措施分析

在設計溫度下， 為保證節段D 和節段B 拼接面處順利合龍，合龍口兩側相對位移應調整至0，進而需要施加對撐結構以調整合龍口相對位移。 根據工況四和工況五時的合龍口水平位移計算結果，反復調試對撐力可知，各道對撐結構的對撐力按照表2 所示數值進行加載時， 合龍口兩側相對位移可達到合龍精度要求。

表2 對撐結構對撐力設計參考值

4.3 輔助措施設計

根據節段上端中線定位的測量結果通過設置調整節段的方式，對鋼塔整體線形進行控制，調整節段根據實際安裝軸線偏移情況進行加工， 也可以將調整節段設計成焊接方式通過現場調節，進行整體軸線調整。

鋼塔節段豎向及水平調節裝置主要用于鋼塔調整節段，微調裝置由水平方向調節千斤頂、 豎向調節絲桿和豎向千斤頂組成。

1）在已安裝節段鋼塔上安裝微調系統。

2）吊鋼塔至拼裝位上方，用纜風繩拉鋼塔對位，緩慢下落，利用匹配件對鋼塔實行粗定位。

3）用微調裝置進行調整，使接口完全對正。

鋼塔在起吊安裝前，先安裝好鋼塔本體環縫焊接平臺（臨時焊接平臺由∠10 mm 角鋼組成，鋼塔節段的頂層鉆孔，將平臺支架用φ20 mm 螺栓栓接其上），鋼塔起吊后，在已經安裝完成的鋼塔焊接平臺上進行鋼塔之間的匹配連接。 鋼塔匹配定位好后，進行連接高強螺栓的安裝并進行初擰，緊接著將鋼主塔焊接成整體和高強螺栓的終擰， 高強螺栓采用力矩扳手擰緊，擰緊力矩必須符合設計要求（見圖3）。

圖3 杏林堡大橋橋塔施工

5 結語

鋼主塔對接合龍對施工精度要求較高，合龍口位移受綜合因素的影響需采取輔助措施提高合龍精度[4]。 計算結果表明：

1）空間流線形提籃拱形鋼橋塔各合龍口在結構自重作用下均發生較大程度水平變形，受自重影響較大，對主塔合龍對接產生重要影響，主塔合龍時需予以重視[5]；

2）主塔合龍口在溫度作用下產生較小位移，但對主塔合龍精度產生影響，合龍對接時需考慮在設計溫度下進行合龍對接；

3）主塔各合龍節段在合龍前采取設置對撐結構的輔助措施，可減少結構自重和溫度作用下的位移影響，進而提高合龍精度。

杏林堡大橋鋼塔合龍施工對位精度高、速度快、線形符合規范及設計要求， 對類似空間類型橋塔合龍施工具有良好的借鑒意義。