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(yōu)美、綠色環(huán)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(qū)和張家口賽區(qū)的主要公路通道。 杏林堡大橋為延崇高速上的節(jié)點橋梁工程，位于張家口市懷來縣王家樓鄉(xiāng)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(guān)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(jié)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(tài)下在結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)采用鋼獨塔鋼主梁雙索面斜拉橋的塔梁固結(jié)形式。因地制宜設(shè)置的兩座橋塔，以“無限之環(huán)”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(jié)，固結(jié)范圍為單個拱腳順橋向又分成兩肢，即拱肋中下部范圍內(nèi)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(shè)置一道橫隔板，橫隔板采用16 mm 鋼板。 塔壁設(shè)置縱向加勁板肋，縱向加勁板肋在橫隔板處穿過所設(shè)的“V”形過焊孔不與隔板連接。

上塔柱沿豎向分為12 個節(jié)段，塔柱安裝時由下至上分段安裝，在節(jié)段B、D 各留一道合龍口，安裝過程中分別在橋塔節(jié)段E、C 內(nèi)側(cè)設(shè)置第一道 （縱橋向為對撐A1， 橫橋向為對撐A2）、第二道對撐結(jié)構(gòu)以便進行合龍口位移的調(diào)節(jié)[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(jié)梁底分別由鋼筋混凝土橋塔基座、鋼混結(jié)合段（內(nèi)填充C40 自密實混凝土）、F 節(jié)段（鋼箱節(jié)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(jié)構(gòu)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(jù)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(tǒng)升溫20 ℃；

工況三：自重+系統(tǒng)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(jié)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(jié)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(jù)。

4.1 合龍口各工況位移

塔柱節(jié)段D 和節(jié)段B 合龍口水平位移計算結(jié)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(jié)果可知，在結(jié)構(gòu)自重作用下，節(jié)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(jié)段B 合龍口相對水平位移為15.0 mm； 系統(tǒng)升溫20 ℃后，節(jié)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(jié)段B 合龍口相對水平位移增加1.0 mm。 系統(tǒng)降溫20 ℃后，節(jié)段D 合龍口縱、橫橋向相對水平位移均減小0.7 mm，節(jié)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(jié)構(gòu)自重作用下的相對位移較大， 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tài)的調(diào)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(shè)計溫度下， 為保證節(jié)段D 和節(jié)段B 拼接面處順利合龍，合龍口兩側(cè)相對位移應調(diào)整至0，進而需要施加對撐結(jié)構(gòu)以調(diào)整合龍口相對位移。 根據(jù)工況四和工況五時的合龍口水平位移計算結(jié)果，反復調(diào)試對撐力可知，各道對撐結(jié)構(gòu)的對撐力按照表2 所示數(shù)值進行加載時， 合龍口兩側(cè)相對位移可達到合龍精度要求。

表2 對撐結(jié)構(gòu)對撐力設(shè)計參考值

4.3 輔助措施設(shè)計

根據(jù)節(jié)段上端中線定位的測量結(jié)果通過設(shè)置調(diào)整節(jié)段的方式，對鋼塔整體線形進行控制，調(diào)整節(jié)段根據(jù)實際安裝軸線偏移情況進行加工， 也可以將調(diào)整節(jié)段設(shè)計成焊接方式通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)，進行整體軸線調(diào)整。

鋼塔節(jié)段豎向及水平調(diào)節(jié)裝置主要用于鋼塔調(diào)整節(jié)段，微調(diào)裝置由水平方向調(diào)節(jié)千斤頂、 豎向調(diào)節(jié)絲桿和豎向千斤頂組成。

1）在已安裝節(jié)段鋼塔上安裝微調(diào)系統(tǒng)。

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(diào)裝置進行調(diào)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(huán)縫焊接平臺（臨時焊接平臺由∠10 mm 角鋼組成，鋼塔節(jié)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(jīng)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(shè)計要求（見圖3）。

圖3 杏林堡大橋橋塔施工

5 結(jié)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(jié)果表明：

1）空間流線形提籃拱形鋼橋塔各合龍口在結(jié)構(gòu)自重作用下均發(fā)生較大程度水平變形，受自重影響較大，對主塔合龍對接產(chǎn)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(chǎn)生較小位移，但對主塔合龍精度產(chǎn)生影響，合龍對接時需考慮在設(shè)計溫度下進行合龍對接；

3）主塔各合龍節(jié)段在合龍前采取設(shè)置對撐結(jié)構(gòu)的輔助措施，可減少結(jié)構(gòu)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(guī)范及設(shè)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。