傾斜雙鋼拱塔節段懸臂拼裝可行性研究

【摘 要】在介紹傾斜雙鋼拱塔的階段懸臂拼裝方案之后，建立了對傾斜雙鋼拱塔節段懸臂拼裝的有限元模擬計算分析模型，并得到了拼裝過程及其成塔各步驟塔身的變形和應力，通過對水平拉索和臨時拉索索力的調整，實現了成塔變形和應力的控制，為該塔的施工控制、成塔提供了理論依據和指導。

【關鍵詞】斜拉橋;鋼拱塔;懸臂拼裝;有限元

The tilt of double steel arch tower cantilever erection segments feasibility study

Song Cheng-Wei，Zeng De-rong，Ren Yin

(Chongqing transportation university Chongqing 400074)

【Abstract】Introducing the tilt of the double steel arch tower cantilever erection programs， the establishment of a steel arch tower tilt cantilever segments assembled finite element simulation model， and has been assembled into a column process and the steps the deformation and stress of the tower， through the horizontal cables and temporary cable tension adjustment， to achieve the deformation and stress into the control tower， the tower's construction control， into the tower provides a theoretical basis and guidance.

【Key words】Cable-stayed bridge;Steel arch tower;Cantilever erection ;Finite element

1. 前言

1.1 工程背景。

官塘大橋是一座跨徑布置為85+85m雙拱式獨塔雙索面PC雙主梁式斜拉橋(無引橋)，兩拱呈43.6°斜交，主拱塔與豎直方向立面呈1:2.5傾斜角。該橋橋塔由兩個鋼箱拱構成，塔高近46m(橋面至拱頂)。主塔為Q345D級鋼結構，截面輪廓尺寸為3200×2500mm(橫橋向×順橋向)，鋼箱壁厚J0-J2段為40mm，其余段均為30mm。主拱鋼箱每8米設置一道帶鑲邊的橫隔板，頂板及腹板設置縱向加勁肋，加勁肋間距0.2m。主塔固結于塔座上，與混凝土塔座的連接采用鋼混結合段的方式，受拉側以預加力的方式來保證鋼拱內力平順地傳到基座上。

1.2 鋼箱拱塔施工方法。

根據鋼塔的結構特點，鋼塔的拼裝方案擬采用節段懸臂拼裝方案。每個鋼箱塔設計分為27段，拱塔各節段之間先通過拼接板螺栓連接后焊接。每個拱塔分成13個節段分段，采用履帶吊裝拼裝。節段拼裝時，縱橋向采用主橋拉索輔助對稱懸臂架設，橫向每個拱塔從下至上對稱安裝，并增設臨時拉索和塔上部的臨時橫向連接桁架。分段情況及增設的臨時拉索、桁架如圖1。

官塘大橋是全國第二座在建雙環斜拉橋，與已建成的沈陽三好斜拉橋橋屬于同種結構橋型。沈陽三好斜拉橋主橋鋼拱塔采用豎轉施工方法，豎轉施工技術用“超大型液壓同步提升技術”，將兩片大型拱肋同步提升豎轉到位，形成斜拉橋主拱塔。該施工方法的主要控制因數:(1)轉動鉸鉸軸(四點)的同心度、平行度的控制;(2)轉動鉸鉸軸轉動的靈活性;(3)提升門架的結構穩定性控制;(4)提升上、下吊點的結構安全性;(5)提升過程的同步控制;(6)提升過程的防突發事件的應急控制措施^[4]。由于該施工方法控制因素眾多、需要設備大型的提拉設備、施工工期長等，所以官塘大橋鋼拱塔擬采用階段懸臂拼裝的施工方法。本篇特針對官塘大橋鋼拱塔階段懸臂拼裝的可行性進行研究。

圖1 單拱塔懸臂拼裝分段及臨時拉索布置圖

2. 模型的建立及其計算工況

2.1 模型的建立。

本計算模型采用有限元軟件MIDAS7.0版進行計算。模型離散為307個單元，有限元模型(見圖1)。建立如圖所示的塔座和鋼塔計算模型，塔座、鋼塔、臨時橫撐采用梁單元模擬，主橋水平拉索、臨時拉索采用桁架單元中的索單元模擬，模型中臨時橫撐按實際施工模擬，采用雙桁片模擬。模型中，塔座根部固結。

2.2 計算工況及荷載組合。

模擬計算了懸拼過程中的每一步，計算工況包括鋼塔吊裝完成階段和最后成塔階;計算荷載包括鋼塔自重、索力和風力;荷載組合包括:荷載組合一(自重+索力)、荷載組合二(自重+索力+縱橋向風)、荷載組合三(自重+索力+橫橋向風);臨時索及永久水平索在懸拼時的初張力通過試算確定如表1:

圖2 塔座和鋼塔有限元模型

表1 拱塔水平索初張力

3. 計算結果

3.1 鋼塔吊裝完成階段(荷載組合一)。

經計算得到鋼拱塔的組合應力圖(見圖3)，由應力圖可以看出鋼拱塔在吊裝完成后最大壓應力出現在Jc頂部，其值為-22.5 MPa;由臨時橫撐組合應力圖(見圖4)可以看出，臨時橫撐最大應力為96.7MPa，位于臨時橫撐和鋼拱塔連接的位置。通過數據得知，在吊裝完成后鋼拱塔的應力較小，臨時橫撐應力偏大但都小于強度設計值200MPa。因此鋼拱塔及臨時橫撐應力滿足要求，是安全的。現查看荷載組合一情況下鋼拱塔及臨時橫撐的位移情況。

圖3 鋼塔及臨時橫撐組合應力圖

經過計算得到鋼拱塔特征截面的位移(見表2)。由位移表可知鋼塔拼裝完成后縱向最大位移位于塔頂其值為-39.3mm，橫向最大位移Y=-5.43mm，豎向最大位移Z=-26.5 mm，臨時橫撐最大位移DX發生在144節點，其值為-68mm，DY發生在 76節點，其值為4.3mm，DZ發生在144節點，其值為 -38mm.從三向的位移可見鋼拱塔豎直方向的位移和橫向的位移均較小，不影響結構的線形，縱向最大位移出現在臨時橫撐的中間節點是由于臨時拉索的初拉力對臨時橫撐存在擠壓作用而使臨時橫撐產生較大的縱向位移。由于鋼拱塔的橫向位移較小，縱向位移和豎向位移可以通過預偏來控制，因此臨時橫撐較大的縱向位移對鋼塔的線形影響很小，為了進一步減小臨時橫撐變形對鋼拱塔的影響可以在臨時橫撐之間采用拉索對拉來控制臨時橫撐的縱向變形。

圖4 臨時橫撐組合應力圖

表2 鋼拱塔特征截面位移表

注:表中DX表示順橋方向位移、DY表示橫橋方向位移、DZ表示鉛垂方向位移。表中縱向位移以向大里程方向為正，豎向位移以向上為正，橫向位移值以向橋中心線方向為正。

3.2 最后成塔階段(荷載組合一)。

最后成塔階段既要考慮臨時橫撐及臨時拉索拆除之后對鋼塔的應力及位移的影響，又要滿足鋼拱塔最后的線形滿足設計要求。經過計算得到鋼拱塔的組合應力圖(見圖5)由應力圖可以看到鋼拱塔在最后成塔階段，最大的壓應力出現在Jd節段根部其值為-22.5MPa。通過數據得知鋼拱塔在最后的成塔階段應力較小，遠小于鋼箱的強度設計值200MPa，因此鋼拱塔的應力情況滿足要求，是安全的。現在查看鋼拱塔的位移情況。

經過計算得到特征截面的位移(見表3)。由位移表得知X方向的位移最大出現在鋼拱塔的塔頂其值為 X=16.66mm，橫向和豎向的最大位移出現在Jf2頂部，橫向最大位移Y=4.25mm，豎向最大位移Z=-21.81mm從三向的位移可見鋼拱塔橫向位移較小，不影響結構的線形，X方向和Z方向的位移較大，在拼裝過程中采取預偏從而與設計線性相吻合。

圖5 臨時橫撐組合應力圖

表3 鋼拱塔特征截面位移表

3.3 鋼塔吊裝完成階段(荷載組合二)。

經計算得到拱塔的組合應力圖(見圖6)，由應力圖可以看出鋼拱塔在吊裝完成后最大壓應力出現在Ja底部，其值為-40MPa;由臨時橫撐組合應力圖(見圖7)可以看出，臨時橫撐最大應力為157MPa，位于臨時橫撐和鋼拱塔連接的位置。通過數據得知，在吊裝完成后鋼拱塔的應力較小，臨時橫撐應力偏大但都小于強度設計值200MPa。因此鋼拱塔及臨時橫撐應力滿足要求，是安全的。現查看荷載組合二情況下鋼箱拱塔的位移情況。

圖6 鋼塔及臨時橫撐組合應力

經過計算得到荷載組合二情況下鋼拱塔特征截面的位移(見表4)。由位移表得知鋼塔拼裝完成后鋼塔縱向最大位移發生在鋼塔頂部，其值為-107mm，橫向最大位移為4.4mm，豎向最大位移位為-51.5 mm，臨時橫撐最大位移DX發生在191節點，其值為-142mm，DY發生在92節點，其值為3.6mm，DZ發生在145節點，其值為 -65mm，從三向的位移可見鋼拱塔及臨時橫撐的橫向位移均較小，豎直方向的位移和縱向的位移均較大，對鋼拱塔的線形控制不利。

3.4 最后成塔階段(荷載組合二)。

經計算得到鋼拱塔的組合應力圖(見圖8)，由應力圖可以看出鋼拱塔在吊裝完成后最大壓應力出現在Ja底部，其值為-32.4MPa;通過數據得知，在吊裝完成后鋼拱塔的應力較小，因此鋼拱塔應力滿足要求，是安全的。現查看荷載組合二情況下鋼箱拱塔的位移情況。

經過計算得到荷載組合二情況下鋼拱塔特征截面的位移(見表5)。由位移表得知鋼塔拼裝完成后鋼塔縱向最大位移發生在鋼塔頂部，其值為-69mm，橫向最大位移為5.4mm，豎向最大位移位于211節點其值為-38.6 mm，從三向的位移可見鋼拱塔橫向位移較小，豎直方向的位移和縱向的位移均較大。

圖7 臨時橫撐組合應力圖

表4 鋼拱塔特征截面位移表

3.5 鋼塔吊裝完成階段(荷載組合三)。

經計算得到鋼拱塔及臨時橫撐組合應力圖(見圖9)，由應力圖可以看出鋼拱塔在吊裝完成后最大壓應力出現在Ja底部，其值為-27.2MPa;由臨時橫撐組合應力圖(見圖10)可以看出，臨時橫撐最大應力為94.4Mpa，位置在110節點，臨時橫撐和鋼拱塔連接的位置。通過數據得知，在吊裝完成后鋼拱塔的應力較小，臨時橫撐應力偏大但都小于強度設計值200MPa。因此鋼拱塔及臨時橫撐應力滿足要求，是安全的。現查看荷載組合三情況下鋼箱拱塔的位移情況。

圖8 鋼塔組合應力圖

表5 鋼拱塔特征截面位移表

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圖9 鋼塔及臨時橫撐組合應力

經過計算得到荷載組合三情況下鋼拱塔特征截面的位移(見表6)。由位移表得知鋼塔拼裝完成后鋼塔縱向最大位移發生在鋼塔頂部，其值為39.3mm，橫向最大位移為13.3mm，豎向最大位移位于210節點其值為-29.4 mm，臨時橫撐最大位移DX發生在193節點，其值為-66.4mm，DY發生在190節點，其值為9.6mm，DZ發生在145節點，其值為 -37.3mm，從三向的位移可見鋼拱塔及臨時橫撐的橫向位移，豎直方向的位移和縱向的位移均較大。

圖10 臨時橫撐組合應力圖

表6 鋼拱塔特征截面位移表

圖11 鋼塔組合應力圖

表7 鋼拱塔特征截面位移表

3.6 最后成塔階段(荷載組合三)。

經計算得到拱塔的組合應力圖(見圖11)，由應力圖可以看出鋼拱塔在吊裝完成后最大壓應力出現在Ja底部，其值為-26.5MPa;通過數據得知，在吊裝完成后鋼拱塔的應力較小，因此鋼拱塔應力滿足要求，是安全的。現查看荷載組合三情況下鋼箱拱塔的位移情況。

經過計算得到荷載組合三情況下鋼拱塔特征截面的位移(見表7)。由位移表得知鋼塔拼裝完成后鋼塔縱向最大位移發生在鋼塔頂部，其值為39.3mm，橫向最大位移為-14.7mm，豎向最大位移位于210節點其值為-29.4 mm，從三向的位移可見鋼拱塔橫向位移，豎直方向的位移和縱向的位移均較大。成塔后水平索索力如表8

表8 Z0-Z8索索力

4. 結論

(1)由以上計算可知，鋼塔在節段懸臂拼裝過程中均滿足主體結構受力要求，采用節段懸臂拼裝的施工方案在受力上是可行的，線形可以在拼裝過程中進行預偏控制，然后通過施加適當索力成塔線形可以滿足設計及規范要求。

(2)當有較大風力時鋼拱塔會發生較大的位移，對于施工是不利的，應停止施工或通過增設風纜確保線形和安全。

(3)采用節段懸臂拼裝施工方法施工簡便可以有效縮短施工工期，降低成本，希望本文能對今后類似橋梁的施工控制和計算提供一些理論依據和可行性參考。

參考文獻

[1] 《鋼結構設計規范》GB50017-2003.

[2] 《鐵路路橋涵設計基本規范》(TB10002. 1

-2005)

[3] 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)

[4] 王昕，沈陽三好斜拉橋主橋鋼拱塔豎轉施工技術[J].公路，2009年二月，第二期

[文章編號]1619-2737(2010)10-01-207

[作者簡介] 宋成偉(1983.3-)，男，在讀碩士研究生，所學專業:土木與隧道工程，研究方向:橋梁設計理論與施工控制。