不對稱轉體施工鋼箱梁獨塔斜拉橋合理轉體平衡狀態構思與實現

曾甲華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

不對稱轉體施工鋼箱梁獨塔斜拉橋合理轉體平衡狀態構思與實現

曾甲華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要采用轉體施工的大跨度不對稱獨塔斜拉橋，具有轉體噸位大、轉體伸臂長、轉體梁重不平衡、轉盤以上結構較高等特點，轉體施工是其控制性風險因素。文中依托龍巖大橋，針對不對稱轉體施工獨塔斜拉橋，構思了適用于該類橋式的合理轉體平衡狀態和優化思路；基于非線性空間有限元手段，采用非線性影響矩陣技術，實現了龍巖大橋轉體平衡狀態的優化，為該類橋式大噸位轉體施工的順利實施提供了技術支撐。

關鍵詞鋼箱梁獨塔斜拉橋轉體施工不對稱孔跨

采用轉體施工的大跨度不對稱獨塔斜拉橋，具有轉體噸位大、轉體伸臂長、轉體梁重不平衡、轉盤以上結構較高等特點，轉體施工是其控制性風險因素，優化確定合理的轉體平衡狀態甚為關鍵。本文以龍巖大橋為依托，構思了適用于該類橋式的合理轉體平衡狀態，并以此為目標，基于非線性空間有限元手段，采用非線性影響矩陣優化、施工控制和偏差施工等技術，實現了龍巖大橋合理轉體平衡狀態的優化。

1工程概況

龍巖大道位于龍巖市中心城區，是龍巖市“一軸二環三縱四橫”快速道路系統中南北向交通中心軸和景觀軸。龍巖大橋為龍巖大道高架橋工程的關鍵節點和控制性工程，其以平面小角度(28.7°)連續跨越漳龍鐵路、龍廈鐵路、在建龍巖站牽出線、羅龍路、龍津河及雙洋路。

龍巖大橋為190 m+150 m獨塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，采用半漂浮體系[1]。全橋總體布置見圖1。

圖1龍巖大橋總體布置(單位：m)

塔梁間設置有縱向彈性拉索，以限制在活載及風載作用下的縱向漂移、減小梁縫規模和梁端伸縮量，同時在索塔下橫梁主跨側布置有2臺縱向阻尼裝置以提高整體結構的阻尼比，抑制急變荷載(如地震、脈動風、汽車制動等)的動力響應，并減小縱向拉索疲勞應力幅[2]。

索塔采用花瓶形混凝土結構。地面以上塔高116 m。主梁采用正交異性板扁平流線形鋼箱梁，主梁中心線梁高3.0 m，鋼箱梁含風嘴全寬36.3 m，不含風嘴全寬32.48 m。

拉索采用抗拉標準強度1 670 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，包括塔梁間縱向彈性拉索和斜拉索。其中，斜拉索采用空間雙索面扇形布置，全橋共44根(22對)；在索塔處設置塔梁間縱向拉索4根(每側2根)。

主橋采用平面轉體施工法跨越既有鐵路，轉體球鉸設置在承臺頂面，采用以球鉸中心支撐為主、環道支撐為輔的轉動體系。轉體結構設置在主塔塔柱底部，由轉盤、球鉸、撐腳、環形滑道、牽引系統、助推系統和臨時支撐及鎖定等部分組成[3]。轉體主梁懸臂長173.75 m，轉體主梁總長323.45 m，轉體總重量超2.5萬t，創造了最大轉體重量、最長轉體懸臂、最大轉體梁寬、轉體斜拉橋最大跨度等世界新紀錄[4-5]。

2合理轉體平衡狀態構思

對于采用轉體施工的大跨度不對稱獨塔斜拉橋，由于主、次跨轉體懸臂長和重量均不等，在自重偏載作用下，主梁和索塔將繞轉動球鉸發生顯著的轉動，并造成轉動球鉸偏位和鎖死，從而危及轉體施工安全。鑒于此，本文構思了一種適用于不對稱獨塔斜拉橋平衡轉體狀態的優化思路：主跨和次跨非壓重區的斜拉索，平衡其對應的主梁節段恒載(包括自重和附加重量)；通過合理設置次跨端部壓重區壓重并調整壓重區斜拉索索力，實現塔直梁平和轉盤0偏角。

為保證轉體施工安全，轉體施工時的結構狀態應滿足以下3項要求：①塔直梁平，即塔豎直、無側向偏位，主梁平直、豎向位移較小；②轉盤頂面0轉角(嚴格控制在0.1°以內)；③次跨平衡配重量最小化，以減小轉體總重量。

3轉體平衡狀態的計算實現

3.1　有限元模型

龍巖大橋總體靜力分析采用非線性空間有限元程序，以設計豎曲線為基準進行結構離散。轉體狀態的結構有限元計算模型見圖2。

a)未顯示結構輪廓

b)顯示結構輪廓

圖2轉體狀態的結構有限元計算模型

建模分析過程中，對于主梁、主塔采用三維梁單元模擬。計算考慮斜拉索垂度效應、主梁和索塔在顯著軸壓力作用下的P-Δ效應、結構大變形效應等非線性影響，其中斜拉索采用只受拉多段桿單元模擬，以完全考慮垂度效應和索端轉角的影響。

轉體施工邊界條件處理：轉體施工時，轉盤支撐按轉盤區域采用僅受壓群支座模擬，主梁與索塔下橫梁間臨時固結(鎖定)；樁-土相互作用以柔度矩陣的形式等代考慮。

3.2　計算結果

采用非線性影響矩陣優化、施工控制和偏差施工等技術，實現了龍巖大橋合理轉體平衡狀態的優化，其結構線形、結構彎矩和索力分布見圖3～5。

圖3轉體施工結構變形圖(單位：mm)

圖4轉體施工結構彎矩圖(單位：kN·m)

圖5轉體施工斜拉索索力圖(塔端，單位：kN)

為實現主橋平衡轉體施工，基于優化計算結果，次跨端橫隔板往索塔的27.55 m梁段范圍內設置了轉體施工壓重。壓重分布范圍和大小見圖6。

圖6轉體施工階段次跨端部壓重

對優化后的龍巖大橋轉體平衡狀態作分析評判如下：①索塔塔頂往次跨側偏移0.001 m，主梁主跨懸臂端豎向位移為0.025 m，次跨懸臂端豎向位移為-0.012 m，實現了“塔直梁平”的轉體平衡狀態要求；②基于索塔豎直、主梁平直的線形狀態，主梁和索塔彎矩亦均較小，轉體狀態下結構受力狀況優異；③轉盤轉角(繞橫橋向軸)為0.054°，轉盤對位狀態良好；④轉體施工時，次跨平衡配重量合計436.3 t，配重規模較小。

綜上可見，優化實現的龍巖大橋轉體施工平衡狀態較為合理，有利于保證該橋超大噸位轉體施工的順利安全實施。

4結語

本文依托龍巖大橋，構思了適用于不對稱獨塔斜拉橋平衡轉體狀態的確定思路和優化目標，并基于非線性空間有限元手段，采用非線性影響矩陣優化、施工控制和偏差施工等技術，實現了合理轉體平衡狀態的優化技術，解決了不對稱獨塔斜拉橋平衡轉體施工的技術難題，為該類橋式的大噸位轉體施工的順利實施提供了技術支撐，對類似工程具有參考和借鑒意義。龍巖大橋于2014年10月開工，預計2017年初建成通車。

參考文獻

[1]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.龍巖市龍巖大道高架橋工程龍巖大橋施工圖設計[Z].武漢: 中鐵第四勘察設計院集團有限公司,2014.

[2]劉士林，王似舜.斜拉橋設計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]蔣紅衛，鄭晨.跨滬寧高速公路大噸位鋼球鉸轉體施工工藝[J].世界橋梁，2011，39(5)：15-18.

[4]孫全勝，王立峰， 孫永存，等.萬噸級斜拉橋水平轉體施工監測[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版， 2007，31(3)：400-403.

[5]王宏祥.大跨度斜拉橋水平轉動施工技術研究[D].石家莊：石家莊鐵道學院,2009.

Conception and Realization of Ideal Swivel Balanced State of Asymmetric Steel Box

Girder Single-pylon Cable-stayed Bridge Erected by Swivel Construction Technology

ZengJiahua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：With the characteristics of great swiveling weight, long swiveled cantilever, unbalanced swiveling girder weight and great structure height above the pile cap, the greatest risk factor is the whole process of swivel construction for the long-span single-pylon cable-stayed bridge erected by swivel construction technology. In this paper, based on the background of Longyan Bridge, an ideal swivel balanced state which is fit for asymmetric steel box girder single-pylon cable-stayed bridges is conceived, and also an optimization method is presented. The proposed swivel balanced state is realized by nonlinear three-dimensional finite element method and nonlinear influence matrix technique which ensures the smooth operation of large-tonnage swivel construction.

Key words:steel box girder; single-pylon cable-stayed bridge; swivel construction; asymmetric span arrangement

收稿日期：2015-01-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.003