斜拉索橋鋼結(jié)構(gòu)橋塔設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用

江正潭

浙江中交通力工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州 310015

本文結(jié)合黃姑塘特大橋鋼結(jié)構(gòu)橋塔的選型及設(shè)計(jì)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋塔的設(shè)計(jì)方案、施工工藝、施工控制標(biāo)準(zhǔn)、工程造價(jià)等進(jìn)行了介紹，相對(duì)于砼橋塔，論述了鋼結(jié)構(gòu)斜拉索橋塔的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)的工廠化、縮短建設(shè)工期，降低對(duì)通車公路的交通影響具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 平湖黃姑塘特大橋基本情況

平湖黃姑塘特大橋位于101省道上，101省道現(xiàn)狀為瀝青路面，道路等級(jí)為一級(jí)公路，雙向4車道，路基寬度36m，橋梁接線道路兩側(cè)均為廠房。由于黃姑塘航道等級(jí)由V級(jí)改造提升為Ⅲ級(jí)，河道底寬48m，原橋梁不能滿足通航標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)河道設(shè)計(jì)的具體情況，橋梁于原址進(jìn)行拆除新建，經(jīng)過多方案比選，推薦新建黃姑塘大橋主橋采用斜拉索橋。黃姑塘特大橋效果圖如圖1所示。

圖1 黃姑塘特大橋效果圖

全橋分主橋、引橋，橋梁總長(zhǎng)416.25m，全橋跨徑組合為：(2×25)m+(75+160+75)m+(2×25)m，其中，(2×25)m跨為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，(75+160+75)m三跨斜拉橋；下部結(jié)構(gòu)：柱式墩、實(shí)體橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

主橋?yàn)殡p塔雙柱式雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主孔160m，兩側(cè)邊孔各75m。由于在老路上拆除老橋建設(shè)新橋，為加快施工進(jìn)度，縮短施工工期，最大限度減少對(duì)正常交通的影響，響應(yīng)交通運(yùn)輸部和省交通運(yùn)輸廳推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的精神，同時(shí)考慮節(jié)約工程造價(jià)，主橋橋塔采用鋼結(jié)構(gòu)箱形斷面，主梁采用混凝土“π”型梁，主梁全寬43m，最小梁高2.5m；橋面以上塔高52.1742m，主墩處為塔、梁固結(jié)、梁墩分離體系。斜拉索采用扇形布置，梁上斜拉索布置在主梁錨索區(qū)內(nèi)，塔上索距為3m，索面距40m。

為保證鋼結(jié)構(gòu)箱形主塔具有足夠的剛度，在腹板上設(shè)置一定數(shù)量的縱向加勁肋，且間距3m左右設(shè)置橫隔板；為方便加工制作及安裝的需要，主塔分11個(gè)節(jié)段，工廠預(yù)制分節(jié)段，節(jié)段運(yùn)輸至橋梁現(xiàn)場(chǎng)；采用450T履帶吊吊裝施工就位，為施工檢修的方便，在塔中間設(shè)置檢修爬梯道。

引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁，主橋墩混凝土實(shí)心墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；主橋邊墩（交界墩），采用實(shí)體式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用實(shí)體橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。黃姑塘特大橋現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示。

圖2 黃姑塘特大橋現(xiàn)場(chǎng)圖

2 鋼結(jié)構(gòu)箱形橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃姑塘特大橋?yàn)殇撍炷亮弘p索面3跨斜拉橋。橋面以上塔高52.1742m，主塔采用鋼箱斷面，外形尺寸2.84×8m（底部），2.94×3m（頂部）。主塔分11個(gè)節(jié)段，工廠加工分節(jié)段，節(jié)段運(yùn)輸至橋梁現(xiàn)場(chǎng)。最下節(jié)段（GT1）為鋼混結(jié)合段，填充C50混凝土，其他節(jié)段為鋼結(jié)構(gòu)，均采用Q345D鋼。鋼結(jié)構(gòu)索塔立面圖如圖3所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)索塔立面圖

2.1 鋼塔節(jié)段

2.1.1 鋼混結(jié)合段（GT1段，全橋共8段）

GT1 塔段高5.435m，截面尺寸為橫橋向2.84m，縱橋向2.5m，為鋼箱內(nèi)填充混凝土結(jié)構(gòu)。

鋼混結(jié)合段內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力（JL32精軋螺紋鋼筋），單節(jié)段共設(shè)置40根，每束張拉控制力為300kN，待GT1澆注混凝土后達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，張拉到位。

2.1.2 分叉下塔節(jié)段（GT2段，全橋共8段）

GT2 塔段高5.499m，間距2.6m設(shè)置4道橫隔板，板厚16mm，開人孔。為保證壁板及腹板局部剛度，設(shè)置15道縱肋，勁板規(guī)格30mm×300mm。

2.1.3 分叉塔節(jié)段（GT3段，全橋共4段）

GT3 塔段高4.3m，外形尺寸為2.913m×5.398m（底部），2.938m×4.733m（頂部）。

GT3段是銜接下塔柱（2個(gè)GT2段）和上塔柱（1個(gè)GT4段）的節(jié)點(diǎn)，其作用是將上塔柱的內(nèi)力均勻有效地過渡傳遞給2個(gè)下塔柱，并且該節(jié)段緊鄰GT4段的拉索錨固區(qū)。

GT3設(shè)置兩塊橫隔板（板厚30mm），上橫隔板（H1）上緣及下橫隔板（H2）。鋼結(jié)構(gòu)索塔斷面圖如圖4（a）所示。

2.1.4 分叉上塔節(jié)段（GT4～GT11段，全橋共32段）

分叉上塔節(jié)段單塔分8個(gè)節(jié)段，GT4～GT11段。其中GT4～GT10段為錨索區(qū)，GT11段為塔頂區(qū)。

（1）GT4塔段高3.3m，外形尺寸為2.938m×4.733m（底部），2.938m×4.366m（頂部）。

塔段內(nèi)設(shè)置1道橫隔板，板厚16mm；橫橋向設(shè)置2塊拉板；頂部所有與GT5節(jié)段連接的壁板、縱肋和拉板厚度為30mm，縱肋寬度為300mm。塔段內(nèi)有1段拉索錨固區(qū)。鋼結(jié)構(gòu)索塔斷面圖如圖4（b）所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)索塔斷面圖

（2）GT5段高3.3m，GT6段高3.315m；GT7段高3.0m；GT8段高3.159m；GT9段高3.2m；外形尺寸根據(jù)所處節(jié)段進(jìn)行具體設(shè)計(jì)；

各塔段共設(shè)置1道橫隔板，板厚16mm；橫橋向設(shè)置2塊拉板，板厚30mm；壁板和肋板厚度均為30mm，各塔段內(nèi)有1段拉索錨固區(qū)。

（3）GT10段高9.3m，外形尺寸為2.938m×3.626m（底部），2.938m×3.254m（頂部）。

塔段內(nèi)共設(shè)置3道橫隔板，板厚16mm，其中下方兩道隔板需開0.7m×0.56m的檢修孔，上方一道隔板需開0.6m×0.56m的檢修孔；橫橋向設(shè)置2塊拉板，板厚30mm。

塔段內(nèi)共有3段拉索錨固區(qū)，拉索預(yù)留管規(guī)格為φ420mm×12mm，注意在壁板相應(yīng)位置開孔。

（4）GT11段高8.516m，外形尺寸為2.938m×3.254m（底部），2.938m×3.0m（頂部）。

考慮到鋼塔內(nèi)人孔較小，為方便搬運(yùn)施工器械，在塔頂開孔（0.65m×1.2m），并設(shè)置孔門；為避免塔頂平臺(tái)積水，頂板設(shè)置成0.3%的排水坡。

壁板及腹板厚度均為30mm；共設(shè)置三道橫隔板，其厚度為16mm；豎加勁板設(shè)置12道，規(guī)格為30mm×300mm。

2.1.5 其他構(gòu)造

拉索錨箱：錨箱單元是鋼塔最重要的受力構(gòu)件之一，由承壓板、錨墊板、錨腹板、加勁板、加勁肋等組成。由于受操作空間的限制，采用分步制作原則。安裝步驟為：先吊裝節(jié)段就位→臨時(shí)栓接馬板→圍焊節(jié)段腹板壁板→去除栓接。

3 鋼結(jié)構(gòu)箱形橋塔施工工藝

3.1 施工工藝

鋼塔柱制作分以下步驟完成：第一步制作板單元件；第二步制作塊體；第三步節(jié)段形成。節(jié)段形成后再依次進(jìn)行端面機(jī)加工、節(jié)段立式拼裝、涂裝等作業(yè)。對(duì)鋼板進(jìn)行滾平處理以后進(jìn)行預(yù)處理，然后采用門切機(jī)或數(shù)控切割機(jī)切割廠料，組裝加勁板和縱肋后直接形成隔板單元。然后組裝、焊接，修整鋼塔節(jié)段，打砂除銹、涂裝（留一道面漆待預(yù)拼裝后進(jìn)行）后，加工端面金屬接觸面，再進(jìn)行鋼塔節(jié)段預(yù)拼裝等。

3.2 部件拼接要求

（1）主塔分11個(gè)節(jié)段，工廠預(yù)制分節(jié)段，節(jié)段運(yùn)輸至橋梁現(xiàn)場(chǎng)；采用履帶吊機(jī)吊裝施工就位；為施工檢修的方便，在塔中間設(shè)置檢修爬梯道。

（2）鋼塔節(jié)段吊裝施工就位后，對(duì)節(jié)段外側(cè)腹板、壁板焊接連接。

（3）全部部件均需在制造廠內(nèi)預(yù)拼、校正位置后再解體運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)組裝。

（4）焊接工藝及其質(zhì)量檢查均需符合GB 50661—2011規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋塔的優(yōu)勢(shì)

（1）鋼材的塑性和韌性好，使鋼結(jié)構(gòu)橋塔的抗震性能好。由于鋼材具有良好的塑性和韌性，在發(fā)生地震時(shí)通過結(jié)構(gòu)的變形能較多吸收能量，同時(shí)又具有能反復(fù)作用韌性，從而大大提高了鋼結(jié)構(gòu)橋塔的抗震性能，不容易在地震中出現(xiàn)像砼塔一樣的裂縫或斷裂。

（2）鋼結(jié)構(gòu)橋塔質(zhì)量容易得到保證。由于鋼結(jié)構(gòu)橋塔組成的節(jié)段和構(gòu)件絕大部分在工廠內(nèi)加工、制造和涂裝，工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化程度高，作業(yè)時(shí)基本不受外界環(huán)境影響，能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

（3）鋼結(jié)構(gòu)橋塔施工工期較短。斜拉索橋如采用砼橋塔，則橋塔必須在基礎(chǔ)完成后才能開始施工，且施工期間受外界環(huán)境影響較大，如臺(tái)風(fēng)、降雨等天氣影響，因而施工工期較長(zhǎng)；而鋼結(jié)構(gòu)橋塔在基礎(chǔ)施工時(shí)即可在工廠內(nèi)平行作業(yè)，不受外界環(huán)境影響，加工完成后可在施工現(xiàn)場(chǎng)快速拼裝完成，施工工期相對(duì)于砼橋塔可以大大縮短。

（4）鋼結(jié)構(gòu)橋塔是環(huán)保產(chǎn)品。斜拉索橋如采用鋼結(jié)構(gòu)橋塔，在未來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命或其他原因需要拆除時(shí)，拆下的橋塔可以重新回收熔煉，不會(huì)產(chǎn)生建筑垃圾，符合可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策。

（5）鋼結(jié)構(gòu)橋塔有實(shí)施的物質(zhì)基礎(chǔ)，防腐難題也得到有效解決。由于我國(guó)鋼鐵企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)鋼企已可以生產(chǎn)高性能橋鋼，價(jià)格現(xiàn)對(duì)于進(jìn)口鋼材大幅度降低；同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝技術(shù)也得到有效解決，耐腐蝕壽命可達(dá)30～50年，大大降低了鋼結(jié)構(gòu)橋塔的后期養(yǎng)護(hù)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合平湖黃姑塘特大橋鋼結(jié)構(gòu)橋塔的選型及設(shè)計(jì)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋塔的設(shè)計(jì)方案、施工工藝、施工控制標(biāo)準(zhǔn)、工程造價(jià)等進(jìn)行了介紹，闡述了鋼結(jié)構(gòu)斜拉索橋塔的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)的工廠化和標(biāo)準(zhǔn)化、確保施工質(zhì)量、提高施工效率，縮短建設(shè)工期，最大限度地降低對(duì)通車公路的交通影響具有重要的應(yīng)用價(jià)值。