空間彎扭曲線鋼橋塔的設(shè)計與施工

孫 亮

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 工程概況

柳州白沙大橋位于柳州市柳北區(qū)東南部與城中區(qū)西部之間，東西向跨越柳江河道，南距上游壺東大橋、北距下游河?xùn)|大橋均為1.5 km。主橋采用跨徑布置為（200+200）m 的空間雙索面獨塔斜拉橋，標(biāo)準(zhǔn)橋面寬度為38 m，設(shè)置有雙向6 車道加雙側(cè)非機(jī)動車道和人行道，主梁采用扁平流線型鋼箱梁，橋塔采用反對稱空間彎扭門型鋼塔，結(jié)構(gòu)體系為塔、梁、墩固結(jié)的剛構(gòu)體系[1]，橋型立面布置見圖1 所示。

圖1 主橋橋型立面布置圖（單位：m）

2 橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

空間彎扭曲線橋塔的結(jié)構(gòu)形式和受力特性均較為復(fù)雜，對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及制造、安裝的精度均有很高的要求?？紤]到鋼結(jié)構(gòu)相對于混凝土結(jié)構(gòu)而言，一方面因其材質(zhì)均勻、彈性模量恒定、各種不確定因素（如收縮、徐變等）較少，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確；另一方面鋼塔節(jié)段采取預(yù)制并經(jīng)試拼裝后出廠，能更好地保證成品的質(zhì)量和精度，因此設(shè)計采用了鋼塔。此外，鋼塔現(xiàn)場工作量與高空作業(yè)量均較少，可有效降低施工風(fēng)險、提高施工效率，并且由于自重較輕，既利于抗震，還可減小下部結(jié)構(gòu)規(guī)模。

橋塔從承臺頂至塔頂截面中心的高度為106.2 m，塔底設(shè)置有9.3 m 高的混凝土塔座，與錨入其中的鋼塔柱形成鋼—混結(jié)合段，其余為鋼結(jié)構(gòu)，塔上共設(shè)有30 對斜拉索，橋塔實景見圖2 所示。

圖2 橋塔實景

塔柱中軸線鑒于橋梁中心面反對稱，在橫橋向和順橋向鉛錘面上的投影自上而下分別由橢圓曲線段、圓曲線段，以及直線段組合而成，并在兩個方向疊加形成空間曲線，見圖3 所示。中軸線橫橋向橢圓曲線方程為，圓曲線方程為（X+377.4675）2+（55.1-Z）2=4002，分界點位于Z=50 m處；中軸線順橋向橢圓曲線方程為1，圓曲線方程為（Y+138.0104）2+（33.5-Z）2=1502，分界點位于Z=37.5 m 處；從Z=100 m 處向下為直線段，沿空間曲線末端切線方向向下延伸。橋塔坐標(biāo)系原點位于中軸線頂端，Z 軸正方向鉛錘向下。

圖3 橋塔總體結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

塔柱采用變高度單箱七室矩形截面，橫橋向?qū)挾葹?50 cm，順橋向?qū)挾葟乃字了斢?042 cm漸變至500 cm，截面四角均以65 cm×65 cm 倒角以改善結(jié)構(gòu)的氣動性能。塔柱內(nèi)部沿高度方向通常設(shè)置有2 道縱向和4 道橫向內(nèi)腹板，壁板及內(nèi)腹板上均設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)間距為80 cm 的豎向板式肋加勁，截面形式見圖4 所示。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性、提高抗扭剛度，沿塔柱軸線每隔約2.5 m 設(shè)有一道橫隔板，除錨索區(qū)中間箱室內(nèi)的橫隔板水平設(shè)置外，其余均沿塔柱軸線的法向平面設(shè)置。

圖4 塔柱橫截面圖（單位：cm）

橋塔主體結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)為Q345qD，壁板與內(nèi)腹板厚度根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀況確定，板厚為24～50 mm。為便于斜拉索在塔柱中間箱室內(nèi)錨固，降低橋塔的制造及安裝難度，塔柱在塔底至錨索區(qū)范圍內(nèi)只彎曲但不扭轉(zhuǎn)，在錨索區(qū)以上至塔頂范圍內(nèi)既彎曲且扭轉(zhuǎn)。

2.2 塔底錨固構(gòu)造

在由塔柱縱向彎曲引起索力偏心距增大，以及上、下游側(cè)索力不對稱等因素的共同影響下，塔底彎矩和拉應(yīng)力均相對較大，因此除了承臺頂面的鋼—混結(jié)合段外，還在承臺內(nèi)設(shè)置了鋼底座以加強(qiáng)鋼塔的錨固，見圖5 所示。

圖5 塔底錨固構(gòu)造圖（單位：m）

鋼底座頂面位于承臺頂面以下0.7 m 處，豎向高度為4.6 m，頂、底部分別設(shè)有厚度為50 mm 和36 mm的水平承壓板，承壓板間布置有縱橫交錯的豎向肋板，位置與底節(jié)段塔柱壁板、內(nèi)腹板及豎向加勁肋對應(yīng)。豎向肋板上間隔開有φ60 mm 的圓形過筋孔，孔洞中的混凝土榫與貫穿鋼筋一起形成PBL 剪力鍵，在PBL 剪力鍵間隙處還補(bǔ)充設(shè)置了φ22 mm 剪力釘作為輔助傳力元件，共同承擔(dān)鋼塔柱與混凝土承臺間力的傳遞。底座豎向肋板采用加大尺寸的設(shè)計，增大了鋼與混凝土的接觸面積，以便布置足夠數(shù)量的傳剪件。

鋼塔底節(jié)段與鋼底座之間采用全熔透角焊縫連接，貫穿混凝土塔座并與之形成鋼—混結(jié)合段。結(jié)合段內(nèi)的鋼塔壁板和內(nèi)腹板上同樣設(shè)置有PBL 剪力鍵和剪力釘，以滿足鋼與混凝土之間的傳力需求[2]。為避免塔座及承臺混凝土在極端工況下受拉開裂，沿塔壁四周順?biāo)S線方向還布置有φ32 mm 的精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，兩端分別錨固于塔座頂面和承臺底面。

鋼底座作為鋼塔的主要錨固件，其豎向肋板上布置的傳剪件是傳遞荷載的主要構(gòu)件，頂、底部的承壓板和塔座鋼—混結(jié)合段作為強(qiáng)度儲備可進(jìn)一步提高錨固的可靠性。此外，結(jié)合段外層混凝土還可避免浪濺區(qū)干濕交替效應(yīng)對鋼塔造成加速腐蝕，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.3 塔梁固結(jié)段構(gòu)造

為了提高整體豎向剛度，主橋采用了塔、梁、墩固結(jié)的剛構(gòu)體系。但由于上、下游塔柱與主梁相接處縱向不在同一位置，若在塔梁固結(jié)處設(shè)置斜交橫梁，一方面會加劇主梁結(jié)構(gòu)在不對稱索力作用下的彎扭耦合效應(yīng)，另一方面會破壞鋼箱梁內(nèi)部正交異性結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與規(guī)律性，影響鋼箱梁在荷載作用下內(nèi)力與變形的分布規(guī)律，同時還會造成鋼箱梁頂板局部剛度分布不均勻，影響橋面鋪裝的耐久度。因此，采用在塔區(qū)范圍的鋼箱梁內(nèi)增設(shè)多道正交隔板的方式，加強(qiáng)梁體內(nèi)部縱、橫向聯(lián)系，大幅提高其整體性和剛度，從而保證固結(jié)區(qū)內(nèi)力傳遞與分配的均勻性，避免了設(shè)置斜交橫梁。

塔區(qū)縱向長度為24 m 的鋼箱梁劃分為2 個12 m長的節(jié)段，各自分別與一側(cè)塔柱連接，每個鋼箱梁節(jié)段內(nèi)均設(shè)置有9 道橫隔板和5 道縱隔板，其中有4道實腹式橫隔板和3 道空腹式橫隔板連同頂、底板一起延伸至內(nèi)側(cè)塔壁，并與塔柱全熔透焊接。固結(jié)區(qū)塔柱結(jié)構(gòu)也相應(yīng)進(jìn)行了加強(qiáng)，內(nèi)部增設(shè)5 道豎向隔板和2 道水平隔板，位置分別與鋼箱梁橫隔板，以及頂、底板對應(yīng)。塔梁固結(jié)段平面布置見圖6 所示。

圖6 塔梁固結(jié)段平面布置圖（單位：m）

2.4 斜拉索錨固區(qū)

斜拉索錨固區(qū)位于橋塔中上部分，總高度范圍約42 m，每側(cè)塔柱內(nèi)各設(shè)置有15 對鋼錨箱，高度方向間距均為3 m。鋼錨箱安裝在橋塔的2 道縱向內(nèi)腹板之間，由主錨板、承壓板（含承壓加勁肋，下同）、蓋板、錨墊板及索導(dǎo)管等構(gòu)件組成，蓋板所在平面垂直于斜拉索中心線，承壓板和主錨板均與蓋板垂直，見圖7 所示。

圖7 斜拉索錨箱構(gòu)造圖

由于斜拉索索力經(jīng)由承壓板和主錨板傳遞至順橋向內(nèi)腹板，并通過內(nèi)腹板最終傳遞給橋塔，因而錨索區(qū)內(nèi)腹板在承受橋塔豎向力的同時還需承受由兩側(cè)斜拉索水平分力引起的拉力，以及由不平衡索力產(chǎn)生的剪力[3]。這一點在確定該區(qū)域內(nèi)腹板厚度時應(yīng)予以考慮。

2.5 橋塔穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步研究這種空間彎扭曲線橋塔的結(jié)構(gòu)受力特性并較為準(zhǔn)確地判定其穩(wěn)定性能，對橋塔分別建立了桿系單元和板殼單元的ANSYS 有限元模型進(jìn)行數(shù)值仿真計算。在空間桿系單元模型中，斜拉橋主梁采用Beam4 單元模擬成魚骨刺模型，斜拉索采用Link10 單元模擬并施加初始張拉力，橋塔采用Beam188 單元進(jìn)行模擬；在空間板殼單元模型中，主梁及斜拉索采用與空間桿系單元模型同樣的方式模擬，橋塔則采用Shell143 單元進(jìn)行模擬，建模時還詳細(xì)模擬了橋塔的內(nèi)部構(gòu)造，壁板、內(nèi)腹板、加勁肋，以及橫隔板等構(gòu)件的布置均與實際結(jié)構(gòu)保持一致[4]。

基于所建立的空間模型對橋塔在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到其失穩(wěn)臨界荷載Pcr和對應(yīng)的屈曲特征值λ（即穩(wěn)定安全系數(shù)）。需要說明的是，這里豎向荷載包含結(jié)構(gòu)自身的恒載W 與汽車荷載F，Pcr即為λ 倍的恒載與汽車荷載之和，可表達(dá)為：λ=Pcr/（W+F）。

由空間桿系單元模型算得橋塔理想彈性狀態(tài)下的第一類穩(wěn)定最小特征值為94.51，在考慮材料、幾何雙重非線性，以及結(jié)構(gòu)初始缺陷影響的前提下，第二類穩(wěn)定最小特征值為19.89，表現(xiàn)為斜拉索錨固區(qū)域位的塔柱截面形心處位移較其他位置明顯增大；由空間板殼單元模型算得的第一類穩(wěn)定最小特征值為25.15，第二類穩(wěn)定最小特征值為12.90，兩類失穩(wěn)模態(tài)均表現(xiàn)為局部屈曲，分別位于斜拉索錨固區(qū)中部的外壁板和內(nèi)部拉索處的腹板、橫隔板及加勁肋。計算表明，在計入雙重非線性因素的影響并考慮可發(fā)生局部失穩(wěn)的計算模式下，橋塔的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為12.90，滿足《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3365-01）的規(guī)定且具有較高的安全度。

3 橋塔施工

3.1 吊裝方案與節(jié)段劃分

橋塔采用龍門架吊裝，在確定橋塔吊裝方案時主要對塔吊、浮吊和門架吊裝等幾種常用方式進(jìn)行了比選。由于橋塔空間線形復(fù)雜并且對安裝精度要求極高，普通塔吊難以適應(yīng)，安全風(fēng)險較大，再加上控制和調(diào)整構(gòu)件空中姿態(tài)需增設(shè)多項附屬設(shè)備，則其結(jié)構(gòu)將更為復(fù)雜且成本高昂；若采用大噸位浮吊，雖安全風(fēng)險較小，但安裝精度難以保證，并且由于塔、梁同步架設(shè)，主梁頂推過塔后需采用兩臺浮吊進(jìn)行吊裝，成本較高；而龍門架能很好地適應(yīng)橋塔的線形要求，并可將提升系統(tǒng)設(shè)為四吊點吊裝且能獨立調(diào)整單個吊點的位置，塔節(jié)段空中對位姿態(tài)調(diào)整速度快、精度高，且經(jīng)濟(jì)性較好，相對于其他方案具有較大的優(yōu)勢。

根據(jù)擬定的吊裝方案和設(shè)備起重能力，將橋塔劃分為T1～T14 等14 個類型共27 個制作段，節(jié)段長度為7.1～13.9 m 不等，最大節(jié)段重量為206 t。各節(jié)段分界面均為塔柱軸線的法向平面,見圖3 所示。

3.2 節(jié)段制造

塔柱節(jié)段內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，需根據(jù)各類鋼板的最大軋制寬度及結(jié)構(gòu)尺寸有針對性地對各節(jié)段進(jìn)行板單元劃分，并按盡可能減少焊接變形的原則將節(jié)段劃分為壁板單元、腹板單元、隔板單元、錨箱單元等，各單元件獨立加工后在胎架上組拼焊接成完整節(jié)段[5]。

在節(jié)段制造中，難度最大的是橋塔頂部T13、T14 節(jié)段彎扭區(qū)壁板單元的制作和斜拉索錨箱單元的組裝。頂部壁板單元彎扭程度較大，制作時，先采用800 t 壓力機(jī)對板件進(jìn)行彎扭加工，并采用活絡(luò)樣板隨時檢查，待板件彎扭成型后將其置于預(yù)先設(shè)置好并經(jīng)精確測量的仿形胎架上進(jìn)行火焰矯正，使之與胎架密貼后組焊加勁肋，然后進(jìn)行二次矯正至完全附胎，以確保單元件成型精確。為保證斜拉索錨箱的安裝精度，在組裝前，需對錨箱定位線的位置及角度進(jìn)行檢查并修正；在組裝過程中，待索導(dǎo)管端頭與錨箱蓋板密貼且其中心與蓋板、錨墊板上的孔同心時，檢查索導(dǎo)管出塔端中心點坐標(biāo)，其坐標(biāo)值與設(shè)計坐標(biāo)值誤差不得大于2 mm，否則須在保證蓋板側(cè)索導(dǎo)管中心與蓋板、錨墊板孔中心重合的基礎(chǔ)上對索導(dǎo)管進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到上述要求；組裝后，采用全站儀測量錨固點坐標(biāo)，其坐標(biāo)值在容許偏差范圍內(nèi)方可認(rèn)定合格。

3.3 節(jié)段匹配與試拼裝

塔柱節(jié)段組拼焊接完成后，需與相鄰節(jié)段進(jìn)行匹配。在無約束狀態(tài)下，以相鄰節(jié)段基準(zhǔn)端基線為依據(jù)在配切端進(jìn)行長度配切。塔柱節(jié)段采取2 節(jié)段立位與5 節(jié)段水平位置的試拼裝，水平位置試拼裝在胎架上進(jìn)行，各節(jié)段均處于無應(yīng)力狀態(tài)。

3.4 節(jié)段吊裝對位

每個塔柱節(jié)段上均設(shè)置有4 個吊點，對應(yīng)于龍門架上的4 臺提升千斤頂，千斤頂上、下共有3 道錨固裝置，防止極端情況下塔柱下落。吊索采用10-φ15.24 鋼絞線，每吊裝4 個節(jié)段更換一次，龍門架及支架鋼管立柱處均安裝有應(yīng)力、位移、風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)控系統(tǒng)，對吊裝過程全程跟蹤監(jiān)測，確保施工安全。

塔柱節(jié)段吊裝對位流程如圖8 所示。起吊前為平位姿態(tài)（圖8a），此時兩個A 類吊點在重心之下，兩個B 類吊點在重心之上，首先將節(jié)段整體提升至合適高度，平移就位后提升A 類吊點，B 類吊點不動，翻轉(zhuǎn)節(jié)段至立位姿態(tài)（圖8b），此時所有吊點的吊具均旋轉(zhuǎn)至節(jié)段長邊方向，然后調(diào)整同側(cè)的一個A類吊點和一個B 類吊點，另一側(cè)A、B 類吊點均不動，將節(jié)段調(diào)整至對位姿態(tài)（圖8c）。將節(jié)段下落段至已拼節(jié)段上口的限位板處后采用千斤頂進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整至準(zhǔn)確位置后焊接限位板將其固定。

圖8 節(jié)段吊裝對位流程示意圖

為了提高安裝精度，節(jié)段對位時間選擇在清晨或傍晚氣溫較低且相對穩(wěn)定的時候。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，塔柱節(jié)段X、Y、Z 軸3 個方向的累積誤差均不超過12 mm，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4 結(jié)語

柳州白沙大橋主橋采用跨徑布置為（200+200）m的雙索面獨塔斜拉橋，橋塔為反對稱的空間彎扭曲線形鋼塔，設(shè)計與施工難度均較大。根據(jù)橋塔結(jié)構(gòu)形式及受力特性，在承臺內(nèi)設(shè)置鋼底座并將鋼塔與底座相連，與塔座鋼—混結(jié)合段共同承擔(dān)較大的塔底彎矩，提高了塔底錨固的安全性；通過加強(qiáng)塔、梁固結(jié)區(qū)主梁的剛性，在不設(shè)置斜交橫梁的情況下實現(xiàn)了塔柱與主梁兩側(cè)在不同位置處固結(jié)；通過建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值仿真計算，明確了橋塔的失穩(wěn)模態(tài)、屈曲部位，以及穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)橋塔的工程技術(shù)特點，選擇了龍門架吊裝的總體施工方案，采取有效措施確保塔柱節(jié)段，特別是彎扭區(qū)和斜拉索錨箱等重難點部位的制造精度，并按照預(yù)先制定的節(jié)段吊裝拼接流程進(jìn)行施工，取得了良好的預(yù)期效果。