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(tuán)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(huì)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?yàn)檠映绺咚偕系墓?jié)點(diǎn)橋梁工程，位于張家口市懷來(lái)縣王家樓鄉(xiāng)杏林堡村東北，屬于懷來(lái)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(wèn)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(shí)際， 詳細(xì)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(jì)提出了指導(dǎo)性意見(jiàn)。

2 工程概況

延崇高速杏林堡大橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼獨(dú)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(wú)限之環(huán)”的理念，造型動(dòng)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(gè)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(guò)所設(shè)的“V”形過(guò)焊孔不與隔板連接。

上塔柱沿豎向分為12 個(gè)節(jié)段，塔柱安裝時(shí)由下至上分段安裝，在節(jié)段B、D 各留一道合龍口，安裝過(guò)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?yàn)閷?duì)撐A1， 橫橋向?yàn)閷?duì)撐A2）、第二道對(duì)撐結(jié)構(gòu)以便進(jìn)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(tái)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(shí)混凝土）、F 節(jié)段（鋼箱節(jié)段）及塔梁連接段組成。

3 計(jì)算模型及計(jì)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(jì)算模型。 考慮的荷載包括結(jié)構(gòu)自重、溫度荷載及對(duì)撐荷載。 建立模型如圖2所示。

圖2 上塔柱整體計(jì)算模型

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)施工工序和受力情況， 分5 種工況對(duì)上塔柱合龍口進(jìn)行計(jì)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(duì)撐力（第一道對(duì)撐A1）+50 kN（5 t）對(duì)撐力（第一道對(duì)撐A2）；

工況五：自重+50 kN（5 t）對(duì)撐力（第二道對(duì)撐）。

4 計(jì)算結(jié)果及位移分析

通過(guò)各工況下的荷載作用， 計(jì)算出了主塔各合龍口的水平位移結(jié)果，并對(duì)位移情況進(jìn)行了對(duì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各合龍口相對(duì)水平位

對(duì)比分析各工況計(jì)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(duì)水平位移縱橋向?yàn)?.6 mm， 橫橋向?yàn)?.6 mm，節(jié)段B 合龍口相對(duì)水平位移為15.0 mm； 系統(tǒng)升溫20 ℃后，節(jié)段D 合龍口相對(duì)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(duì)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(duì)水平位移均減小0.7 mm，節(jié)段B 合龍口相對(duì)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(duì)位移較大， 系統(tǒng)溫度變化導(dǎo)致合龍口相對(duì)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(guò)程中需要采取輔助措施進(jìn)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(jì)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(duì)位移應(yīng)調(diào)整至0，進(jìn)而需要施加對(duì)撐結(jié)構(gòu)以調(diào)整合龍口相對(duì)位移。 根據(jù)工況四和工況五時(shí)的合龍口水平位移計(jì)算結(jié)果，反復(fù)調(diào)試對(duì)撐力可知，各道對(duì)撐結(jié)構(gòu)的對(duì)撐力按照表2 所示數(shù)值進(jìn)行加載時(shí)， 合龍口兩側(cè)相對(duì)位移可達(dá)到合龍精度要求。

表2 對(duì)撐結(jié)構(gòu)對(duì)撐力設(shè)計(jì)參考值

4.3 輔助措施設(shè)計(jì)

根據(jù)節(jié)段上端中線定位的測(cè)量結(jié)果通過(guò)設(shè)置調(diào)整節(jié)段的方式，對(duì)鋼塔整體線形進(jìn)行控制，調(diào)整節(jié)段根據(jù)實(shí)際安裝軸線偏移情況進(jìn)行加工， 也可以將調(diào)整節(jié)段設(shè)計(jì)成焊接方式通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，進(jìn)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(fēng)繩拉鋼塔對(duì)位，緩慢下落，利用匹配件對(duì)鋼塔實(shí)行粗定位。

3）用微調(diào)裝置進(jìn)行調(diào)整，使接口完全對(duì)正。

鋼塔在起吊安裝前，先安裝好鋼塔本體環(huán)縫焊接平臺(tái)（臨時(shí)焊接平臺(tái)由∠10 mm 角鋼組成，鋼塔節(jié)段的頂層鉆孔，將平臺(tái)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(tái)上進(jìn)行鋼塔之間的匹配連接。 鋼塔匹配定位好后，進(jìn)行連接高強(qiáng)螺栓的安裝并進(jìn)行初擰，緊接著將鋼主塔焊接成整體和高強(qiáng)螺栓的終擰， 高強(qiáng)螺栓采用力矩扳手?jǐn)Q緊，擰緊力矩必須符合設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖3）。

圖3 杏林堡大橋橋塔施工

5 結(jié)語(yǔ)

鋼主塔對(duì)接合龍對(duì)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(jì)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(duì)主塔合龍對(duì)接產(chǎn)生重要影響，主塔合龍時(shí)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(duì)主塔合龍精度產(chǎn)生影響，合龍對(duì)接時(shí)需考慮在設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行合龍對(duì)接；

3）主塔各合龍節(jié)段在合龍前采取設(shè)置對(duì)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(jìn)而提高合龍精度。

杏林堡大橋鋼塔合龍施工對(duì)位精度高、速度快、線形符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求， 對(duì)類似空間類型橋塔合龍施工具有良好的借鑒意義。