某钢管拱桥塔架施工技术分析

陈泳璋

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011)

0 引言

在众多钢管拱桥施工中，绝大多数采用无支架缆索吊装的施工方法进行施工。钢管拱桥的无支架缆索吊装施工时，为了适应地形变化，并保证主索吊有足够的工作高度，以便安装拱桥合拢阶段的拱肋段。而决定主索吊高度的高低，往往是由塔架的高度来控制的。

塔架的设计高度，往往受到桥梁地理位置、地形因素、桥梁跨度等诸多因素的影响。塔架的高度越高，塔架的受力就越不利，对塔架的稳定性要求就越高。不同拱桥的缆索吊装中，塔架的设计和施工都不尽相同。针对不同的钢管拱桥，设计专门的塔架是钢管拱桥缆索吊装的一项重要工作。

1 工程概况

马滩红水河特大桥缆索吊装系统塔架采用大型钢管搭设，竖向主承重管采用φ610×14 mm和φ610×16 mm钢管，立面斜杆采用φ203×6 mm钢管，水平横杆和斜杆采用φ159×5 mm钢管，塔顶主承重管间采用万能杆件连接、柱头采用钢管。立柱主管的横向间距均为4.9 m，纵向间距为4 m，竖向每个节间的高度为4 m。拱肋两肋中心间距23.9 m，考虑塔顶上一组索道(包括工作索)的索鞍平车在塔顶两侧占用约3 m，主索塔架顶宽采用69 m。

总体尺寸为：南(宁)岸塔架总高130.6 m，柳州(北)岸塔架总高138.6 m，两岸塔架横桥向总宽67.1 m，顺桥向塔底总宽4 m，塔顶总宽69 m。南(岸)塔架构造图如图1所示。

图1 塔架总体布置图

立柱主管每节长8 m，采用法兰盘连接。水平杆、水平斜杆及立面斜杆与竖向主管间用节点板连接。综合考虑实际地形地貌、现场布置情况及系统受力，本方案采用主扣合一的体系，扣索与承重主索共用塔架。

2 总体施工方案

塔架安装使用机械配合人工进行安装。首先在两岸塔架一侧分别安装1台C7036型塔吊和1台QTZ6015型塔吊，然后用塔吊进行竖杆钢管及横联等部件的安装。随着塔架高度的升高，塔吊也随之爬升，直至整个塔架安装结束。C7036型塔吊在臂端70 m处可起吊3.6 t，而塔架最重的杆件为立柱主管标准段2.067 t，塔吊起重能力满足要求。QTZ6015型塔吊在臂端30 m处可起吊2.1 t，起重能力满足要求。塔架的安装应认真进行，安装前应认真对各种杆件、节点板、填板、螺栓进行检查，防止有损伤或不合格的构件被用到塔架上。安装应严格按照设计进行，螺栓要按数量上足上紧，在吊装过程中，还需要定期检查。

采用C7036型塔吊，将塔架按8 m一段拼装好再起吊，最大吊重16 t，起吊距离10 m。在安装塔架中立柱时，起吊距离33 m，最大吊重10 t。

采用QTZ6015型塔吊安装塔架另一侧主立柱，将塔架按单根管组拼，最大吊重2.1 t，最大起吊距离33 m。

主桥施工顺序：基础施工→承台施工→塔吊安装与调试→标准段8 m钢管立柱安装→横杆与斜杆安装→边柱与中柱连接横撑安装→扣索段8 m钢管立柱安装→万能杆件安装→结束。塔架施工工艺流程如图2所示。

图2 塔架施工工艺流程图

3 塔架构造设计

马滩红水河特大桥缆索吊装系统塔架采用大型钢管搭设，两侧立柱从基础向上56 m高度区段竖向主承重管采用φ610×16 mm钢管，其余位置及扣索锚固段采用φ610×14 mm钢管，立面斜杆采用φ219×6 mm钢管，水平横杆和斜杆采用φ168×5 mm钢管，钢管材质为Q345B。立柱主管的横向间距为4.9 m，纵向间距为4 m，竖向每个节间的高度也为4 m。拱肋两肋中心间距23.9 m，主索塔架顶宽69 m，柳州(北)岸高度136.4 m(不计索鞍)，南(宁)岸高度128.4 m(不计索鞍)，采用3个立柱。立柱主管标准节每节长8 m，重2.067 t，采用法兰盘连接。水平杆、水平斜杆及立面斜杆与竖向主管间用节点板连接。塔架三维构造图如图3所示。

图3 塔架三维构造图

综合考虑实际地形地貌、现场布置情况及系统受力，本方案采用主扣合一的体系，扣索与承重主索共用塔架。柳州(北)岸主塔设置桩号为K1335+415.6，南(宁)岸主塔设置桩号为K1335+875.7。

塔架基础采用桩基础，桩基直径1.3 m，桩顶设承台。桩基进入中风化岩层，其配筋参照两岸桥台的桩基进行。承台上预埋塔架的地脚螺栓。

4 塔架缆风构造

塔架拼装阶段，需要适当地在塔架上设置塔架风缆，完成塔架架设之后，也应根据塔架高度和受力情况设置腰风缆和塔架顶风缆，以便于在架设过程和吊装阶段通过这些风缆调整塔架垂直度并增加塔架稳定性。本桥主塔架较高，因此两岸主塔架顺、横桥向两侧均需设顶风缆、腰风缆。架设工作索和主索之前，必须测量塔架垂直度并通过塔架风缆索调整塔架至最佳状态后方能进行缆索架设施工。塔架缆风绳纵桥向布置如图4所示。

图4 塔架缆风绳纵桥向布置图

吊塔沿纵桥向和横桥向分别设置缆风绳，纵桥向缆风绳用于平衡主索对塔架的不平衡水平力。由于主索前索与尾索夹角不一致，前索夹角小于尾索夹角，通常水平力是向前的。横桥向缆风绳用于平衡塔架横向偏载和索鞍横移而造成的水平力，由于主索地锚位置固定，而索鞍在塔顶横向移动，造成尾索与前索存在夹角，这样对塔架会产生横向力，如图5所示。

图5 塔架缆风绳横桥向布置图

缆风采用钢绞线，在塔架主管上焊接缆风锚固点连接板，缆风地锚上用型钢设置张拉锚固点，在地锚上张拉。塔架后缆风锚固到两岸扣地锚上，前缆风则锚固在拱座两侧预埋的连接板上。缆风及缆风地锚实体构造图如图6所示。

图6 缆风及缆风地锚实体构造图

5 塔架安装

塔架安装使用机械配合人工进行安装。首先在两岸塔架一侧分别安装1台C7036型塔吊和1台QTZ6015型塔吊，然后用塔吊进行竖杆钢管及横联等部件的安装。随着塔架高度的升高，塔吊也随之爬升，直至整个塔架安装结束。塔吊设两道附着，在塔吊55.06 m处设一道非紧固附着，在塔吊101.3 m处设一道紧固附着。C7036型塔吊在臂端50 m处可起吊5.9 t，而塔架最重的标准段吊装单元重量为5.749 6 t，塔吊起重能力满足要求；QTZ6015型塔吊在23.555 m处可起吊5.813 5 t，而塔架最重的标准段吊装单元重量为5.749 6 t，起重能力满足要求。塔架的安装应认真进行，安装前应认真对各种杆件、节点板、填板、螺栓进行检查，防止有损伤或不合格的构件被使用到塔架上。安装应严格按照设计进行，螺栓要按数量上足上紧，在吊装过程中，还需要定期检查。塔架施工步骤如下：

(1)在做好的基础承台上，安装第一个8 m标准节段钢管立柱。

(2)安装第一个8 m节段钢管立柱之间的水平杆、水平斜杆及立面斜杆。

(3)为确保塔架的偏位和稳定性，在第一个8 m标准节段安装完成后，在边立柱和中立柱之间安装临时横撑，增加塔架的刚度，待塔架稳定后再拆除。

(4)待塔架稳定后，拆除边立柱和中立柱之间的横撑，完成塔架第一个8 m节段的标准安装。

(5)重复前面的安装步骤，安装第二个8 m标准节段钢管立柱。

(6)依次安装钢管立柱，水平杆、水平斜杆及立面斜杆，直到安装完第6个8 m节段标准钢管立柱。

(7)为增加塔架的稳定性，在安装完第6个8 m节段标准钢管立柱后，在边立柱和中立柱之间安装永久横撑。

(8)接着安装第七个、八个、九个8 m标准节段钢管立柱以及立柱之间的水平杆、水平斜杆及立面斜杆，直到安装完塔架所有的标准节段。

(9)安装扣索段8 m节段钢管立柱以及水平杆、水平斜杆及立面斜杆，在安装完第一个扣索段8 m节段钢管立柱以及水平杆、水平斜杆及立面斜杆后，在扣索段边立柱和中立柱之间安装永久横撑。

(10)在安装完第四个扣索段8 m节段钢管立柱以及水平杆、水平斜杆及立面斜杆后，在扣索段边立柱和中立柱之间再安装永久横撑。

(11)接着安装后面第五个、六个8 m扣索段钢管立柱以及立柱之间的水平杆、水平斜杆及立面斜杆，直到扣索段塔架安装完成。

(12)安装塔顶万能杆件和塔顶轨道梁，完成钢塔架的所有安装。

6 缆风安装

6.1 临时缆风安装

在塔架搭设到50 m高度时，应拉设临时缆风，确保塔架的纵向稳定性。缆风采用φ28 mm钢丝绳，捆绑在主立管的节点处，用卡环固定。地面上设临时缆风地锚，挖坑用混凝土浇筑，≥5 m3。

6.2 永久缆风安装

当塔架安装至永久缆风位置时，应安装永久缆风。缆风每束为16根钢绞线，塔端为固定端，用圆P型锚具；张拉端在地锚上，用低应力防松脱锚具。塔顶两侧缆风为3层，塔顶中间立柱缆风为2层，塔腰缆风为1层，其余位置为预留的缆风固定端。

缆风索的初张力按每根钢绞线≥40 kN计，塔后为河岸方向，塔前为靠河方向，具体张力如表1所示：

表1 缆风索初张力控制表

7 塔架受力分析

塔架安装过程中，随着塔架的升高，塔机附着会对塔架产生作用力，通过计算机有限元计算法，将塔身和附着杆件建模，按8种工况进行计算，分别得到1道附着、2道附着、3道附着时，附着杆件对塔架的作用力。塔架受力分析计算模型如图7所示。

塔架安装过程中，塔架所受荷载作用有塔架自重、塔架所受风荷载、附着杆件对塔架的作用力，通过MIDAS软件对塔架建模，分析附着杆件对塔架的8种工况作用力下的塔架稳定性，荷载组合工况如表2所示：

表2 塔架分析荷载工况组合表

8种荷载组合作用下，经MIDAS进行屈曲分析后，相应的弹性稳定系数均大于工程中弹性稳定系数最小值4.0的要求。

图7 塔架受力分析计算模型图

8 结语

本工程对大桥南、北两岸的塔架设计与施工是成功的。通过各种有效的计算与分析，确保了桥梁缆索吊装系统塔架在使用期间的安全与稳定。塔架建造完成后，顺利实施了钢管拱桥各节段拱肋的安装，并保证有足够的精度和稳定性。在保证作业高度满足要求的前提下，还为各节段拱肋安装提供了一个安全临时锚固体系，使主桥拱肋安装得以顺利实施。现今主桥钢管拱全部节段已顺利安装。实践证明，大桥南、北两个塔架的施工方案切实可行，并在本工程拱肋安装中取得了良好实施效果，可为同类型工程提供参考借鉴。