大吨位异形钢桥塔施工支架设计研究

张文学 苏黎君 汪志斌 贾建兴

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

近些年，我国大跨径桥梁建设飞速发展，异形桥塔结构越来越多地出现在实际工程中［1-2］。大吨位桥塔的施工对临时支架的要求高，给桥塔支架施工带来了很大的挑战。桥塔施工是大跨度桥梁施工的关键技术之一，有必要对其支架施工技术及方案进行研究。桥塔主要施工方式包括分节段施工安装和整体竖转2种，前者分为有支架施工、无支架施工。不同的施工方案对施工质量、施工安全、施工周期以及成本都有影响。泰州长江公路大桥主塔下横梁采用支架法与塔柱异步施工，通过安装主动横向水平支撑调整了钢塔横向线形及内力［3］；武汉二七长江大桥主塔横梁采用满堂支架法施工，上塔柱采用塔梁同步施工技术［4］；南京青奥公园步行桥钢塔采用支架法施工，通过浮吊吊装钢塔节段，利用钢塔支架支撑钢塔节段［5］。江西景德镇白鹭大桥主塔采用整体扳起法竖向转体施工方案［6-7］；东苕溪大桥拱形斜钢塔采用在平面位置拼装、整体对拉的竖转施工方案［8-9］。桥塔施工方案需结合工程实际情况考虑不同的因素，从而采取最合理的施工方案。

本文以新首钢大桥为背景对桥塔施工支架方案进行对比分析和优化设计，以保证施工过程中支架的安全性、稳定性，探讨桥塔线形控制方案，并系统分析支架设计细节构造等问题。

1 工程概况及重难点分析

1.1 工程概况

新首钢大桥是长安街西延道路工程中的控制性工程，横跨西六环高速路、永定河以及丰沙铁路，建成后将成为京西地标性建筑，结构设计寓意为“和力之门”，体现了自然环境和人文环境的结合，也展现了北京的活力和长安街的底蕴。主桥为双塔斜拉钢构桥，长639 m，主跨跨径280 m，设计使用年限100 年。该桥为北京地区最大跨径桥，也是国内最宽（54.9 m）、拱形钢塔最高（128 m）的斜拉桥，其效果图见图1。

图1 新首钢大桥效果图

斜拉桥高塔高128 m，高塔南侧塔肢倾斜71°，北侧塔肢倾斜61°，高塔总用钢量为9 817.4 t。矮塔高78.5 m，南侧塔肢倾斜74°，北侧塔肢倾斜58°，矮塔总用钢量为5 770 t。桥塔两塔肢前后错步25 m，全桥各类钢材用量合计4.3 万t。工程具有规模大、结构形式复杂、节点构造复杂、加工制作精度要求高、运输吊装能力要求高、焊接技术要求高、测量测控精度要求高等特点，从加工制作到运输安装都极具挑战性。

1.2 重难点分析

新首钢大桥拱形高塔具有大吨位、超异形的特点。高塔总高128 m，整体为变截面空间扭曲结构，总用钢量达9 800 t 以上，施工过程中结构所受荷载、变形均存在不对称性，桥塔节段施工线形控制难度较大。节段轴心偏差要求不大于1/（4 000H）（H为索塔总高度），高程偏差要求不大于2Nmm（N为节段数），附加应力要求不超过8 MPa。高塔支架搭设高度为130 m，要求支架和桥塔协同变形，高空支架安装及变形检测难度大。

2 高塔支架方案比选

高塔分为南北塔肢各15 个节段以及1 个合龙段，节段最大质量为700 t，高塔施工过程中节段安装位置越高，结构线形越难控制。高塔节段划分如图2所示。本文设计了4种支架方案进行对比分析（表1），以确定最合理的方案。桥塔支架方案模型见图3。

图2 高塔节段划分

表1 支架方案对比

图3 桥塔支架方案模型

由于高塔节段吨位大，结构倾斜，如果通过塔吊吊装、斜拉索分段张拉调整桥塔线形，施工难度会增大，成本高。装配式满堂支架与桥塔连接位置多，造成支架受力不明确，不利于节段施工拼装，且满堂支架的稳定性难以保证。通过综合比对分析可知，方案1和方案2不适用于高塔施工，本文对方案3和方案4进一步分析，以确定最优支架方案。

3 格构式支架与全封闭式支架比选

格构式支架和全封闭式支架均采用Q345 钢材，立柱均采用φ810×12 mm 的直缝埋弧焊钢管，支架横撑、斜撑采用φ530×10 mm 的钢管。立柱节间高度1 200 cm，立柱间距300～1 000 cm。立柱之间采用等强对接熔透焊接，立柱与横撑、斜撑之间采用相贯焊接。整个支架结构共设置12排钢管立柱，立柱顶部位于对应高塔节段下底面向下约150 cm 处，立柱顶部与高塔通过牛腿连接。高塔北塔肢支架分别设置在GTN6，GTN8，GTN10，GTN12，GTN14 和GTN15 节段的水平投影位置。在GTN6 节段设置2 个立柱；GTN8 和GTN10 节段设置4 个立柱形成格构柱；GTN12 节段设置2 个立柱；GTN14 节段设置3 个立柱形成格构柱。高塔南塔肢支架分别设置在GTS8，GTS10，GTS12，GTS14，GTS15 和HLD 节段的水平投影位置。GTS8 节段设置2个立柱；GTS10和GTS12节段设置4个立柱形成格构柱；GTS14 节段设置3 个立柱，HLD 节段设置3排8 个立柱，总共11 个立柱形成一个大格构柱，支架设计总用钢量为900 t。全封闭式支架在格构式支架的基础上，将所有的支架立柱通过横撑和斜撑连接，形成一个封闭的双层网壳结构，支架用钢量为1 200 t。2种支架方案整体布置见图4。

图4 支架方案整体布置

通过ANSYS 建立分析模型，高塔采用beam4 单元模拟，支架采用beam188 单元模拟。由于高塔南北塔肢底部前4 个节段截面尺寸和刚度较大，节段长度较短，建模时分别将南北塔肢的前4 个节段简化为1 个节段，并将高塔合龙段分成南北2 个节段。南北塔肢各13 个节段。主塔底部与支架立柱底部均采用固结方式连接；支架立柱顶部与高塔采用铰接方式连接，只约束y方向竖向自由度，释放z方向和x方向平动自由度及3 个方向的转动自由度。对桥塔-支架耦合模型进行整体升温、降温30 ℃，对比分析2 种支架结构在温度荷载作用下的内力情况。

3.1 结构整体升温30 ℃

塔肢合龙后对2 种桥塔-支架耦合模型整体升温30 ℃，2 种模型在温度荷载作用下支架立柱支反力分别见图5 和图6。可知：结构整体升温30 ℃后，全封闭式支架立柱支反力明显大于格构式钢管立柱支反力。全封闭式支架南塔肢立柱最大支反力为3 446 kN，发生在GTS12-S 立柱，北塔肢立柱最大支反力为2 443 kN，发生在GTN12-N 立柱；格构式支架南塔肢立柱最大支反力为2 377 kN，发生在GTS8-S 立柱；北塔肢立柱最大支反力为1 848 kN，发生在GTN12-N立柱。模型整体升温30 ℃后，格构式支架立柱总支反力增大3 900 kN，全封闭式支架总支反力增大4 150 kN。表明全封闭式支架受温度荷载的影响较大，在温度荷载作用下支架内力较大，立柱受力不均匀，降低了结构的安全性。

图5 格构式支架立柱支反力变化（升温30 ℃）

图6 全封闭式支架立柱支反力变化（升温30 ℃）

3.2 结构整体降温30 ℃

桥塔合龙后对2 种桥塔-支架耦合模型整体降温30 ℃，2 种模型在温度荷载作用下支架立柱支反力分别见图7 和图8。可知：结构整体降温30 ℃后，全封闭钢管支架立柱支反力与格构式钢管立柱支反力相差不大，全封闭支架立柱最大支反力为2 218 kN，格构式支架立柱最大支反力为2 056 kN，均发生在GTS12-S立柱。模型整体降温30 ℃后，全封闭式支架立柱总支反力减小2 005 kN，格构式支架立柱总支反力减小1 814 kN，表明全封闭式支架立柱受温度荷载影响较大。

图7 格构式支架立柱支反力变化（降温30 ℃）

图8 全封闭式支架立柱支反力变化（降温30 ℃）

值得注意的是，对于2 种桥塔-支架耦合模型，结构整体升温30 ℃后，支架立柱反力明显增大，降温30 ℃后支架立柱反力减小。这是因为在ANSYS 模型中支架立柱底部标高与塔底标高相差12.3 m，在温度荷载作用下支架立柱的伸缩量大于桥塔伸缩量，从而出现升温作用下“支架顶塔”、降温作用下“塔挂支架”的现象。

综上分析可知，全封闭式支架受温度荷载的影响较大，格构式支架方案在温度荷载作用下受力更加合理且施工方便，故不建议采用方案4，后文基于方案3进行分析。

4 桥塔施工方案分析

由于高塔节段重量大、空间扭曲，要使高塔施工满足1/（4 000H）的线形要求，必须采取合理的桥塔施工安装方案。通过对比分析，高塔节段安装采用反变形的施工方案，即通过有限元计算可得高塔安装完成后各节段上顶面相对设计线形的位移偏差，由此得到高塔每节段所需反变形的位移。对高塔节段进行逐段预拼装，使其每节段位于相应的反变形位置，格构式支架支撑钢塔节段，高塔支架施工现场见图9。施工过程中高塔节段竖向位移和纵向位移分别见图10和图11。可知，随着高塔节段的架设，各节段的预变形逐渐减小，塔肢合龙后节段位移偏差达到最小值，计算结果基本闭合，满足设计要求。

图9 高塔支架施工现场

图10 高塔节段竖向位移

图11 高塔节段纵向位移

对比分析高塔逐段施工安装与反变形2种施工方案，高塔合龙后节段竖向位移和纵向位移分别见图12和图13。可知，相比于高塔逐段施工安装方案，采用反变形方案后高塔节段位移偏差明显减小，竖向位移控制在10 mm 以内，纵向位移控制在13 mm 以内。由于横向位移很小，故忽略不计。高塔所有节段安装完成后整体线形满足设计要求。

图12 高塔合龙后节段竖向位移

图13 高塔合龙后节段纵向位移

5 设计细节

5.1 斜撑方向对立柱受力的影响

桥塔异形扭曲导致钢管支架结构形式不规则，对比分析斜撑不同方向的布置形式，发现支架斜撑布置方向对结构受力影响较大，合理的斜撑布置可以使支架立柱受力更加均匀，结构稳定性更高。

本文对荷载组合作用下2种斜撑布置方向的支架模型进行内力分析，荷载组合为恒载+10年一遇风载，整体升温和降温30 ℃。基于不同荷载组合，对桥塔-支架耦合模型进行分析得到支架每个立柱竖向支反力包络值。选取桥塔合龙节段位置格构支架，分析对比未优化斜撑布置方向模型（模型1）与优化斜撑布置方向模型（模型2），2 种模型见图14。模型1：每节段有3 个斜撑相贯于该立柱下部节点，有2 个连接斜撑相贯于HLD-E 立柱下部节点。模型2：对模型1 的支架斜撑布置方向进行调整优化，每节段只有1 个斜撑相贯于HLD-W 立柱下部节点，有2个连接斜撑相贯于HLD-E立柱上部节点。

图14 支架模型

2 种模型在荷载组合作用下立柱支反力见表2。可知，模型2中HLD-W 与HLD-E立柱支反力包络值比模型1 小，GTN15-S 与GTN15-N 立柱支反力包络值比模型1大，模型2支架整体受力更加均匀、合理。GTS15-N立柱竖向轴力增大的原因是模型2 中每节段有1 个斜撑相贯于下部节点，故会造成GTS15-N 立柱支反力增大。在实际支架施工中，应注意避免多个斜撑相贯于立柱同一节点，造成支架立柱受力不均匀。

表2 格构立柱支反力 kN

5.2 斜撑壁厚对立柱受力的影响

格构式支架结构主要受力构件为钢管立柱（主管），斜撑、横撑（支管）为辅助受力构件，增强支架结构的稳定性。主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应小于支管壁厚［10］，以防止主管在节点区发生局部屈服破坏［11］。基于格构式支架方案建立桥塔-支架耦合有限元模型，研究空间钢管相贯节点在荷载作用下的受力情况。支架选用shell63单元，桥塔选用beam4单元，支架立柱顶部与桥塔只约束y方向竖向自由度，释放z方向和x方向平动自由度及3 个方向的转动自由度。最不利荷载组合为恒载+50 年一遇风荷载。立柱尺寸为φ810×12 mm，横撑、斜撑为φ530×n（n为支管壁厚，分别为6，8，10，12 mm）。对受力最大的钢管相贯节点（图15）做局部分析，对比分析不同支管壁厚对主管受力的影响（图16）。可知，相贯节点处主管应力随着支管壁厚的增加而增大。

图15 钢管相贯节点

图16 主管主应力变化

相贯节点处主管等效应力云图见图17。可知：①支管与主管连接处存在应力集中现象，节点连接区局部应力超限，这是因为主管与支管通过相贯焊接，且多个支管集汇于主管同一节点，受力复杂。②由于主管径向刚度与轴向刚度相差较大，因此应力沿主管的轴向和环向分布很不均匀，相贯线处首先发生局部变形和局部应力集中［12］。支管壁越厚，其轴向刚度越大，在荷载组合作用下，受力较大的支管使主管在节点连接区应力急剧增大，甚至发生局部屈服进入塑性变形。③在支架设计中，应使支管的管径以及壁厚小于主管，支管在荷载组合作用下首先发生变形甚至屈服。为避免主管发生失稳，通过分析计算得到最合理管径，考虑结构极限受力状态，可以使主管强度等级高于支管强度等级。

图17 相贯节点处主管等效应力云图（单位：Pa）

5.3 高塔与支架连接方式

支架顶部与桥塔通过箱形牛腿连接，牛腿采用Q345B 钢板焊接，板厚30 mm。通过有限元分析桥塔施工过程发现，支架顶部与牛腿不同的连接方式对桥塔-支架整体结构在荷载组合（恒载+10 年一遇风载）作用下的内力和位移影响较大。建立3 种桥塔-支架耦合方式的有限元模型：①滑动连接，即支架顶部与牛腿通过滑动支座连接，不考虑水平摩擦力；②滑动连接，但是考虑支架立柱顶部与牛腿水平摩擦力，摩擦因数μ取0.02，水平摩擦力Fi=Ri μ（Ri为桥塔传到支架立柱的竖向力）；③铰接，即约束支架顶部与牛腿3个方向的平动自由度。

5.3.1 支架内力

分析桥塔施工全过程中桥塔-支架不同耦合方式下支架立柱支反力包络值，见图18。可知：采用第3种连接方式时，个别立柱支反力与另外2 种连接方式相差不大，其余支架立柱支反力比另外2 种连接方式整体偏小；采用第2种连接方式时支架内力最大。

图18 支架立柱支反力包络图

支架立柱支反力包络值见表3。可知：①采用第1 种连接方式时，南塔立柱最大支反力为4 382 kN，北塔立柱最大支反力为3 523 kN；②采用第2 种连接方式时，南塔立柱最大支反力为4 636 kN，北塔立柱最大支反力为3 819 kN；③采用第3 种连接方式时，南塔立柱最大支反力为2 930 kN，北塔立柱最大支反力为4 060 kN。

表3 支架立柱支反力包络值 kN

值得注意的是，考虑立柱顶部与牛腿水平摩擦的滑动连接时，需要对支架立柱顶部施加相应的水平摩擦力。这里讨论一种错误的分析方法：将ANSYS塔架整体模型在荷载组合作用下计算得到的支架立柱顶部最大竖向荷载乘以摩擦因数作为水平摩擦力，并施加在支架立柱各个顶点。考虑摩擦力沿东南西北方向作用的工况，分析荷载组合作用下支架立柱支反力包络值，最后计算结果很大。原因是这种方式给支架立柱施加了一个最大的水平推力，但支架立柱顶部与牛腿相对位移不一定发生在立柱顶部支反力最大时，与结构实际受力不符，在支架设计分析中应避免。

5.3.2 主塔位移

桥塔施工全过程中桥塔-支架不同耦合方式下主塔横向位移和纵向位移的包络图分别见图19和图20。可知：①采用第2种连接方式时，其主塔节段在荷载作用下位移最小；②采用第3种连接方式时，主塔节段位移整体偏大，这是因为支架在荷载组合作用下内力无法释放，造成主塔位移偏大。

图19 主塔横向位移包络图

图20 主塔纵向位移包络图

综上分析可知，考虑支架结构在施工过程中的安全性、经济性，同时为了避免支架顶部在荷载组合作用下由于偏心产生的次弯矩，建议支架顶部与高塔连接采用铰接方式进行简化处理。

6 结论

本文以新首钢大桥为背景工程，合理设计了斜拉桥桥塔施工方案和支架方案，研究了支架设计中一些细节问题对桥塔-支架整体结构的影响，得到以下结论：

1）高塔支架采用格构式支架方案，在温度荷载作用下该方案受力比较合理，便于支架施工安装时在地面进行预拼装，且用钢量小。

2）高塔采用反变形的施工方案，高塔合龙后竖向位移控制在10 mm以内，纵向位移控制在13 mm以内，整体节段满足设计线形要求。

3）格构式支架的斜撑布置方向对支架整体受力有较大影响，在钢管支架设计中应注意避免多个斜撑相贯于立柱同一节点，造成支架立柱受力不均匀。

4）钢管支架设计中，斜撑的管径、壁厚应小于立柱的管径、壁厚。极限状态下，应使斜撑先于立柱发生屈服，从而起到保护立柱的作用，防止结构发生整体失稳。

5）在分析模型中支架顶部与高塔连接采用铰接方式进行简化处理，在荷载组合作用下支架内力整体偏小，主塔位移整体偏大。该简化方式能较为准确地反映支架结构的受力情况，满足工程需求。