空间流线形提篮拱钢主塔合龙位移分析

杨仁恒

（中铁大桥局集团第六工程有限公司，武汉 430000）

1 引言

拱形钢桥塔由于造型优美、绿色环保而被广泛采用。 延崇高速公路是2022 年北京—张家口冬奥会中连接延庆赛区和张家口赛区的主要公路通道。 杏林堡大桥为延崇高速上的节点桥梁工程，位于张家口市怀来县王家楼乡杏林堡村东北，属于怀来北互通立交工程范围。 其钢主塔采用空间流线形提篮拱形桥塔形式，拱形钢桥塔的变形是施工中考虑的关键问题，其中，自重和温度荷载作用下的变形尤为重要。

本文结合工程实际， 详细建立了钢桥塔上塔柱的有限元仿真模型， 研究分析了主塔各合龙口合龙前悬臂状态下在结构自重和温度作用下的位移情况[1]，为主塔合龙施工的方案设计提出了指导性意见。

2 工程概况

延崇高速杏林堡大桥上部结构采用钢独塔钢主梁双索面斜拉桥的塔梁固结形式。因地制宜设置的两座桥塔，以“无限之环”的理念，造型动感，寓意冬奥之门。主塔为空间流线形钢拱塔，且与主梁固结，固结范围为单个拱脚顺桥向又分成两肢，即拱肋中下部范围内有四肢，采用矩形截面，上塔柱高38 m，塔壁厚采用20 mm 厚钢板，沿竖向间隔2.5～3 m 设置一道横隔板，横隔板采用16 mm 钢板。 塔壁设置纵向加劲板肋，纵向加劲板肋在横隔板处穿过所设的“V”形过焊孔不与隔板连接。

上塔柱沿竖向分为12 个节段，塔柱安装时由下至上分段安装，在节段B、D 各留一道合龙口，安装过程中分别在桥塔节段E、C 内侧设置第一道 （纵桥向为对撑A1， 横桥向为对撑A2）、第二道对撑结构以便进行合龙口位移的调节[2]。主塔安装布置如图1 所示。

图1 钢主塔布置图（单位：mm）

下塔柱采用矩形截面拱，高度11.5 m，从承台顶面至塔节梁底分别由钢筋混凝土桥塔基座、钢混结合段（内填充C40 自密实混凝土）、F 节段（钢箱节段）及塔梁连接段组成。

3 计算模型及计算工况

3.1 模型建立

采用有限元软件建立钢桥塔上塔柱整体计算模型。 考虑的荷载包括结构自重、温度荷载及对撑荷载。 建立模型如图2所示。

图2 上塔柱整体计算模型

3.2 计算工况

根据施工工序和受力情况， 分5 种工况对上塔柱合龙口进行计算分析。

工况一：自重；

工况二：自重+系统升温20 ℃；

工况三：自重+系统降温20 ℃；

工况四：自重+50 kN（5 t）对撑力（第一道对撑A1）+50 kN（5 t）对撑力（第一道对撑A2）；

工况五：自重+50 kN（5 t）对撑力（第二道对撑）。

4 计算结果及位移分析

通过各工况下的荷载作用， 计算出了主塔各合龙口的水平位移结果，并对位移情况进行了对比分析，为采取合龙辅助措施提供依据。

4.1 合龙口各工况位移

塔柱节段D 和节段B 合龙口水平位移计算结果见表1。

表1 各合龙口相对水平位

对比分析各工况计算结果可知，在结构自重作用下，节段D 合龙口相对水平位移纵桥向为6.6 mm， 横桥向为3.6 mm，节段B 合龙口相对水平位移为15.0 mm； 系统升温20 ℃后，节段D 合龙口相对水平位移纵桥向增加0.6 mm，横桥向增加0.8 mm，节段B 合龙口相对水平位移增加1.0 mm。 系统降温20 ℃后，节段D 合龙口纵、横桥向相对水平位移均减小0.7 mm，节段B 合龙口相对水平位移减小1.0 mm。

综上分析可知， 空间流线形提篮拱形钢主塔合龙口在结构自重作用下的相对位移较大， 系统温度变化导致合龙口相对位移变化较小，合龙口位移则由结构自重工况控制，在施工过程中需要采取辅助措施进行合龙口姿态的调整[3]，以有利于主塔顺利合龙。

4.2 各合龙口辅助措施分析

在设计温度下， 为保证节段D 和节段B 拼接面处顺利合龙，合龙口两侧相对位移应调整至0，进而需要施加对撑结构以调整合龙口相对位移。 根据工况四和工况五时的合龙口水平位移计算结果，反复调试对撑力可知，各道对撑结构的对撑力按照表2 所示数值进行加载时， 合龙口两侧相对位移可达到合龙精度要求。

表2 对撑结构对撑力设计参考值

4.3 辅助措施设计

根据节段上端中线定位的测量结果通过设置调整节段的方式，对钢塔整体线形进行控制，调整节段根据实际安装轴线偏移情况进行加工， 也可以将调整节段设计成焊接方式通过现场调节，进行整体轴线调整。

钢塔节段竖向及水平调节装置主要用于钢塔调整节段，微调装置由水平方向调节千斤顶、 竖向调节丝杆和竖向千斤顶组成。

1）在已安装节段钢塔上安装微调系统。

2）吊钢塔至拼装位上方，用缆风绳拉钢塔对位，缓慢下落，利用匹配件对钢塔实行粗定位。

3）用微调装置进行调整，使接口完全对正。

钢塔在起吊安装前，先安装好钢塔本体环缝焊接平台（临时焊接平台由∠10 mm 角钢组成，钢塔节段的顶层钻孔，将平台支架用φ20 mm 螺栓栓接其上），钢塔起吊后，在已经安装完成的钢塔焊接平台上进行钢塔之间的匹配连接。 钢塔匹配定位好后，进行连接高强螺栓的安装并进行初拧，紧接着将钢主塔焊接成整体和高强螺栓的终拧， 高强螺栓采用力矩扳手拧紧，拧紧力矩必须符合设计要求（见图3）。

图3 杏林堡大桥桥塔施工

5 结语

钢主塔对接合龙对施工精度要求较高，合龙口位移受综合因素的影响需采取辅助措施提高合龙精度[4]。 计算结果表明：

1）空间流线形提篮拱形钢桥塔各合龙口在结构自重作用下均发生较大程度水平变形，受自重影响较大，对主塔合龙对接产生重要影响，主塔合龙时需予以重视[5]；

2）主塔合龙口在温度作用下产生较小位移，但对主塔合龙精度产生影响，合龙对接时需考虑在设计温度下进行合龙对接；

3）主塔各合龙节段在合龙前采取设置对撑结构的辅助措施，可减少结构自重和温度作用下的位移影响，进而提高合龙精度。

杏林堡大桥钢塔合龙施工对位精度高、速度快、线形符合规范及设计要求， 对类似空间类型桥塔合龙施工具有良好的借鉴意义。