空间异形钢塔钢箱梁斜拉桥钢索塔整体竖向转体施工计算要点

谢志军 魏方东 熊亚

摘要：以青海省西宁市西平大街空间异形钢塔钢箱梁斜拉桥为背景，重点介绍西平大街斜拉桥钢索塔整体竖向转体施工关键计算要点。

关键词：竖向转体法； 空间异形钢塔钢箱梁斜拉桥； 施工计算要点

中图分类号：U445.465文献标志码：A

0引言

将钢材应用于大跨度索结构桥梁增大了索结构的跨越能力并降低了桥梁自重。钢结构桥梁在西方及日本等发达国家的桥梁工程中已被广泛采用，但中国钢结构桥梁的占比却小于1%（截止2015年）［1］。其中一个制约钢结构应用于桥梁的因素是钢材的防腐难题，但近年来，随着钢材防腐技术的进步及2016年交通运输部《推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》［2］的发布，钢结构在桥梁上的应用得到了很大程度的进展。

目前，很多大跨度索结构桥梁的主塔也普遍采用钢结构，国内建成的马鞍山长江公路大桥、大榭二桥、港珠澳大桥、泰州长江公路大桥中塔、马鞍山长江公路大桥中塔、南京长江三桥索塔、杭州之江大桥索塔等均采用钢结构［4-6］。本文以青海省西宁市西平大街空间异形钢塔钢箱梁斜拉桥为背景，重点介绍西平大街斜拉桥竖向转体施工计算重点。

1钢索塔施工技术概述

钢结构桥梁的施工较多地采用无支架施工技术，包括悬臂拼装、顶推、转体等施工方法［3］。而钢索塔的施工技术主要分为分节段安装和整体安装两种方法。根据结构特点及施工条件，常用的钢索塔施工方法有：整体吊装法、高空分节段安装法和整体转体法等［6］。南京长江三桥作为我国特大桥钢索塔施工的首个施工案例，采用了节段拼装的方法施工钢索塔［7］。珠港澳大桥江海直达船航道桥3座风帆形钢塔均采用了浮吊整体安装（图1）［8］。

龙城大桥和中兴大桥钢索塔均采用竖转方法施工［9-10］。图2给出了中兴大桥钢索塔竖转施工布置。

由此可见，关于钢索塔的施工方法的选择没有统一的标准，需要综合考虑工程质量、安全、经济及施工现场环境等诸多因素，最终确定一个合理的施工方法及施工方案。

2工程概况

西平大街空间异形钢塔钢箱梁斜拉桥位于青海省西宁市。由于该桥梁为南川文化旅游商贸会展区重点基础设施，属于当地文化地标建筑，所以对桥梁造型的美观要求较高。本桥主塔采用了外观造型较为独特的多肢空间异形钢塔。主桥采用135 m+90 m空间双索面钢塔钢箱梁斜拉桥，桥梁总长为231 m，双向6车道。桥梁主跨主梁采用钢梁（两边箱），边跨主梁采用钢箱梁（配重），桥宽41～54.8 m。塔柱包括一根中塔柱和两根边塔柱，中塔柱总高108 m，边塔柱总高103.5 m，索塔总重量约2 383 t。桥梁效果图见图3。

3总体施工方案、方案优点及施工难点

3.1总体施工方案

西平大街斜拉桥主塔采用异形钢索塔，结构受力复杂，施工难度较高［11-14］。综合考虑现场施工条件，结合施工控制相关理论，同时参考相关工程经验［15-17］，该桥索塔施工拟采用“胎架卧拼+整体竖转”的总体方案（图4），即先搭建拼装胎架，钢索塔在胎架上组拼焊接成型，在钢索塔底部節段设置竖向转铰，为实现索塔的整体竖转，设置了临时转体塔架，通过在转体牵引索的张拉端（转体牵引索锚碇侧）和转体塔架顶设置同步液压牵引系统，实现对钢索塔竖向转体施工的精确控制，待钢索塔转体到位后完成体系转换。另外设置了混凝土压杆使整个转体机构形成自平衡体系，以达到降低转体牵引索锚碇工程量的同时也满足锚碇的抗滑移要求。

钢索塔竖转施工的主要施工步骤：

（1）首先施工①号墩台基础，并原位吊装钢索塔转铰位置以下节段，通过张拉预应力钢绞线与承台固结，原位吊装下转铰。

（2）钢索塔预埋段、调整支架、转体塔架、卧拼支架及胎架、锚碇、混凝土压杆施工。

（3）工厂制造钢索塔节段，运输至工地，钢索塔分节段进行吊装、定位，连接转铰后依次组拼并焊接成型。

（4）安装牵引系统、缆风索，挂设钢索塔转体背索，试转体将钢塔脱离胎架，检查系统无问题后进行正式转体。

（5）转体到位后，调整支架受力，牵引系统卸载至合理索力，钢索塔合龙并封铰，拆除转体系统，完成体系转换。

3.2方案优点及施工难点

3.2.1方案优点

相比索塔高空节段安装的施工方案，本施工方案的优点有几点：

（1）可降低索塔结构的高空拼装工作难度。

（2）可有效提高钢索塔节段焊接质量和工效，有利于控制工程质量和缩短工期。

（3）有利于施工安全管理，减少施工安全隐患。

3.2.2施工难点

同时采用“胎架卧拼+整体竖转”方案也存在难点：

（1）由于转体结构总重超过2 000 t，转体过程中转铰结构受力复杂，加工安装难度较大。

（2）转体过程中需保证牵引系统的同步工作，其配合精度要求较高。

（3）钢塔竖转应选择风力不大于4级时施工，由于转体过程不宜中断，若转体过程中风力转大会对施工造成不便，所以合理选择施工时间对转体施工极其关键。

4钢塔牵引竖向转体施工计算

4.1转体系统组成

转体系统由转铰、牵引系统、锚碇、混凝土压杆、转体塔架和缆风索组成。通过在钢索塔底部节段设置转铰，搭设转体塔架并利用牵引系统实现钢索塔的整个竖向转体动作，转体角度85°（图4）。

工程结构谢志军， 魏方东， 熊亚： 空间异形钢塔钢箱梁斜拉桥钢索塔整体竖向转体施工计算要点

4.2竖向转铰计算

竖向转铰共设置2个，每个边塔设置1个，由上转铰、下转铰和销轴组成，转铰耳板采用上二下一组合，单个竖向转铰总重约107 t。其中上转铰采用两片耳板，耳板厚度200 mm；下转铰采用一片耳板，耳板厚度400 mm。其中，上转铰布置与钢索塔转体部分底端，下转铰布置于钢索塔与承台固结节段的顶端，上、下转铰通过销轴连接，上、下转铰均采用ZG35CrlMo合金钢铸件制造。为减小吊装重量，销轴采用圆筒形式，外径900 mm，内径500 mm，材质为40Cr。转铰布置见图5。

由表1计算结果可知，下转铰所受顺桥向荷载有一个变号的过程。这是当转体结构重心在水平面投影点移动到转铰销轴轴线右侧后（约转体超过72°后）导致整个结构的传力路径发生变化所致，转体至72°之前，下转铰所受外荷载方向同大里程方向同向，且荷载值逐渐减小，转体超过72°后，方向变为与小里程方向同向，且荷载值逐渐增大。下转铰所受竖向力随转体角度的增加逐渐增大。

利用Ansys Workbench建立了上、下转铰的实体有限元模型。图6给出转体过程中最不利工况时，上、下转铰Mises等效应力分布情况。

由图6计算结果可知，上转铰最大Mises应力为174.3 MPa，出现在转体初始阶段（刚开始转体）；下转铰最大应力为262.9 MPa，出现在转体最后阶段（调整支架受力前一刻）；以上Mises应力值均小于ZG35CrlMo合金钢铸件抗拉、压设计强度360 MPa。

4.3牵引系统计算

牵引系统由转体牵引索、转体背索、连续千斤顶、计算机控制系统组成。转体牵引索平行布置8组，每组由一束37根1860级、直径17.8 mm钢绞线组成，转体牵引索分两段，在转体塔架顶部分段（图7）。其中近钢索塔侧一段的钢绞线一端连接在钢索塔张拉扣点处，另一端连接在转体塔架顶部的连续千斤顶处；远钢索塔侧一段的钢绞线一端连接在转体牵引索锚碇连续千斤顶处，另一端连接在转体塔架顶部扣点处。转体背索平行布置2组，每组由一束37根1860级、直径17.8 mm钢绞线组成，一端连接在钢索塔张拉扣点处，另一端连接在背牵引索锚碇连续千斤顶处。

实际转体施工中的前半段通过控制锚碇侧及转体塔架顶部连续千斤顶的方式逐步分节段完成转体动作。当转体结构重心在水平面投影点移动到转铰销轴轴线右侧后（约转体超过72°后），通过控制背索连续千斤顶的方式使结构转体至预定位置。

表2给出了转体过程中牵引索及牵引背索的受力变化变化情况。

由表2计算结果可知，转体牵引索与背索是轮换承载的。转体至72°之前的过程中，转体牵引索为主要的承载构件，且索力至逐渐减小；转体超过72°后，转体背索变为主要承载构件，且索力值逐渐增加。

4.4合龙及封铰前钢索塔强度及变形计算

当钢索塔转体到位后，利用合龙调整支架为钢索塔中塔柱和转体背索作为临时承载构件，通过逐渐放松转体牵引索的方式，当放松至合理索力后完成钢索塔合龙及封铰。

本方案在转体至84.73°时合龙调整支架开始受力，通过放松牵引背索的方式，主要受力构件逐渐由牵引背索转换为调整支架，当放松至合理索力后完成钢索塔合龙及封铰。图8～图11给出了合龙封铰前放松牵引背索过程中钢索塔的变形情况。正值代表塔柱向小里程桩号和向下变形，负值代表塔柱向大里程方向和向上变形。

图10和图11中变形突变处为合龙口的上断面，因为此时还未合龙，所以有变形的突变。

由图8～图11计算结果可知，钢索塔柱的变形量随着牵引背索的放松逐渐减小。

表3给出了合龙封铰前调整支架受力时，放松牵引背索过程中钢索塔应力变化情况。

由表3计算结果可知，在牵引背索力较小时钢索塔的最大应力值较小。

由以上分析结果可知，在合龙封铰前放松牵引背索过程中，钢索塔的变形和应力都有逐渐减小的趋势。这说明可通过控制背索索力的方式调整合龙前钢索塔的内力及变形。

4.5混凝土压杆布置及计算要求

西平大桥钢索塔整体竖向转体方案中，由于转体结构自重较大，为保证转体结构在转体过程中的稳定性，必然会导致转体牵引索锚碇的工程量巨大。为减小转体牵引索锚碇的工程量，本方案创造性的提出混凝土压杆结构，混凝土压杆的一端与①号承台固结，另一端与转体牵引索锚碇固结。混凝土压杆总体布置见图14，设置穿越段是由于③号桥台在转体施工前已经完工，混凝土压杆在施工时需要下穿③號桥台，为方便施工，穿越段采用了焊接工字钢代替混凝土，穿越段横截面布置见图12，工字钢段与混凝土的连接方式见图13。

混凝土压杆计算应满足稳定性与承载力要求。

4.6转体塔架布置及计算要求

为实现钢索塔的转体动作，在钢索塔的一侧设置了转体塔架（图4），转体塔架作为钢索塔转体过程中的重要受力构件，对整个转体方案的成功与否起着决定性作用。转体塔架高75.2 m，采用4 m×4 m格构式塔架，共2组，纵向宽约4.8 m，横向宽约14.8 m，中间采用连杆进行连接。立柱钢管伸入承台，直接与承台连接成一体，转体塔架布置形式如图15所示。转体塔架应满足强度与稳定性要求。

5结束语

西平大街斜拉桥桥主塔为空间异形钢索塔，钢索塔采用“胎架卧拼+整体竖转”的整体竖向转体方案。施工时，设置了混凝土压杆、转体塔架、竖向转铰及转体系统，保证了转体过程中转动结构始终保持稳定状态，通过配合使用上述构件施工顺利。本文简要介绍了西平大街斜拉桥钢索塔整体竖向转体过程中的关键计算要点。进一步保证了转体过程中结构应力水平和变形可控。

参考文献

［1］岳清瑞，侯兆新.对我国钢结构发展的思考［J］.工程建设标准化，2017（5）：48-56.

［2］交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见［J］.公路，2016，61（8）：271-272.

［3］中国桥梁工程学术研究综述·2021［J］.中国公路学，2021，34（2）：1-97.

［4］何广源，吴迪军，李书银，等.大跨度桥梁钢索塔安装测量方法及精度分析［J］.测绘通报，2014， 446（5）：89-91.

［5］常彦虎，章建，王岁利，等.大榭二桥钢索塔制作难点分析及对策［J］.钢结构，2013， 176（9）： 52-55+7.

［6］许前顺，牛亚洲，石虎强.大跨度索结构桥梁钢塔施工技术研究综述［J］.公路，2017，62（6）：84-89.

［7］陈光保，魏浩翰，黄腾.南京长江三桥钢索塔施工测量技术［J］.公路交通科技，2008，150（9）： 73-80.

［8］金秀男，朴泷，陈黎，等.港珠澳大桥江海直达船航道桥钢箱梁安装方案研究［J］.世界桥梁，2021，49（6）：21-27.

［9］吴永敏.中兴大桥V型主塔竖转施工技术［J］.城市道桥与防洪，2021，262（2）：123-125.

［10］马恒.龙城大桥钢索塔竖转施工关键技术［J］.现代交通技术，2008（3）：50-53.

［11］高兴泽，范大意，杨仁康.景德镇白鹭大桥钢塔竖向转体施工技术［J］.铁道工程学报，2007，24（5）： 55-62.

［12］潘军，徐瑜.港珠澳大桥九洲航道桥主梁及桥塔施工关键技术［J］.桥梁建设，2016，46（6）：1-6.

［13］卫军，曾志豪，李定有.斜拉桥异型拱塔施工临时横撑方案比选［J］.桥梁建设，2017，47（4）：113-118.

［14］王杰，徐启利.平潭海峡公铁两用大桥元洪航道桥桥塔桁架式临时横撑设计［J］.世界桥梁，2018， 46（4）：22-26.

［15］孙九春.竖转提升工艺下拱肋体系转换与合龙控制方法研究［J］.桥梁建设，2017，47（l）：53-58.

［16］聂磊，谢国平.公路跨铁路桥梁转体施工设计［J］.铁道勘察，2018（3）：117-121.

［17］曾甲哗，刘智春，陈裕民，等.转体施工钢箱梁独塔斜拉桥设计［J］.世界桥梁，2016，44（4）：11-15.

［作者简介］谢志军（1977—），男，本科，高级工程师，从事工程施工技术、工程管理工作及研究。