H型钢塔架设计与异位拼装施工技术研究

摘要：文章以广西正龙红水河特大桥为例，创新设计了一种“主扣合一”标准H型钢塔架结构，采用ANSYS软件对该塔架进行有限元仿真模拟，在主塔安装中首创异位拼装施工方法并详细介绍了拼接工艺。结果表明：H型钢塔架在最不利荷载作用下满足强度、刚度及稳定性的规范要求；采用异位拼装施工方法可有效提升塔架在同一水平截面的抗剪切能力，其塔架偏移量优于同位拼装施工方法。研究成果可为缆索吊装系统塔架提供借鉴。

关键词：拱桥；缆索吊装；H型钢塔架；异位拼装；有限元仿真

中图分类号：U445.4      文献标识码：A

文意编号：1673-4874（2024）04-0102-04

0 引言

随着我国公路基础设施的迅速发展，钢管混凝土（CFST）拱桥因跨越能力大、施工工期短、建设成本低等优势，在桥梁建设中得到了广泛应用［1-2］。超大跨度CFST拱桥常采用缆索吊运和斜拉扣挂工艺进行施工，而塔架作为缆索吊装施工的关键组成部分，其强度、刚度和稳定性对整个缆索吊装系统起到至关重要的作用［3］。传统塔架采用万能杆件或钢管杆件等连接形式，同一塔架上的节点连接件种类繁多，各部位的节点板各不相同，且在每个连接节点上常有方向各异的多个连接杆件端点，节点板连接结构复杂［4］。

为克服传统万能杆件或钢管塔架的不足，本文依托广西正龙红水河特大桥工程项目，设计一种H型钢作为立柱“主扣合一”的塔架形式，采用槽钢、角钢和工字钢等杆件进行连接，节点板使用钢板切割焊接制造。该塔架具有固定方向力学性能强、用钢量少、便于运输存储、适用广泛等诸多优势，创新采用异位拼装施工方法进行主塔安装，以此研究百米级高度缆索吊装系统H型钢塔架在超大跨度CFST拱桥施工中的应用。

1 工程概况

正龙红水河特大桥位于广西来宾市兴宾区正龙乡新村，是武宣—忻城公路№2标段的一座特大桥。桥梁全长1 404 m，其中主桥为316 m中承式CFST拱桥，矢跨比为1/4.48，矢高为68 m，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.5。

图1和图2分别展示了缆索吊装系统立面布置图和平面布置图，缆索吊装系统中跨为486 m，武宣岸边跨为323 m，忻城岸边跨为342 m。塔架采用主扣合一的H型钢塔架，武宣岸塔架高120.9 m，忻城岸塔架高124.9 m，塔底固结。缆索吊装系统两岸共配置2个主地锚及4个扣地锚，两岸共17个缆风地锚，主工作索道塔后垂直角武宣岸为20.03°，忻城岸为20.20°。全桥共28个拱肋节段，节段最大吊装为96.5 t，用对应的N1～N7扣索对称张拉锚固至塔架上，并张拉塔架背索锚固至扣地锚。格子梁共27个吊装节段，最大吊装节段为116 t。

2 主扣合一的H型钢塔架设计

2.1 塔架结构设计

主扣合一塔架采用H型钢桁架式结构，型号为HW400 mm×408 mm热轧宽翼缘工字钢，材质为Q355B。H型钢塔架设计图见图3，塔架基础采用群桩基础，两岸分别采用12根1.3 m桩基础，入岩3 m，基础顶部设置承台和塔脚预埋段。单个塔架设置两排立柱，每排立柱由6根H型钢组成，塔架竖向、横向、纵向均以4 m为模数设计，通过斜联、横联将6根H型钢连接成整体，两排竖塔每隔24 m设置横梁进行连接，塔顶设置箱梁，塔顶横梁宽度为46.6 m。

每个塔架共有40束缆风索，每束由4根15.2 mm钢绞线组成，塔顶及塔腰设纵向缆风索和侧向缆风索，缆风索采用锚固连接板与塔架焊接，扣索鞍段设置扣索鞍平台及支撑杆件，以提高平台的承载能力。

2.2 节点板设计

为了减少焊接工艺对塔架受力可能造成的缺陷，H型钢塔架标准段各杆件之间连接点主要采用Q355B节点板和M27高强螺栓栓接，连接形式为摩擦型。图4和图5分别为16 mm和20 mm两种厚度尺寸的节点板栓接示意图，前者用于横联与斜联的栓接，后者用于立柱与横联、斜联的栓接，可直接在翼缘板进行开孔，外加少量加劲板焊接，传力明确，便于塔架节段安装和拆除。

2.3 扣索索力计算

在正龙红水河特大桥拱肋吊装作业中，根据28个拱肋节段吊装指令，依次吊装拱肋和横撑，直至吊完最后一节拱肋和横撑完成合龙。合龙后浇筑拱座后浇段固定拱脚，再拆除扣索和背索，完成无铰拱受力转化的工作。为确保拱肋吊装线形，根据《路桥施工计算手册》中“零弯矩法”计算塔架扣索索力［5］。

2.4 塔架有限元模型的建立

基于ANSYS有限元分析软件，建立H型钢塔架整体计算模型如图6所示。全模型共有节点708个，Beam188梁单元3 696个，MPC184刚性单元24个，Link10三维仅受拉杆单元20个。塔架底部单元采用全约束，即约束塔架底部节点的所有平动自由度及转动自由度（Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz）；缆风绳地面锚固端采用位移约束，即约束缆风绳锚固端的所有平动自由度（Ux、Uy、Uz）；塔顶后缆风绳采用10束钢绞线，其Link10单元截面积为10×182.4 mm2；塔顶前缆风绳采用9束钢绞线，其Link10单元截面积为9×182.4 mm2；塔腰后缆风绳及塔腰前缆风绳采用8束钢绞线，其Link10单元截面面积为8×182.4 mm2；塔架侧缆风绳均采用5束钢绞线，其Link10单元截面面积为5×182.4 mm2。

本次拱肋吊装模拟工况共分为7个节段，拱肋节段吊装分别为82.8 t，67.7 t，96.5 t，83 t，77.9 t，74.8 t和73.3 t，扣索和背索由N1～N7分步骤累加至塔架上，本次拱肋吊装1～7节段荷载工况定义为：自重+吊装主索力+扣索力+缆风索力+6级风荷载。

2.5 仿真结果及分析

下页图7～9分别展示了拱肋吊装1～7节段最大Mises应力、最大位移和最大缆风张力曲线图。在整个吊装施工阶段，塔架最大Mises应力出现在节段3，最大应力为102.41 MPa，小于应力允许值270 MPa；塔架最大位移出现在节段1，最大位移为83.14 mm＜h/400=300 mm；缆风绳拟采用8根预应力为1 860 MPa、15.2 mm的钢绞线，单根15.2 mm钢绞线的允许张力Fm，max≤288 kN，塔架缆风绳最大张力出现在节段3，最大张力为551.28 kN，折算成单根钢绞线最大张力为551.28/8=68.91 kN，小于张力允许值288 kN。计算结果表明，在吊装第1～7拱肋节段时，塔架的强度和刚度均满足规范要求，缆风绳张力也满足规范规定的设计值。

塔架前10阶屈曲分析特征值变化见图10，随着阶程的增大，屈曲分析特征值逐渐增加，第一阶特征值为9.9，大于规范要求的临界特征值4，说明塔架屈曲稳定性满足规范要求。

3 塔架异位拼装施工技术及应用

3.1 异位拼装施工原理

该工程H型钢塔架主塔拼装首创异位拼装施工方法，其施工原理为：H型钢塔架首节段拼装时，采用长度不同的标准节和非标准节立柱进行组合安装，使得首节段立柱之间依次形成高差。后续立柱节段则使用统一长度的标准节段进行安装，使整个塔架立柱法兰连接面依次异位。安装至塔顶时，再使用非标准节和标准节组合将高差调回，使塔顶处于同一水平高度。使用该方法安装完塔架后，所有立柱法兰连接面均不在同一水平面内，增强了塔架抗剪切能力，提高了H型钢塔架的整体刚度和稳定性，同时可以降低钢材型号，减少单元吊装重量，降低塔吊型号，减少租赁成本。

3.2 塔架安装施工工艺

3.2.1 塔脚施工

塔架基础采用分离式群桩基础。南北岸承台均采用12根直径为1.3 m的钢筋混凝土端承桩。放样出塔架立柱位置后进行桩基施工，桩基中心与塔架H型钢立柱中心重合，桩基主筋深入承台1 m。

施工塔架群桩桩基后进行桩头破除，然后开始安装塔架预埋段，塔架基础承台处预埋一节高4 m的H型钢立柱HW408 mm×400 mm，施工承台钢筋笼和模板，并浇筑C30承台混凝土。

3.2.2 塔吊安装

对塔吊基础进行施工后，两岸各布设2台6513型塔吊配合塔架安装，为保证塔吊的安全施工，以16 m为节点逐步顶升塔吊，塔吊顶升前，须在塔架对应位置安装塔吊的扶墙装置，依次完成塔吊的安装。

3.2.3 首节段H型钢立柱异位拼装

首节段立柱安装时，使用4 m非标准节段立柱与8 m标准节段立柱组合安装，顺桥向前后两根立柱长度相同，横桥向依次交替使用标准节组合和非标准节组合，使得首节段立柱法兰接头依次形成4 m高差。

卧拼完成后使用卡扣将立柱组合单元片系牢，使用汽车吊进行翻身，随后将立柱单元片吊至预埋段H型钢立柱顶部，使首节段立柱与预埋段立柱中心重合，经测量无误后使用高强螺栓将首节段与预埋段连接牢固，逐片起吊安装，直至第一节段立柱组合片安装完成。

3.2.4 标准节段H型钢立柱异位拼装

第一节段形成异位后，从第二节段开始，H型钢立柱均使用标准节段安装。安装第二节段前，先在地面放出地样，进行标准节段立柱地面卧拼，将横联、斜联与立柱拼装在一起，形成第二节段标准立柱组合单元片。第二节段立柱组合单元片安装完毕后，进行立柱组合单元片之间的横联及斜联安装，使第二节段组合单元片与第一节段连接成为整体。

反复循环以上施工步骤，使H型钢立柱异位拼装至塔顶，安装过程中需实时测量，并在塔腰和塔顶安装缆风绳，确保塔架垂度及偏位满足设计要求。

3.2.5 塔顶调平

H型钢立柱安装至塔顶标高附近时，立柱形成异位。为保证箱梁安装时塔顶水平，如图11所示，安装最后一节立柱时使用非标准节段立柱将高差补回，使塔顶调平。

3.3 塔架施工监控

为比较H型钢塔架的使用性能，武宣岸塔架采用异位拼装施工工艺进行安装，忻城岸塔架采用同位拼装施工工艺进行安装。塔架安装完成后，进行全面检查和测量，保证所有螺栓均处于拧紧状态，两岸塔架垂直度均相同。正龙红水河特大桥缆索吊装系统的试吊试验中，试吊重量分为4组：（1）加载50%，重量为58 t；（2）加载100%，重量为116 t；（3）加载110%，重量为127.6 t；（4）加载125%，重量为145 t。同步测量两岸塔架塔顶和塔腰位置的位移偏移量，结果见表2。

由表2可知，跨中加载相同重量时，塔顶位移高于塔腰。塔架最大位移出现在加载125%时忻城岸下游塔顶的位置，最大位移为179 mm。武宣岸塔架采用异位拼装工艺，刚度有所提升，武宣岸塔顶及塔腰位置的位移偏移量均比北岸小，说明异位拼装施工方法可有效提升塔架在同一水平截面抗剪切的能力。

4 结语

（1）本文介绍了广西正龙红水河特大桥项目创新设计的一种多用途标准H型钢塔架结构，该塔架具有受力性能好、用钢量少、便于运输存储、适用广泛等优点，可在拱桥施工中推广使用。

（2）在最不利荷载组合作用下，塔架强度、刚度和稳定性验算均满足规范要求，验证了结构设计的合理性，能保证塔架施工的安全。

（3）H型钢塔架主塔安装采用异位拼装施工方法，通过监测发现该方法安装的塔架刚度有所提升，可有效增强塔架在同一水平截面抗剪切的能力。

参考文献

［1］熊先勇，曾亚林，付慧建，等.基于支持向量机和改进粒子群算法的钢管混凝土拱桥可靠度分析［J］.公路工程，2023，48（2）：55-61.

［2］黎栋家，陈科桦，罗富元，等.大跨中承式钢管混凝土拱桥结构受力分析［J］.公路，2023，68（1）：194-199.

［3］岳建彬，杨 靓，李 昊，等.大跨径钢管混凝土拱桥缆索吊装施工设计计算分析［J］.西部交通科技，2021（11）：165-168.

［4］梁晓雲.新型装配式重型钢管塔架及其荷载试验研究［J］.西部交通科技，2023（3）：120-123.

［5］周经锋.月湖特大桥斜拉扣挂索力计算分析［J］.西部交通科技，2023（3）：132-134.

作者简介：陈亮胜（1996—），硕士，工程师，主要从事道路与桥梁技术管理工作。