大型临时索塔结构设计

刘 珍 赵 平

(中铁二局第五工程有限公司，四川 成都 610091)

大型临时索塔结构设计

刘 珍 赵 平

(中铁二局第五工程有限公司，四川 成都 610091)

结合南宁大桥主桥上部结构施工技术方案，对临时索塔结构设计进行了讨论，针对临时索塔构造的特殊性，分析了临时索塔的构思及设计原则，并对其构造设计方法进行了阐述，以满足临时索塔的功能要求。

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1 概述

1.1 南宁大桥主桥设计概述

南宁大桥主桥为大跨径曲线梁非对称外倾式拱桥，由两条独自向外倾斜的钢箱拱肋(东侧拱肋倾角69.715 59°，西侧拱肋倾角66.541 58°)、曲线半径为1 500 m的桥面曲线钢箱梁、倾斜的吊杆、系杆及肋间平台，共同构成一个三维的空间结构体系。大桥效果图见图1。

钢箱拱由两条非对称外倾式拱肋组成，东、西拱肋分15个吊装节段，全桥共30个吊装节段。节段宽7.40 m或7.408 m，节段高5.60 m～10.008 m，节段长13.931 m～21.152 m；节段重121.6 t～218 t。钢箱梁为单箱单室截面扁平流线型全焊结构，全宽35 m，中心高3.5 m，梁长6.8 m～9.0 m，重119.3 t～136.6 t。

1.2 主桥上部结构施工技术方案

南宁大桥主桥上部钢结构(钢箱拱、钢箱梁)采用“先拱后梁、以拱承梁，钢肋拱通过斜拉扣挂悬臂拼装”的施工方案。拱肋架设采用“缆索吊机吊装，斜拉扣挂”方案。即，拱节段采用缆索吊机吊装就位后扣挂于临时索塔上，钢箱梁吊装就位后利用永久系杆和临时系杆扣挂于拱肋上固定。缆吊系统跨度布置为：东侧240 m+452 m+280 m，西侧264 m+452 m+280 m。

2 临时索塔结构设计概述

2.1 传统类似结构设计概况

传统类似临时索塔，要求施工期间安装与拆除方便，施工完成后其主要构件可重复利用于类似结构，尽可能降低施工费用，因此传统索塔在选材上常采用通用杆件，如：万能杆件、型钢等；结构构造上，为克服弯矩对塔刚度的影响，常采用吊塔(吊装塔架)与扣塔(扣索塔架)分离，用铰连接的形式，或采用下部活动式支座；传统索塔吊装吨位较小，结构尺寸亦较小。

2.2 南宁大桥临时索塔构造特殊性

南宁大桥主桥拱肋独特的双外倾结构(如图2所示南宁大桥横断面图)对缆吊系统以及扣挂体系的功能要求，使临时索塔具有特殊性。1)临时索塔超宽。临时索塔不仅要满足钢拱肋跨中段(最外侧段)吊装，又要适应钢箱梁的吊装(索塔跨中部位起吊)。这要求临时索塔塔顶足够宽，达109 m宽，又要临时索塔跨中具有足够的强度，满足吊装使用要求。2)临时索塔超高。为方便钢拱肋跨中段(最高段)起吊安装，以及操作空间要求，又因地形影响，使临时索塔南塔高136 m，北塔高126 m。3)塔顶索鞍横移。南宁大桥曲线梁非对称外倾式拱桥结构，使拱肋各节段以及钢箱梁起吊位置相对变化，但相邻节段位置变化较小，因此必须将缆索系统设置为可移动形式。塔顶结构承载特殊，整个索塔结构影响较大。4)吊扣合一，塔脚固结。为控制索塔高度，索塔采用吊扣合一的形式。为保证在使用过程中塔身的稳定，便于操作，索塔结构采用塔脚与基础刚结的门式塔架结构。

2.3 设计构思及设计原则

南宁大桥临时索塔的功能及要求如下：根据总体施工组织设计方案，限制了临时索塔采用吊扣合一的结构形式。它既作为缆吊系统支撑结构，承担缆吊系统全部竖向荷载；又是钢肋拱吊装期间临时斜拉索锚固塔，承担扣锚体系产生的竖向荷载。临时索塔结构设计以设计指导性施工方案为基础，在满足缆吊系统、扣挂系统的使用功能及结构安全前提条件下，综合考虑其经济性、功能要求以及施工方便的原则进行设计。设计中重点对临时索塔的功能性、经济性以及施工方便做了设计构思：1)功能性。临时索塔采用吊扣合一，塔脚与基础固结，受力复杂，同时拱、梁安装定位对塔身刚度的要求高。索塔的功能要求对临时索塔刚度和强度须重点考虑；2)技术经济性。加工料标准化设计，施工完成后其主要构件可重复利用于类似工程，尽可能降低施工损耗；3)安全可靠性。根据索塔使用情况，不仅要求索塔整体刚度、强度及稳定性满足使用要求外，而且局部受力的特殊部位的构件也必须满足其使用要求(如扣点部位等)；4)施工方便。为方便临时索塔安装与拆除，标准化设计及工厂化加工，现场螺栓组拼，避免现场高空焊接及切割。

3 南宁大桥临时索塔构造设计

3.1 临时索塔总体设计概况

临时索塔青山岸高126.0 m，横桥向总宽109.16 m，顺桥向塔底宽18.52 m，塔顶总宽6.0 m；蟠龙岸高136.0 m，横桥向总宽109.16 m，顺桥向塔底宽19.82 m，塔顶总宽6.0 m。

索塔结构由索塔管结构、索塔H型钢、索塔万能杆件横梁、索塔锚箱及索塔塔顶分配梁等组成，图3为临时索塔构造图。

3.2 主要设计内容及荷载

施工程序方面：拱肋节段安装先东拱、后西拱，先悬拼、后张拉扣索，再张拉横向连接索以及风缆；主梁安装从跨中开始，按9 m节段向桥墩方向安装。临时索塔设计，考虑风缆位置、缆索系统对塔架的约束作用，塔架风荷载等。根据“斜拉扣挂”施工索力(各施工阶段扣索、横向对拉索、横向缆风索索力)，对拱肋吊装扣挂体系进行计算复核；对缆索地垄、扣锚地垄桩基承载力进行验算，并对承台基础进行计算。综上所述，临时索塔主要承受的主要荷载有索塔自重、缆吊系统静载及吊装荷载、钢肋拱吊装期间临时斜拉扣挂于索塔上扣锚索产生的竖向荷载、风荷载。

3.3 管结构

临时索塔管结构为主要承载构件，将上部荷载全部传递到基础。根据受力需要，索塔每肢外侧有4根φ813×14 mm钢管，内侧有φ813×16 mm钢管。钢管柱之间的联结系采用双槽钢截面([20a 及[16a)呈[]布置，增加其抗扭刚度。每肢钢管立柱在横桥向等宽布置，钢管立柱顺桥向变宽设置，顶宽6 m，满足其上连接的H 型钢柱拼接4 榀万能杆件的需求，底宽19.8 m，通过变宽度使塔脚组合抗弯惯性矩增加了11倍，增强塔架顺桥向的稳定性。

3.4 H型钢结构

索塔H型钢结构位于扣索锚固区，它既是主要承载构件，又是万能杆件与管立柱之间力传递的转换体系。型钢立柱高30.0 m，规格采用H580×510×12×20 mm和H580×200×12×20 mm，材质Q345，强轴顺桥向布置。立柱间用法兰盘连接，立柱间系杆采用双槽钢截面呈[]布置，增加其抗扭刚度。

H型钢区是扣锚索的主要锚固区，每侧共设置7组扣锚索，其中4组位于H型钢区。为满足与四榀万能杆件连接的要求，在内侧2根H型钢大立柱之间布置了2根H型钢小立柱，立柱间距采用万能杆件2 m标准间距。

3.5 万能杆件

为便于安装及拆除，并重复利用材料，临时索塔两肢之间以及H型钢柱顶端均采用万能杆件。临时索塔两肢之间宽65.08 m，由64 m标准万能杆件和1.08 m异形杆件组成。

3.6 锚梁

扣索、锚索交叉锚固于锚梁上，锚梁承受较大的荷载，起着平衡扣锚索水平分力并将竖向荷载传递给下方杆件的作用。锚梁采用箱形结构，为适应在锚梁上张拉扣、锚索以及调索的需要，锚梁两端设计为异形结构。扣锚索张拉、调索操作均在塔顶锚梁上完成。锚梁长6.4 m～6.5 m，宽0.55 m～0.65 m，高1 m～1.3 m，材质采用Q345B。

3.7 塔顶分配梁

为将吊装荷载可靠、均匀传递给下方杆件，避免局部受力过大，造成破坏，在索塔的上方布置三层分配梁，自下而上依次为下横梁、纵梁、索鞍导轨。下横梁通过节点板与其下方的万能杆件相连接，同时在节点位置增加横向加劲肋，顺桥向增加槽钢联结系使下横梁形成整体。并在横桥方向、段与段之间利用拼接板连接，连接位置为腹板及上、下翼缘。

3.8 基础设计

临时索塔基础承受上部结构竖向荷载为3 100 t，同时承受吊装过程水平荷载，基础要求承载力大，且位于河滩岸边，土质表层主要为淤泥质层，承载力低，临时索塔基础采用承台、群桩形式。塔架桩基采用4×4布置，钻孔灌注桩桩径为1.50 m。承台外形尺寸为22.0×17.6，分为两肢，两肢间设置系梁。

3.9 设计方法与结论

南宁大桥钢箱拱节段采用“无支架缆索吊装、斜拉扣挂”施工方案，悬拼节段通过扣索锚固于临时索塔上，施工过程极其复杂，临时索塔既是吊塔又是扣塔。

为了模拟结构体系的受力行为，采用空间杆系有限元程序对主要受力结构进行模拟分析，包括临时索塔、塔架缆风索、锚索、扣索、横向对拉索及侧向缆风索均进行了模拟计算。模型中未对主索道及工作索道建模模拟，仅考虑其重量约束刚度及荷载作用，并将其重力刚度按弹簧边界施加于塔顶轨道梁上。从临时索塔拼装到钢箱梁吊装完成，根据塔架受力及结构的变化，划分了77个施工阶段对临时索塔进行受力过程模拟分析，立柱及塔顶分配梁采用梁单元，联结系及万能杆件采用杆单元，缆风及扣锚索采用等效桁架单元建立仿真计算模型。

索塔仿真分析采用杆系有限元软件midas软件建模计算，扣锚索、缆风索以及主索都属于几何非线性结构，按ernst公式计算弹性模量，以等效桁架单元建立模型。

经计算，临时索塔内侧钢管立柱的最大荷载发生在塔顶段，组合应力为176 MPa，外侧钢管立柱的最大荷载发生在塔底段，组合应力为163 MPa。结构最大应力发生在内侧H 型钢大立柱底部4 m段，最大组合应力为243 MPa；考虑风荷载时组合应力253 MPa。各项检算指标均满足规范要求。

塔架的最大位移出现在前几个拱肋起吊阶段，随着扣锚索的约束作用的增加，扣塔位移逐步减小。单个施工阶段扣塔最大顺桥向位移约12 cm(小于允许值12 600/600=21 cm)。最大增幅在拱肋节段缆索起吊的工况。缆索起吊是短期荷载工况，对拱肋的影响是暂时的；在缆索松吊后，缆索起吊造成的扣塔偏移和已经安装的拱肋节段线形的偏移均得到恢复。

4 索塔安装方案

临时索塔各构件采用工厂标准化加工以及施工通用材料。管结构、H型钢以及系杆均采用工厂标准化加工，并在加工厂预拼检查加工精度，控制加工质量，为安装精度提供保障。索塔管结构及H型钢结构拼装，利用大型塔吊辅助单管单节段拼装，同步安装系杆，分节段整体检查及调整安装精度。索塔万能杆件采用悬臂拼装方式，先在地面将万能杆件组拼为“米”字或“K”字形结构，利用塔吊吊装就位安装。拼装过程中，在索塔两侧分别设置临时侧缆风辅助张拉来克服悬臂拼装自身扰度对万能杆件跨中合龙的不利影响。最后利用塔吊安装塔顶分配梁以及缆索系统。索塔拆除采用与安装倒序的步骤，先安后拆，后安先拆的方式进行索塔拆除。

5 结语

组合式索塔经强度检算、刚度检算均满足规范要求；索塔整体刚度很好，最大位移只有11.6 cm，不到塔高的1‰，小于允许值；索塔失稳破坏发生在锚梁下一些局部杆件，最小稳定系数为2.1，稳定系数略偏小，吊装过程中加强观测及调整可有效避免破坏。

南宁大桥临时索塔结构设计不仅满足缆索吊装系统、扣挂系统对索塔的功能要求，还在经济性，施工简便等方面取得了一定成果，可供同类施工参考。

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Onstructuredesignoflarge-scaletemporarycabletower

LIUZhenZHAOPing

(ChinaRailwayErju5thEngineeringCo.,Ltd,Chengdu610091,China)

Combining with the construction technology scheme of Nanning big bridge upper structure, this paper discussed the temporary cable tower structure design, according to the particularity of temporary cable tower structure, analyzed the concept and design principles of temporary cable tower, and elaborated the structural design method, in order to meet the functional requirements of temporary cable tower.

temporary cable tower, structure, design, main bridge

1009-6825(2014)33-0181-03

2014-09-17

刘 珍(1982- )，女，助理工程师； 赵 平(1980- )，男，工程师

U441

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