不对称转体施工钢箱梁独塔斜拉桥合理转体平衡状态构思与实现

曾甲华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

不对称转体施工钢箱梁独塔斜拉桥合理转体平衡状态构思与实现

曾甲华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要采用转体施工的大跨度不对称独塔斜拉桥，具有转体吨位大、转体伸臂长、转体梁重不平衡、转盘以上结构较高等特点，转体施工是其控制性风险因素。文中依托龙岩大桥，针对不对称转体施工独塔斜拉桥，构思了适用于该类桥式的合理转体平衡状态和优化思路；基于非线性空间有限元手段，采用非线性影响矩阵技术，实现了龙岩大桥转体平衡状态的优化，为该类桥式大吨位转体施工的顺利实施提供了技术支撑。

关键词钢箱梁独塔斜拉桥转体施工不对称孔跨

采用转体施工的大跨度不对称独塔斜拉桥，具有转体吨位大、转体伸臂长、转体梁重不平衡、转盘以上结构较高等特点，转体施工是其控制性风险因素，优化确定合理的转体平衡状态甚为关键。本文以龙岩大桥为依托，构思了适用于该类桥式的合理转体平衡状态，并以此为目标，基于非线性空间有限元手段，采用非线性影响矩阵优化、施工控制和偏差施工等技术，实现了龙岩大桥合理转体平衡状态的优化。

1工程概况

龙岩大道位于龙岩市中心城区，是龙岩市“一轴二环三纵四横”快速道路系统中南北向交通中心轴和景观轴。龙岩大桥为龙岩大道高架桥工程的关键节点和控制性工程，其以平面小角度(28.7°)连续跨越漳龙铁路、龙厦铁路、在建龙岩站牵出线、罗龙路、龙津河及双洋路。

龙岩大桥为190 m+150 m独塔双索面钢箱梁斜拉桥，采用半漂浮体系[1]。全桥总体布置见图1。

图1龙岩大桥总体布置(单位：m)

塔梁间设置有纵向弹性拉索，以限制在活载及风载作用下的纵向漂移、减小梁缝规模和梁端伸缩量，同时在索塔下横梁主跨侧布置有2台纵向阻尼装置以提高整体结构的阻尼比，抑制急变荷载(如地震、脉动风、汽车制动等)的动力响应，并减小纵向拉索疲劳应力幅[2]。

索塔采用花瓶形混凝土结构。地面以上塔高116 m。主梁采用正交异性板扁平流线形钢箱梁，主梁中心线梁高3.0 m，钢箱梁含风嘴全宽36.3 m，不含风嘴全宽32.48 m。

拉索采用抗拉标准强度1 670 MPa镀锌平行钢丝拉索，包括塔梁间纵向弹性拉索和斜拉索。其中，斜拉索采用空间双索面扇形布置，全桥共44根(22对)；在索塔处设置塔梁间纵向拉索4根(每侧2根)。

主桥采用平面转体施工法跨越既有铁路，转体球铰设置在承台顶面，采用以球铰中心支撑为主、环道支撑为辅的转动体系。转体结构设置在主塔塔柱底部，由转盘、球铰、撑脚、环形滑道、牵引系统、助推系统和临时支撑及锁定等部分组成[3]。转体主梁悬臂长173.75 m，转体主梁总长323.45 m，转体总重量超2.5万t，创造了最大转体重量、最长转体悬臂、最大转体梁宽、转体斜拉桥最大跨度等世界新纪录[4-5]。

2合理转体平衡状态构思

对于采用转体施工的大跨度不对称独塔斜拉桥，由于主、次跨转体悬臂长和重量均不等，在自重偏载作用下，主梁和索塔将绕转动球铰发生显著的转动，并造成转动球铰偏位和锁死，从而危及转体施工安全。鉴于此，本文构思了一种适用于不对称独塔斜拉桥平衡转体状态的优化思路：主跨和次跨非压重区的斜拉索，平衡其对应的主梁节段恒载(包括自重和附加重量)；通过合理设置次跨端部压重区压重并调整压重区斜拉索索力，实现塔直梁平和转盘0偏角。

为保证转体施工安全，转体施工时的结构状态应满足以下3项要求：①塔直梁平，即塔竖直、无侧向偏位，主梁平直、竖向位移较小；②转盘顶面0转角(严格控制在0.1°以内)；③次跨平衡配重量最小化，以减小转体总重量。

3转体平衡状态的计算实现

3.1　有限元模型

龙岩大桥总体静力分析采用非线性空间有限元程序，以设计竖曲线为基准进行结构离散。转体状态的结构有限元计算模型见图2。

a)未显示结构轮廓

b)显示结构轮廓

图2转体状态的结构有限元计算模型

建模分析过程中，对于主梁、主塔采用三维梁单元模拟。计算考虑斜拉索垂度效应、主梁和索塔在显著轴压力作用下的P-Δ效应、结构大变形效应等非线性影响，其中斜拉索采用只受拉多段杆单元模拟，以完全考虑垂度效应和索端转角的影响。

转体施工边界条件处理：转体施工时，转盘支撑按转盘区域采用仅受压群支座模拟，主梁与索塔下横梁间临时固结(锁定)；桩-土相互作用以柔度矩阵的形式等代考虑。

3.2　计算结果

采用非线性影响矩阵优化、施工控制和偏差施工等技术，实现了龙岩大桥合理转体平衡状态的优化，其结构线形、结构弯矩和索力分布见图3～5。

图3转体施工结构变形图(单位：mm)

图4转体施工结构弯矩图(单位：kN·m)

图5转体施工斜拉索索力图(塔端，单位：kN)

为实现主桥平衡转体施工，基于优化计算结果，次跨端横隔板往索塔的27.55 m梁段范围内设置了转体施工压重。压重分布范围和大小见图6。

图6转体施工阶段次跨端部压重

对优化后的龙岩大桥转体平衡状态作分析评判如下：①索塔塔顶往次跨侧偏移0.001 m，主梁主跨悬臂端竖向位移为0.025 m，次跨悬臂端竖向位移为-0.012 m，实现了“塔直梁平”的转体平衡状态要求；②基于索塔竖直、主梁平直的线形状态，主梁和索塔弯矩亦均较小，转体状态下结构受力状况优异；③转盘转角(绕横桥向轴)为0.054°，转盘对位状态良好；④转体施工时，次跨平衡配重量合计436.3 t，配重规模较小。

综上可见，优化实现的龙岩大桥转体施工平衡状态较为合理，有利于保证该桥超大吨位转体施工的顺利安全实施。

4结语

本文依托龙岩大桥，构思了适用于不对称独塔斜拉桥平衡转体状态的确定思路和优化目标，并基于非线性空间有限元手段，采用非线性影响矩阵优化、施工控制和偏差施工等技术，实现了合理转体平衡状态的优化技术，解决了不对称独塔斜拉桥平衡转体施工的技术难题，为该类桥式的大吨位转体施工的顺利实施提供了技术支撑，对类似工程具有参考和借鉴意义。龙岩大桥于2014年10月开工，预计2017年初建成通车。

参考文献

[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司.龙岩市龙岩大道高架桥工程龙岩大桥施工图设计[Z].武汉: 中铁第四勘察设计院集团有限公司,2014.

[2]刘士林，王似舜.斜拉桥设计[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]蒋红卫，郑晨.跨沪宁高速公路大吨位钢球铰转体施工工艺[J].世界桥梁，2011，39(5)：15-18.

[4]孙全胜，王立峰， 孙永存，等.万吨级斜拉桥水平转体施工监测[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版， 2007，31(3)：400-403.

[5]王宏祥.大跨度斜拉桥水平转动施工技术研究[D].石家庄：石家庄铁道学院,2009.

Conception and Realization of Ideal Swivel Balanced State of Asymmetric Steel Box

Girder Single-pylon Cable-stayed Bridge Erected by Swivel Construction Technology

ZengJiahua

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：With the characteristics of great swiveling weight, long swiveled cantilever, unbalanced swiveling girder weight and great structure height above the pile cap, the greatest risk factor is the whole process of swivel construction for the long-span single-pylon cable-stayed bridge erected by swivel construction technology. In this paper, based on the background of Longyan Bridge, an ideal swivel balanced state which is fit for asymmetric steel box girder single-pylon cable-stayed bridges is conceived, and also an optimization method is presented. The proposed swivel balanced state is realized by nonlinear three-dimensional finite element method and nonlinear influence matrix technique which ensures the smooth operation of large-tonnage swivel construction.

Key words:steel box girder; single-pylon cable-stayed bridge; swivel construction; asymmetric span arrangement

收稿日期：2015-01-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.003