A字形固结体系斜拉桥钢塔安装技术探究
2022-04-21周彪
周彪
（中交路桥华北工程有限公司，北京 100000）
1 引言
寿光农圣街弥河大桥钢塔设计为A 字形结构，采用厂内加工现场安装的施工工艺。由于钢塔下部较宽而上部较窄，如何在保证安全的前提下提高经济效益是需要研究的课题。另外，由于节段逐段安装形成临时悬臂结构，如何保证施工过程中节段之间受力平衡也是施工过程中需要考虑的重点问题。
2 工程概况
桥梁起止桩号为KO+329.5～KO+778.5，总长449 m。桥梁跨径布置为（4×20+3×29+2×90+2×31+2×20）m，桥宽38 m。主桥跨径为（90+90）m 的A 字形独塔斜拉桥，塔梁墩固结体系，桥面以下为混凝土结构，下塔柱高9.643 m。桥面以上5 m 内为钢混结合段，5 m 以上为钢结构，桥面以上塔高68 m。
3 施工特点及难点
①由于A 字形钢塔宽度不均匀，且高度为68 m，施工过程中工人操作平台在能够保证满足施工需要的同时要保证施工安全。
②考虑A 字形钢塔施工过程中节段稳定性以及外部风荷载的不利影响，需要对其稳定性进行研究并采取措施。
4 施工关键技术
4.1 方案比选
各施工工艺的优点和缺点如表1所示。
表1 方案比选
第一，塔吊施工现场不具备施工场地条件，且工期和造价均不符合现场实际要求；第二，搭设脚手架投入成本大且支架本身重量带来不确定因素，无法满足现场实际要求；第三，塔设环向工作平台配合汽车吊在各方面较为理想，但需要论证钢塔安装过程中的稳定性。结合施工造价与施工工期综合考虑，方案比选后采用主塔设环向工作平台配合汽车吊施工工艺。
4.2 环向平台支架法的合理性
4.2.1 钢塔分块介绍
主桥主塔为A 字形钢塔，塔柱位于机非分隔带，塔柱内倾角度8°。桥面以上单塔柱截面尺寸为5 m（顺桥向）×2.5 m（横桥向），桥面以下单塔柱截面尺寸为7 m（顺桥向）×4～5.5m（横桥向）。桥面以上5 m 内为钢混结合面，5 m 以上为钢塔柱，以下为混凝土塔柱。
钢箱侧壁板厚根据受力不同采用40 mm、30 mm、18 mm，塔柱拉索区以下（T0～T3）段为单箱双室，腹板厚度为30 mm，T4～T11 段为单箱单室。主塔壁板及腹板均采用板式加劲肋进行加强，板厚20 mm/16 mm，肋高220 mm/180 mm，主塔钢箱约每2.5 m 设置一道横隔板，横隔板厚16 mm。塔上横梁和塔顶横梁顶底板均为20 mm，腹板厚为18 mm 和20 mm。
钢塔分为T0～T9 共计23 个节段，其中T4～T6 节段为斜拉索锚固区段，T11 为塔顶横梁，T6 节段重量最大，最大节段重量约50.85 t。
4.2.2 支架设计介绍
吊装支架在主塔内布置，在地面基础上采用钢管立柱Φ426×6 mm 加平联支架连接撑的形式，支架立柱竖向采用法兰连接。根据工程要求在钢塔侧面距接口（操作平台）位置1 000 mm 处搭设临时通道，在支架搭设前，在下塔柱底座处预埋钢板1 000 mm×1 000 mm×20 mm 作为临时支架基础。支架布置如图1所示。
图1 主塔临时支架立面布置图
4.2.3 环向平台及通道设计介绍
在钢塔节段焊接位置处设置环向操作平台，平台采用型钢焊接，四周设置操作平台及护栏，左右侧钢塔操作平台通过通道平台连接，方便人员通行，如图2所示。
图2 环向平台支架通道
4.2.4 工况设定
工况一：安装钢塔至T2 节段。
钢塔安装至T2 节段，支架承受钢塔T0、T1、T2 节段重量。
最大荷载组合：1.2×（支架自重+钢塔自重）+1.4×风荷载。
工况二：横梁安装后，其余节段未安装。
横梁安装完毕，支架承受钢塔T0、T1、T2、T3 节段及横梁重量。
最大荷载组合：1.2×（支架自重+钢塔自重）+1.4×风荷载。
工况三：主塔合龙，但未全部安装完成。
塔顶节段未全部安装完成，支架承受钢塔部分节段的重量。
最大荷载组合：1.2×（支架自重+钢塔自重）+1.4×风荷载。
工况四：钢塔节段全部安装完成，支架拆除完毕，斜拉索未安装。
拼装支架拆除后，钢塔在自重状态下受纵桥向风荷载。
最大荷载组合：1.2×钢塔自重+1.4×风荷载。
经分析，上述4 种工况均不利，因此，对这4 种工况采用MIDAS 程序进行建模计算，验算支架的强度、刚度及稳定性是否满足结构设计要求。
对钢塔及钢塔安装支架进行三维空间建模，并对各种杆件赋予各自材料特性。
4.2.5 各工况的受力计算
工况一：安装钢塔至T2 节段。
最大荷载组合：支架自重+钢塔自重+风荷载。
由图3可知，该工况下拼装支架最大组合应力值为26.5 MPa<215 MPa，满足设计及施工要求。
图3 支架组合应力图
由图4可知，支架顶部纵向产生位移9.1 mm<70 mm=（L/400），最大位移出现在支架上部结构，为整体位移，满足设计及施工要求。
图4 支架位移分析图
由图5可知，最不利工况下支架最大反力为68.1 kN。
图5 支架反力图
工况二：横梁安装后，其余节段未安装。
最大荷载组合：支架自重+钢塔自重+横梁自重+风荷载。
由图6可知，该工况下支架整体的组合应力最大值21.7 MPa＜215 MPa，满足设计及施工要求。
图6 支架整体组合应力图
由图7可知，支架顶部纵向产生位移9.2 mm<100 mm=（L/400），最大位移出现在支架上部结构，为整体位移，满足设计及施工要求。
图7 支架位移分析图
由图8可知，最不利工况下支架最大反力为95.6kN。
图8 支架反力图
工况三：主塔合龙，但未全部安装完成。
最大荷载组合：支架自重+钢塔自重+风荷载。
由图9可知，该工况下支架整体的组合应力最大值177.7 MPa＜215 MPa，满足设计及施工要求。
图9 支架整体组合应力图
由图10 可知，支架顶部纵向产生位移63.9 mm<170 mm（L/400），最大位移出现在支架上部结构，为整体位移，满足设计及施工要求。
图10 支架位移分析图
由图11 可知，最不利工况下最大支架反力为164.2 kN，所有钢管桩支反力均按照最大支反力计算。
图11 支架反力图
工况四：钢塔节段全部安装完成，支架拆除完毕，斜拉索未安装。
最大荷载组合：钢塔自重+风荷载。
由图12 可知，该工况下钢塔最大组合应力值为57.8 MPa<215 MPa，满足设计及施工要求。
图12 钢塔组合应力图
由图13 可知，钢塔顶部纵向产生位移129.3 mm<680 mm（高耸结构任意点的水平位移不得大于该点离地高度的1/100），最大位移出现在支架上部结构，为整体位移，满足设计及施工要求。
图13 钢塔位移分析图
将最不利工况作用下，支架各构件的计算结果汇总，如表2所示。
表2 支架计算结果汇总表
4.2.6 设计结论
从表2可以得知，最不利工况荷载作用下，支架的强度能满足施工要求。整体稳定性验算中，临界荷载系数较大、安全可靠。刚度验算中，支架所有构件的挠度变形均在规范允许的变形范围内（L/400），能满足弥河大桥钢结构安装施工需要。钢塔在未安装拉索的状态下，其变形量和整体稳定性均满足规范要求。
5 现场施工注意事项
①钢混结合段施工时钢塔安装的难点和重点，也是钢塔安装精度控制的根本保障。因此，桥上混凝土段混凝土浇筑时宜采用钢板减少模板变形带来的施工误差，保证与钢塔节段的精准对接。
②为保证钢混结合段浇筑的密实性，采用微膨胀混凝土，混凝土通过浇筑孔后进入节段内，在预埋板顶部设置振捣孔和通气孔（见图14）。
图14 预埋板开孔示意图
③平台安装牛腿，每边设置两道保证其稳定性，平台及支架通道安全防护高度为1.2 m，必须符合安全规范要求，支架与钢塔临时固结密实、稳定。
6 结语
经过前期的技术准备和施工过程中的观测控制，农圣街弥河大桥钢塔于2021年8月19日顺利安装完成，为下一步斜拉索安装顺利施工打下坚实基础。随着我国斜拉桥的不断发展，对钢塔造型和美观的要求越来越高，项目在完成钢塔施工的同时，通过仔细研究，创新了钢塔安装工艺，为之后类似工程施工提供了参考和借鉴。
