大跨度转体钢箱梁桥临时索塔优化设计

张子杰，张 成，张文学，方自安

(1.中铁十四局集团第一工程有限公司，山东 青岛 266000； 2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124)

0 引言

随着我国交通基础设施建设的进一步完善，跨线桥等立体交叉工程建设需求越来越多，桥梁转体施工技术因对既有铁路、公路等交通运营干扰较少，而得以广泛应用推广。对于跨度在150m以下、转前T构单侧悬臂长度在75m以下的转体桥，一般采取连续梁结构体系设计施工，转体时T构梁端的挠度也不是很大，结构自重可依靠结构自身承受。对于跨度>200m的转体桥多采用斜拉桥结构体系，转体时也无需临时施工措施来承受结构自重，如保定乐凯大街南延转体桥和跨庐山站立交工程。但对于跨度在150～200m的转体桥，为了降低建设成本，成桥状态采用连续梁结构体系较合理；但转体时T构处于悬臂状态，因悬臂长度过大，结构自身很难承受自重荷载，为确保安全一般需搭设临时施工辅助措施来改善T构受力状态。而设计文件中给出的建议施工临时结构一般较保守，施工过程较复杂。因此，需施工单位根据实际工程情况进行优化设计，在确保施工安全的前提下，尽量利用常用、可周转材料，以降低施工临时措施成本；尽量考虑施工现场情况和施工过程，从施工安全和便捷角度对施工临时结构进行优化，以提高施工速度；同时，尽量考虑施工队伍自身施工水平和操作习惯，以提高施工方案的可控性。

为此，本文以青岛市新机场高速连接线(双埠—夏庄段)上跨青荣城际等既有铁路节点转体桥工程为背景，结合工程实际对设计文件中给出的施工临时索塔结构进行优化，并对优化后的施工临时索塔进行结构安全计算。优化后的施工临时索塔不仅结构安全性满足规范要求，大幅度减少了施工费用，而且降低了临时结构施工对既有线下铁路的影响，提高了施工安全与速度。

1 工程概况

1.1 主体结构设计

青岛市新机场高速公路连接线上跨青荣城际等既有铁路转体桥工程为跨径2×120m变截面钢箱梁T构桥，单幅桥宽24.58m，全幅总宽49.53m，其左幅桥立面如图1所示(本文优化设计均以左幅桥为例)。中墩墩顶4m区段钢箱梁梁高7m，墩顶等高梁段两侧各40m区段梁高从7m按二次抛物线变化至4.5m，其余区段梁高为4.5m。跨中梁高与跨径比值为1/26.667，中墩支点梁高与跨径比值为1/17.143。钢箱梁转体角度为90°，钢箱梁顶板距地面高度为21～27m。钢箱梁采用Q345qDNH耐候钢材料，由工厂最大化制造拉至现场，梁体根据设计分为17段在现场拼接，每个梁段分为5部分吊至20m高的支架上进行大块拼装，吊重最大为80t，最小为13t。

图1 左幅桥立面(单位：cm)

1.2 原临时索塔设计

设计文件给出的临时斜拉索和索塔方案如图2所示，具体设计如下。

图2 临时斜拉索布置

1)塔柱设计 采用8根φ1 000×16钢管，并采用φ500×16钢管作为稳定性斜撑，采用熔透焊方式焊接，材质为Q355C。立柱纵向间距400cm，横向间距560cm，高21m，如图3所示。

图3 原临时索塔布置

2)拉索设计 采用PES(C)7-91型特制斜拉索，抗拉强度fd=1 670MPa，斜拉索由钢锚箱、张拉杆、连接件、91丝φ7平行钢丝、连接筒、张拉锚杯和锚固螺母等组成。每个T构沿纵向设置10道斜拉索，每侧5道，分别为C5～C1，每道斜拉索沿横向布置4根拉索，C5～C1的张拉力分别为2 000，2 400，2 900， 2 900，2 500kN。

3)锚管设计 上锚管采用φ269×24钢管加工制造，材质为Q345C。锚管自索塔顶往下150cm设置第1道C1，然后每200cm设置1道，直至C5，锚管从上往下依次穿过索塔钢管立柱，并分别锚固在对应侧钢管立柱上。为了平衡各拉索的纵向分力，在索塔顶端每道拉索锚管上方设置2道由2[40c和φ32精轧螺纹钢组成的纵向拉力平衡措施。

2 临时索塔优化设计

2.1 原临时索塔优缺点分析

原设计文件给出的临时斜拉索和索塔方案基本是基于正式斜拉索设计的，其结构承载力满足规范要求，安全性毋庸置疑。但对于该项目的临时索塔设计而言，原设计文件方案存在如下不足。

1)PES(C)7-91型拉索需厂家定制加工，加工、运输费用较高，作为临时应用，不够合理；同时，需专业张拉设备和人员，进一步增加施工成本。

80例患者围术期资料详见表2。三组在创伤严重度评分（ISS）、伤口污染程度、Gustilo-Anderson分型、按骨科创伤协会（Orthopaedic Traumatological Association,OTA）分型、伤口创面覆盖方式方面的差异均无统计学意义（P＞0.05）。手术时间的长短依次为LCP组＞UTN组＞UEF组，三组间差异均有统计学意义（P＜0.05）。同样，术中失血量的多少依次为LCP组＞UTN组＞UEF组，三组间差异均有统计学意义（P＜0.05）。但是，三组间住院时间差异无统计学意义（P＞0.05）。

2)采用PES(C)7-91型拉索，塔顶需采用标准锚管设计，且需多次穿过索塔钢管立柱，对钢管立柱进行开孔焊接，这给临时索塔设计、施工带来诸多不便。一方面，需在立柱两侧设置平衡索力水平分力的结构；另一方面，开孔焊接对索塔主要受力构件钢管立柱的可靠性有一定影响，并使得钢管立柱处于局部受弯状态，不利于受压稳定。

3)斜拉索分5个层高布置在索塔上，不仅降低了C2～C5拉索的锚固高度，致使C2～C5拉索的竖向分力降低，在竖向分力相同的情况下增加了拉索张拉力需求，而且拉索施工操作平台分散，不仅施工效率低，而且作业环境风险大。

4)最重要的是原设计索塔的高空作业工作量较大，用钢量也较大，且多为高空吊装、悬挂、焊接施工，对邻近铁路的运营安全有较大影响。

2.2 临时索塔优化设计

基于以上所述原因，考虑到该桥斜拉索和索塔为临时结构，且紧邻铁路施工，为了降低临时索塔施工期间对邻近铁路的影响、降低施工成本、加快施工速度、确保施工安全，提出对原设计的临时斜拉索和索塔进行优化设计，如图4a所示，具体优化方案如下。

图4 优化后临时斜拉索与临时索塔布置

1)临时塔柱优化设计 临时索塔立柱仍采用8根φ1 000×16钢管，顺桥向采用2∟140×10型钢作为稳定斜撑，横桥向采用[20型钢作为稳定斜撑，均使用高强螺栓与立柱上连接板连接，尽量避免紧邻铁路焊接作业，立柱纵向间距400cm，横向间距560cm，高18.5m，如图4b所示。

2)临时斜拉索优化设计 使用施工现场便于采购、加工的钢绞线拉索代替原设计方案中的PES(C)7-91型拉索，经过折算采用15束7φ5钢绞线拉索代替。钢绞线根据计算长度在桥面下料、理顺，采用4号铁丝按150cm/道绑扎成束，下锚固端采用挤压锚锚固；塔顶张拉端采用常规锚板、夹片+防滑压板锚固，施工结束后采用单顶逐束放松卸索或采用特制退锚夹片和退锚板一次卸索。临时斜拉索与箱梁连接的吊耳结构和锚固位置不变。

图5 临时索鞍

经过优化后临时索塔的优点如下。

1)斜拉索便于现场加工、运输，成本低；预应力钢绞线张拉施工工艺简单、成熟，无需专业设备，施工方便，过程可控。

2)由于塔顶对拉临时索鞍水平分力基本平衡，所以无须在塔顶钢管外侧设置[40c横梁和对拉螺栓，大大减少了塔顶的高空吊装和高空焊接作业，降低对邻近铁路的影响，提高了临时索塔搭设速度和安全性。

3)临时斜拉索张拉均集中在塔顶操作平台上，便于对平台进行封闭管理，不仅施工安全方便、效率高，而且避免了设备的上下移动，降低对既有铁路的影响。

3 临时索塔施工过程验算

3.1 有限元模型建立

临时索塔采用MIDAS Civil建模，索塔整体采用梁单元建模计算，索鞍简化建模，并通过弹性连接与下横梁I45连接，下横梁工字钢采用弹性连接与柱顶节点连接，如图6所示，支撑条件为柱底固定支撑。

图6 临时索塔模型

3.2 验算工况及结果

3.2.1荷载及工况分析

荷载采用施工阶段荷载，根据竖向分力相等原则对设计文件中索力进行换算得到加载索力，由C5～C1 的顺序对称张拉，考虑结构自重，共分5个对称张拉工况进行验算：①工况1 C5对称张拉完成；②工况2 C4对称张拉完成；③工况3 C3对称张拉完成；④工况4 C2对称张拉完成；⑤工况5 C1对称张拉完成。

考虑实际施工中存在不对称张拉情况，导致索塔存在偏载情况，在加载完成设计张拉力的基础上，首先进行单侧对称偏载加载，所有拉索仅在顺桥向大里程侧增加设计张拉力5%的偏载荷载；然后进行双向不对称偏载加载，横桥向前2根立柱上所有拉索仅在顺桥向大里程侧增加设计张拉力5%的偏载荷载，后2根立柱上所有拉索仅在顺桥向小里程侧增加设计张拉力5%的偏载荷载。偏载验算共分为2个偏载工况：①工况6 同侧对称偏载5%；②工况7 异侧不对称偏载5%。

3.2.2结构受力验算

限于篇幅，本文仅列出各工况的计算结果(见表 1)。通过有限元软件计算，在工况1～7的加载条件下，临时索塔最大应力为176.75MPa

表1 临时索塔受力计算结果

4 结语

本文以青岛市新机场高速公路连接线(双埠—夏庄段)上跨青荣城际等既有铁路节点转体桥工程为背景，优化设计了施工临时索塔方案，并对优化后的临时索塔进行结构计算，得到以下结论。

1)本优化设计不仅考虑了临时结构的安全性，而且考虑了现场施工队伍的实际情况，优化后的临时结构施工方便简单，减少了专业施工设备和人员，提高了经济效益。

2)本文的优化设计在原设计的基础上进行改进，不仅保留了原索塔的各项功能，而且减少了现场施工对既有铁路线的影响，提高了施工安全性。

3)本文中索塔安全性验算考虑了组合工况，使验算结果更可靠，同时也为类似工程提供了参考。