摘要：為研究裝配式重型鋼管塔架作為纜索吊運(yùn)斜拉扣掛施工中新型塔架結(jié)構(gòu)形式的適應(yīng)性和安全性，文章開展1∶1的裝配式鋼管塔架結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，通過滿布32根鋼絞線并將單根鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t逐步施加荷載，分析該結(jié)構(gòu)的受力和變形特點(diǎn)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在整個(gè)加載過程中荷載-位移呈現(xiàn)線性關(guān)系，最大應(yīng)力控制在120 MPa以內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全性良好，可推廣應(yīng)用于扣掛400 t以上的拱肋節(jié)段施工。

關(guān)鍵詞：拱橋；裝配式重型鋼管塔架；斜拉扣掛；荷載試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U441.+2 A 34 120 4

0 引言

拱橋具有造型美觀、剛度大、施工便捷、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在工程中的應(yīng)用越來越多，其建設(shè)跨徑也一次次刷新紀(jì)錄。目前，世界最大跨徑拱橋?yàn)橹骺?75 m鋼管混凝土拱橋——平南三橋。大跨徑拱橋施工多采用纜索吊運(yùn)斜拉扣掛施工技術(shù)，塔架作為其主要受力結(jié)構(gòu)，其安全性關(guān)乎整個(gè)工程的成敗。

目前，隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，塔架結(jié)構(gòu)形式也呈現(xiàn)出多樣化，主要包含萬能桿件塔架、鋼管混凝土立柱塔架和型鋼結(jié)構(gòu)塔架。萬能桿件塔架結(jié)構(gòu)［1］通過細(xì)小的固定尺寸和型號(hào)規(guī)格的桿件逐根拼裝而成，具有施工成本低、安拆方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于桿件尺寸小、數(shù)量繁多，導(dǎo)致安裝拆除工作量較大，施工工期較長，且僅適用于中小跨徑拱橋施工。王俊輝［2］以主跨120 m鋼筋混凝土箱形拱為工程依托，通過貝雷片組裝拼接形成“人”字形桅桿式塔架結(jié)構(gòu)，該塔架結(jié)構(gòu)施工快捷、成本較低，可裝配化和重復(fù)周轉(zhuǎn)使用。但由于貝雷片規(guī)格限制，因而僅適用于中小跨徑拱橋施工。隨著拱橋跨徑和吊裝重量不斷增大，韓玉等［3］以主跨530 m鋼管混凝土拱橋——合江長江一橋?yàn)楣こ桃劳?，針?duì)結(jié)構(gòu)跨徑大、吊裝重量大的特點(diǎn)，研發(fā)了鋼管混凝土立柱塔架結(jié)構(gòu)。該塔架結(jié)構(gòu)剛度大，可滿足大跨徑拱橋扣掛施工要求，但是由于拆卸工作量大，且無法周轉(zhuǎn)使用，導(dǎo)致施工成本高。劉宇峰等［4］以主跨531.2 m鋼桁架拱橋——秭歸長江公路大橋?yàn)楣こ桃劳?，研發(fā)了格構(gòu)式鋼管結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了塔架的裝配化程度。韓玉等［5］研發(fā)了裝配式重型鋼管塔架結(jié)構(gòu)，該塔架結(jié)構(gòu)為格構(gòu)式設(shè)計(jì)，由標(biāo)準(zhǔn)件、索鞍平臺(tái)、塔頂橫梁等組成，以搭積木的形式實(shí)現(xiàn)塔架的高效拼裝，較傳統(tǒng)塔架結(jié)構(gòu)具有桿件數(shù)量少、安拆快捷、可重復(fù)周轉(zhuǎn)使用等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用在主跨為336 m的鋼管混凝土拱橋——馬灘紅水河橋中，取得了良好的應(yīng)用效果。馬灘紅水河橋拱肋最大吊裝重量僅為120 t，塔架高度較小，塔架承受的斜拉扣掛重量較輕，其結(jié)構(gòu)安全性較好。然而，隨著拱橋建設(shè)跨徑的增大、吊裝節(jié)段長度和吊裝重量不斷刷新紀(jì)錄，主跨575 m鋼管混凝土拱橋——平南三橋最大拱肋吊裝重量達(dá)215 t，在建主跨600 m鋼管混凝土勁性骨架拱橋——天峨龍灘橋拱肋最大吊裝重量達(dá)169 t，均超出了馬灘紅水河橋的吊裝重量，未來鋼管混凝土拱橋跨徑可能達(dá)700 m［6］，吊裝重量也可能再次刷新紀(jì)錄，塔架也將承受著更大的扣掛荷載。因此，該塔架結(jié)構(gòu)適應(yīng)性有待進(jìn)一步研究和分析。

基于此，為研究新型裝配式鋼管塔架的安全性，制作1∶1的裝配式鋼管塔架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行試驗(yàn)。塔架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬殚L×寬×高=4.9 m×4 m×10.72 m。通過在塔架結(jié)構(gòu)的扣索平臺(tái)上滿布扣索鋼絞線，并對(duì)每根鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t逐級(jí)施加荷載，研究分析加載過程中塔架受力和變形情況，厘清該塔架結(jié)構(gòu)的承載能力。

1 新型裝配式重型鋼管塔架

新型裝配式重型鋼管塔架采用塔腳固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，包含塔頂、塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、塔間橫聯(lián)和扣索平臺(tái)四個(gè)部分，詳見圖1。施工采用空鋼管裝配式構(gòu)件組建，包含“3種立柱+5種腹桿+9類節(jié)點(diǎn)板+5種橫梁”標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。該塔架結(jié)構(gòu)均通過螺栓連接，標(biāo)準(zhǔn)單元段與扣索平臺(tái)索鞍單元段以搭積木的形式進(jìn)行組合安裝。就主跨575 m鋼管混凝土拱橋——平南三橋而言，200 m高塔架在100 d內(nèi)搭設(shè)完成，較傳統(tǒng)萬能桿件塔架結(jié)構(gòu)可節(jié)省鋼材21.4%，桿件數(shù)量減少80％以上，縮減20%以上施工工期，周轉(zhuǎn)率達(dá)100%，操作簡單高效、經(jīng)濟(jì)性好。

塔架扣索平臺(tái)作為塔架結(jié)構(gòu)組成部分，扣掛于拱肋上的各扣索通過扣索平臺(tái)上的索鞍轉(zhuǎn)向地面，并通過扣地錨錨住扣索張拉平臺(tái)，再通過千斤頂對(duì)鋼絞線進(jìn)行張拉或放松，以此調(diào)整拱肋的位置標(biāo)高。扣索平臺(tái)采用型鋼框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橫橋向設(shè)置工字型鋼梁，上翼緣板預(yù)留扣索鞍、拉桿安裝螺栓孔，下翼緣預(yù)留支撐桿連接螺栓孔。橫梁與立柱間采用栓接連接。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮平臺(tái)的安裝與運(yùn)輸，將一份平臺(tái)劃分為兩個(gè)對(duì)稱的構(gòu)件，安裝時(shí)通過節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接。兩端橫梁中部，上下翼緣處均設(shè)置八字形斜腹桿，與立柱相連，以提高橫梁的豎向剛度。斜腹桿與平臺(tái)、立柱間均通過T型節(jié)點(diǎn)板連接。塔架扣索平臺(tái)結(jié)構(gòu)布置圖詳見圖2。

各扣索繞過扣索鞍平臺(tái)轉(zhuǎn)向地面，并通過地面的扣地錨壓住扣索鋼絞線，塔架扣索平臺(tái)為塔架的直接受力部位，其安全性關(guān)乎整個(gè)工程的成敗。為評(píng)估塔架斜拉扣掛施工過程中的安全性，目前主要有有限元法和模型試驗(yàn)法。有限元分析法通常對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的邊界條件和結(jié)構(gòu)荷載情況進(jìn)行假定，模擬結(jié)構(gòu)的受力情況，具有計(jì)算效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于扣索繞過塔架扣索平臺(tái)索鞍輪，存在一定的磨損，且扣索繞過索鞍過程中對(duì)扣索平臺(tái)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)比較難以準(zhǔn)確模擬，因此，采用有限元計(jì)算方法難以準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的受力性能。模型試驗(yàn)法則通常根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸按照一定比例進(jìn)行縮尺試驗(yàn)，該方法直觀、可信，可為工程提供科學(xué)參考。

2 模型試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，按照1∶1比例取一節(jié)段進(jìn)行塔架荷載試驗(yàn)。塔架結(jié)構(gòu)尺寸為長×寬×高=4.9 m×4 m×10.72 m，鋼材均采用Q345，立柱為610 mm×14 mm，標(biāo)準(zhǔn)斜腹桿（GS01）和扣索錨固斜撐桿（GS05）為219 mm×5 mm，標(biāo)準(zhǔn)水平桿（GS02）和斜撐均為168 mm×5 mm。索鞍采用8門扣索鞍，扣索采用鋼絞線，布置4×8=32根鋼絞線。試驗(yàn)時(shí)，鋼絞線滿布于扣索鞍上，由于試驗(yàn)場(chǎng)地限制，張拉端和錨固端鋼絞線均沿著同一側(cè)偏移。通過張拉端千斤頂張拉鋼絞線對(duì)扣索平臺(tái)施加荷載，加載時(shí)，同排鋼絞線同步等大小施加荷載，即并排的32根鋼絞線同時(shí)、等大小地張拉。結(jié)構(gòu)布置見下頁圖3。

2.2 監(jiān)控儀器布置

根據(jù)有限元初步計(jì)算結(jié)果和力學(xué)知識(shí)，對(duì)關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，各測(cè)點(diǎn)布置如下。

2.2.1 位移計(jì)布置

在扣索力作用下，塔架順著鋼絞線方向產(chǎn)生位移，其中扣索平臺(tái)梁中部位移變化最大。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，在扣索平臺(tái)梁中部位置附近布置6個(gè)位移計(jì)，其中3個(gè)測(cè)量豎向位移，3個(gè)測(cè)量水平位移。

2.2.2 應(yīng)變片布置

為確?？鬯鲝埨^程中結(jié)構(gòu)的安全性，分別在塔架扣索平臺(tái)立柱、斜撐桿、扣索平臺(tái)頂面和底面布置應(yīng)變片。

2.3 荷載加載過程

2.3.1 預(yù)加載

由于實(shí)際施工過程中充分考慮安全系數(shù)前提下鋼絞線最大能承受10 t，故各扣索鋼絞線張拉端采用20 t油壓千斤頂進(jìn)行分級(jí)加載。加載時(shí)，千斤頂合力中心和承壓板中心在同一直線上，15.2 mm鋼絞線允許最大荷載為10 t，預(yù)加荷載為5 t，檢查加載過程中各設(shè)備儀表、應(yīng)變片、位移計(jì)的工作情況，消除施工過程中的非彈性變形。

2.3.2 加載

施工過程中，每根鋼絞線分4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t五種不同的荷載方式進(jìn)行加載，每級(jí)加載需持荷180～300 s，待穩(wěn)定后，記錄應(yīng)變片、位移計(jì)的讀數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 位移

按照設(shè)計(jì)圖紙的布置，搭設(shè)塔架模型進(jìn)行試驗(yàn)。塔架扣索平臺(tái)索鞍上每根扣索鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t五級(jí)荷載進(jìn)行加載，每一級(jí)荷載都實(shí)測(cè)位移情況，記錄各工況下的荷載和位移情況。荷載-位移測(cè)量結(jié)果見圖4～5。

由圖4～5可知，在整個(gè)加載過程中，荷載與位移大致呈現(xiàn)線性關(guān)系，表征在加載過程中，各扣索鋼絞線沿著8門索鞍輪滿布時(shí)（鋼絞線數(shù)量為4×8=32根），各鋼絞線受力達(dá)13 t（超出施工時(shí)最大荷載的30%）時(shí)，即扣掛重量為4×8×13 t=416 t，結(jié)構(gòu)仍處于線彈性階段，安全性較好。其中，水平位移控制在19 mm以內(nèi)，豎向位移控制在12 mm以內(nèi)，小于規(guī)范要求的水平位移限值5 455 mm/250=21.8 mm和豎向位移限制值4 900 mm/400=12.3 mm，塔架扣索平臺(tái)剛度大、安全性好。

3.2 應(yīng)力

3.2.1 扣索平臺(tái)應(yīng)力

每根扣索鋼絞線按照4 t、6 t、9 t、11.5 t和13 t五級(jí)荷載進(jìn)行加載，每一級(jí)荷載都實(shí)測(cè)應(yīng)變情況，根據(jù)應(yīng)變得到應(yīng)力值。相關(guān)測(cè)量結(jié)果見圖6。

由圖6可知，當(dāng)新型裝配式塔架的扣索平臺(tái)采用8門索鞍滿布32根鋼絞線，每根鋼絞線最大荷載為13 t時(shí)，在整個(gè)加載過程中，無論是扣索平臺(tái)頂面還是扣索平臺(tái)底面，應(yīng)力均隨著荷載的增加大致呈現(xiàn)線性關(guān)系，其應(yīng)力均較小，最大應(yīng)力為120 MPa，較Q345鋼材具有較大安全富余。由此表明，扣索平臺(tái)整個(gè)加載過程中始終處于彈性階段，結(jié)構(gòu)具有良好強(qiáng)勁性。

3.2.2 斜撐應(yīng)力

同理，由圖7可知，當(dāng)扣索平臺(tái)滿布32根鋼絞線，單根鋼絞線最大荷載為13 t時(shí)，在整個(gè)加載過程中，無論是張拉端還是錨固端斜撐桿應(yīng)力-荷載呈線性關(guān)系，其應(yīng)力均較小，最大應(yīng)力為100 MPa，較Q345鋼材有較大安全富余。由此表明，扣索平臺(tái)具有良好強(qiáng)勁性。此外，在加載過程中，位于扣索平臺(tái)以上的斜撐桿承受受拉荷載，扣索平臺(tái)下部承受受壓荷載，但受壓應(yīng)力很小，整個(gè)加載過程中壓應(yīng)力變化幅度較小。斜腹桿對(duì)稱位置處應(yīng)力也存在一定差異，這是由于受到試驗(yàn)場(chǎng)地限制，鋼絞線存在一定彎轉(zhuǎn)角而導(dǎo)致的。

3.2.3 立柱應(yīng)力

由圖8可知，在整個(gè)加載過程中，立柱最大應(yīng)力為100 MPa以內(nèi)，表明扣索平臺(tái)具有良好強(qiáng)勁性。此外，各對(duì)稱點(diǎn)處鋼管立柱應(yīng)力存在一定的差異性，也進(jìn)一步表明了結(jié)構(gòu)應(yīng)力受鋼絞線偏轉(zhuǎn)角的影響。

4 結(jié)語

本文以新型裝配式重型鋼管塔架結(jié)構(gòu)為背景，采用1∶1比例開展塔架扣索平臺(tái)荷載試驗(yàn)研究，單根鋼絞線按照最大13 t加載，實(shí)測(cè)最大應(yīng)力控制在120 MPa，最大位移為19 mm，鋼絞線荷載與位移始終呈現(xiàn)線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)加載過程中始終處于彈性加載階段，整體安全性較好。該類型塔架結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于更大扣掛重量的拱橋結(jié)構(gòu)施工。

參考文獻(xiàn)

［1］黃金文，蔣嚴(yán)波.貴港郁江大橋纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新技術(shù)［J］.中外公路，2013，33（4）：195-200.

［2］王俊輝.懸索吊貝雷片塔架設(shè)計(jì)與實(shí)施［J］.鐵道建筑技術(shù)，2022（5）：119-123.

［3］韓 玉，秦大燕，馮 智.提升式搖臂安裝鋼管混凝土塔架施工新技術(shù)［J］.公路，2013（5）：10-15.

［4］劉宇峰，馬利剛.利用主墩的高塔架大跨度纜索吊施工技術(shù)［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2019，15（12）：265-270.

［5］韓 玉，楊占峰，秦大燕，等.馬灘紅水河特大橋施工關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新［J］.公路，2019，64（2）：125-129.

［6］鄭皆連，王建軍，牟廷敏，等.700 m級(jí)鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與建造可行性研究［J］.中國工程科學(xué)，2014，16（8）：33-37.

收稿日期：2022-12-26