悬索桥索塔变截面段支撑系统方案比选分析

杨茗钦，秦振辉，熊明茂

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

悬索桥索塔是支撑主缆缆索的重要构件，为适应主缆垂度，索塔一般设计为高耸结构。索塔的主要材料形式有钢索塔及钢筋混凝土索塔两种，目前国内大部分悬索桥索塔设计以钢筋混凝土索塔为主。索塔受力主要为竖向荷载，为减轻索塔自重，国内悬索桥在索塔截面设计上通常采用箱型截面形式。为保证索塔结构稳定性，索塔截面尺寸在索塔横梁处通常会将混凝土厚度增大，此处的变截面段混凝土支撑系统与一般段不同，需另行设计[1-4]。支撑系统以托架及门架的形式为主，故本文将从内腔圆形格子梁托架、内腔K型托架、格子梁门架3种支撑方案对变截面段支撑系统方案进行比选。

龙门大桥为目前广西在建最大跨径悬索桥，索塔采用钢筋混凝土结构，截面形式为圆形空腔箱型结构，混凝土最薄处厚度为1 m。索塔高174 m，分30层进行浇筑。其中索塔S26节段处，节段顶面与索塔上横梁底面平齐，索塔从箱型截面变化为实心段，内部空腔从6 m圆形变化为2 m×2 m人孔。S26节段高3.4 m，其中箱型截面处高1.1 m，实心人孔段高2.4 m。S26变截面段结构模型见图1。

图1 龙门大桥东索塔S26变截面段模型图

索塔S26变截面段外侧面采用液压爬模作为支撑，6 m圆形内腔设置钢圆筒进行支撑，人孔侧面设置木模板及钢管进行支撑。节段从圆形内腔变为人孔处，需另外进行支撑系统的设计，以承载实心段的混凝土竖向荷载。

圆形格子梁在地面进行加工后，整体吊运至索塔内腔进行安装，考虑存在加工误差及预留焊接余量，故格子梁各尺寸比内腔尺寸小3～5 cm，也更便于支架整体下放至安装位置。

图2 内腔圆形格子梁托架Midas Civil模型图

表1 内腔圆形格子梁托架主要构件计算结果汇总表

图3 内腔圆形格子梁托架施工立面图

圆形格子梁与内腔的钢圆筒焊接节点多，为减少吊装格子梁主框架的焊接作业，故在各节点处预先安装牛腿，支架安装时，仅需将格子梁主框架放置于牛腿上稳固即可完成吊装作业，后续再进行牛腿与格子梁的焊接。而在索塔内腔焊接牛腿与格子梁，作业高度>150 m，属于高空作业，作业前还需在牛腿下方进行平台的搭设。

施工完成后，圆形格子梁拆除较为困难。因索塔内腔底部未设有门洞，且索塔向内侧存在一定倾角，因此向下拆除易对内腔的钢圆筒防腐体系产生损坏。故仅能将支架拆解成散件，再将散件向上从人孔内缓慢抽出，支架拆除效率较为低下，耗费人力及机械成本高。

图4 内腔K形托架Midas Civil模型图

表2 内腔K型托架主要构件计算结果汇总表

图5 内腔K形托架施工立面图

施工前，完善托架根部焊接位置的平台，并提前将K型托架牛腿处位置的钢圆筒进行打磨，便于安装托架时进行焊接作业。K型托架在地面加工完成后，使用塔式起重机逐片将K型托架片吊运至安装位置，并将托架焊接至索塔内腔钢圆筒上，完成K型托架的安装。

施工完成之后，内腔K型托架的拆除考虑到对索塔内腔钢圆筒防腐体系的保护及索塔倾角带来的影响，此方案的支架拆除方式也与内腔圆形格子梁托架拆除方式一致。将K型托架各构件拆解为散件后，从上方人孔将其拆出。

图6 格子梁门架Midas Civil模型图

表3 格子梁门架主要构件计算结果汇总表

图7 格子梁门架施工立面图(mm)

从支架的结构受力、安装难度、拆除难度、经济性及作业安全性方面对以上3种支撑系统方案进行比对。3种方案的优劣对比如表4所示。

通过对3种支撑系统方案进行比对发现，采用在索塔内腔搭设支撑系统的方式，作业风险较高，作业人员施工操作难度大。另外，在索塔内腔安装支撑系统，后续需对索塔内腔钢圆筒进行涂装修复，对钢结构防腐施工不利。

考虑作业安全性、支架安拆的操作便捷性及经济性。选择格子梁门架的变截面段支撑方案，格子梁门架提前加工，变截面段施工影响索塔施工仅2 d。目前龙门大桥东岸索塔已顺利封顶，变截面段施工现场实施过程安全有序，施工效率及质量高。

表4 不同施工方案优劣对比分析表

本文通过对索塔变截面段支撑系统提出3种支撑方案并进行有限元模拟分析，认为3种方案从结构及受力上均可行。其中，内腔圆形格子梁托架、内腔K型托架两种方案于索塔内腔进行支架搭设，支架搭设操作便捷性不高，且存在较大的安全风险。虽然这两种方案支架材料可以进行周转，但是支架拆卸难，且对索塔内腔的钢圆筒造成破坏，进行钢圆筒涂装修复也需要较多成本，修复质量要求高。最终现场采用在已浇筑节段上设置立柱并安装格子梁门架的方式，虽然此方案材料为一次性投入不可周转，但施工操作简便，安全风险低，且不会对索塔钢圆筒产生损坏。经过综合比选，门架格子梁的支撑系统方案为最优方案，现场已采取此方案指导施工，施工安全及质量均得到有效保证，实施效果良好。

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