单斜拱斜拉桥自平衡控制旋转施工技术

陈海洲，贾尚瑞，肖作伟，张其林

摘要： 中国山东省淄博市潭溪山景区大跨度单斜拱斜拉人行桥的施工采用了高空竖向旋转施工方法，其实施的关键是旋转过程中被旋转结构的自平衡控制方法。该旋转方法将整个桥结构在山顶地面组装，经过两次旋转后安装到设计位置。第1次为桥面梁绕主拱上的节点进行旋转，第2次为由桥面梁、拉索及主拱组成的整体结构绕主拱支座处的内置节点进行旋转，两次旋转均为绕两侧节点形成的水平轴进行高空竖向旋转。两次旋转过程必须通过自平衡分析将被旋转结构的水平推力平衡到最小，才能保证旋转的顺利进行。结果表明本次采用的自平衡控制方法获得了很好的效果，该方法能为为同类钢结构工程的构件加工和安装提供借鉴。

关键词： 单斜拱；斜拉桥；自平衡；竖向旋转；内置节点

Abstract： In the construction process of a large-span monoclinic arch cable-stayed bridge in Tanxishan scenic area of Zibo City，Shandong Province，China，a high-altitude vertical rotation construction method of the cliff top arch bridge is proposed，and the key of the construction process is self-balanced control method. The whole bridge structure is assembled on the ground of the cliff，and rotated twice to the design position. The first rotation is for the bridge deck beam to revolve around the node on the main arch，and the second rotation is for the whole structure which is composed of bridge deck beam，cable and main arch to revolve around the built-in node at the main arch support. The two rotations are vertical rotation by the horizontal axis formed by the nodes on both sides. The horizontal thrust of the rotating structure must be balanced to the minimum through self-balanced analysis in order to ensure smooth rotation. The results show that the self-balanced control method has achieved good results. This method can provide some experience to the construction and fabrication of steel members in similar projects.

Keywords： monoclinic arch；cable-stayed bridge；self-balanced；vertical rotation；built-in node

本工程位于山东省淄博市潭溪山，该景区为国家AAAA级景区。景观桥跨度为108m，主拱矢高为30m，两侧支座位于100m高悬崖顶端，海拔高度为1,000m。建成后游客在桥上可以一览整个潭溪山景区，该桥的设计效果如图1所示。  

图 1　斜拉桥桥设计效果图

Fig.1　Design rendering of the cable-stayed bridge

1　工程概况

本工程为单拱斜拉弧形桥 ^[1-3] ，结构主要受力构件为60°倾斜主拱，其截面为Φ2,000mm×30mm，采用15根 Φ 61mm斜拉索，抗拉强度为1,670MPa，桥面梁为H形钢挑梁，截面为H250~400mm×180mm×12mm×16mm，钢材选用Q345C。单斜拱斜拉桥的相关视图如图2所示。  

图 2　斜拉桥相关视图（单位：mm）

Fig.2　Related views of the cable-stayed bridge（Unit：mm）

如前文所述，桥梁飞跨两侧悬崖，交通不便，大型吊车无法就位。比较可行的施工方法是高空散装法，但是该方案成本太高。经过对悬崖顶面弧形、桥面梁弧形及主拱弧形的思考，得出了桥面梁与拱在悬崖顶面叠合组装、逐次展开的施工方案。整个展开动作通过安装于爬杆之上的4个爬行器顶升桥面梁及桥主拱，并竖向旋转完成。竖向旋转的具体过程为：山顶地面整平→拼装胎架就位→拼装主拱→叠合拼装桥面梁→滑移桥面梁到旋转位置→安装爬杆并与桥面梁连接→安装15根结构拉索→顶升旋转桥面梁至120°（第1次旋转行程，自重作用下15根结构索自动张紧）→爬杆换位至主拱→顶升桥整体结构至60°（第2次旋转到设计位置）→安装其他附属结构并完工。

具体顶升工艺过程为：当其中一组（工作组）的两个爬行器进行顶升操作时，另一组（限位组）两个爬行器与爬杆脱开。待工作组爬行器一个行程到位时，限位组爬行器与爬杆抱紧，并转换为工作组，进行下一个行程的工作。在顶升过程中，始终有两个爬行器连接爬杆与桥面梁或桥主拱。旋转顶升节点设计图如图3所示。  

图 3　旋转顶升节点设计图

Fig.3　Design diagrams of rotary jacking node

2　旋转爬杆及节点设计

根据山顶地形特点，顶升爬杆设在桥面和主拱的1/4处和3/4处。在爬杆上设置4条顶升轨道，两侧利用本体结构支座设置旋转转角。桥面梁及主拱爬杆布置如图4所示，力学计算模型 ^[4-5] 如图5所示。  

图 4　桥面梁及主拱爬杆布置

Fig.4　Layout of climbing poles of bridge deck beam and main arch  

图 5　桥主拱爬杆力学模型

Fig.5　Mechanical models of climbing pole for  main arch of bridge

3　桥面梁顶升旋转过程

3.1　桥面梁旋转节点

桥面梁的旋转主要利用桥面梁与主拱的临时节点进行，该节点如图6所示。  

图 6　桥面梁旋转节点

Fig.6　Rotating node of bridge deck beam

3.2　桥面梁旋转流程

本节以侧立面流程图为例介绍桥面梁的旋转流程，第1步为叠合组装，第2~9步为旋转步。具体步骤如图7所示，

图7　桥面梁旋转流程

Fig.7　Rotation processes of bridge deck beam

4　整体结构顶升旋转过程

4.1　主拱旋转节点

桥整体旋转主要利用主拱与支座的内置节点（图8）进行，旋转到位后封装，故内置节点为整个项目成功的关键。  

图 8　桥整体旋转节点

Fig.8　Overall rotation node of bridge

4.2　整体旋转流程

本节以侧立面流程图为例介绍桥整体旋转流程（第10~15步），如图9所示。  

图9　桥整体旋转流程

Fig.9　Rotation processes of bridge

5　旋转过程自平衡控制方法

由于桥面梁及主拱为拱形，旋转过程中会对旋转轴产生水平推力。随着旋转流程的推进，旋转角度在不断地变化，结构对旋转轴的水平推力也在不断地变化。因此需要对水平拉索进行不断调整，从而使拱脚推力达到最小值，并将此方法称为旋转过程自平衡控制方法。桥跨度为108m，其对支座的水平推力最大达到了250t左右，因此需要有效控制拉索拉力从而保证内置节点的安全，这也将是整个施工方法能否成功的关键 ^[4-5] 。

5.1　水平拉索的设计

桥面和主拱为弧形结构，在顶升过程中，底部转铰位置存在水平荷载，而底部转铰耳板不能承受太大的水平荷载，故在底部转铰部位设置水平拉索，以平衡水平拉力 ^[6-10] 。

主拱在顶升过程中，内置节点存在水平推力，同理内置节点也不能承受太大的水平荷载，故在主拱根部外侧设置水平拉索。拉索的设置方式如图10所示。  

图10　水平拉索设置

Fig.10　Setting of horizontal cable

5.2　桥面顶升旋转自平衡控制方法

桥面梁与主拱夹角为120°，桥面顶升计算时，在夹角达到90°之前，每15°得到一个模型，达到90°之后，每10°得到一个模型，共10个模型。计算模型如图11所示。  

图11　桥面计算模型

Fig.11　Calculation models of bridge deck

根据轴力计算结果得到桥面梁旋转时每一步的水平拉索内力，并以此作为自平衡拉力值来控制每一个旋转步骤。桥面梁轴力如图12所示，拉力值如表1所示。  

图12　桥面梁轴力

Fig.12　Axial forces of bridge deck beam

5.3　整体顶升旋转自平衡控制方法

主拱顶升共计60°，计算时，每15°得到一个模型，共5个模型。整体建模计算时的计算模型如图13所示。  

图13　主拱计算模型简图

Fig.13　Schematic diagram of main arch  calculation model

根据轴力计算结果得到桥面梁旋转时每一步的水平拉索内力，并以此作为自平衡拉力值来控制每一个旋转步骤。主拱轴力如图14所示，拉力值如表2所示。  

图14　主拱轴力

Fig.14　Axial forces of main arch

5.4　索力监测

本工程采用定长索设计，通过在自重作用下精确设计和控制各索制作长度，从而达到设计态效果。

为测试所有12根斜索的索力变化，共布置15个EM传感器，具体布置位置如图15所示。索力实测值与设计值的对比如表3所示。  

图15　EM传感器布置

Fig.15　Layout of EM sensors

6　结  论

（1）高空自平衡竖向旋转安装方法的关键点之一在于旋转节点的设计合理性、加工的高精度及安装的高精度。

（2）高空自平衡竖向旋转安装方法的关键点之二在于旋转过程中自平衡拉索拉力的精确控制，确保旋转过程中水平推力达到最小，即旋转过程的自平衡控制。

（3）旋转过程显示，按照每15°进行一次自平衡拉力的控制和采用液压提升器进行水平拉力的控制是正确的。施工过程较好地按照计算的水平拉索值精准地进行了控制，确保了旋转过程的顺利进行。

（4）通过对索力监测值与设计值的对比分析，拉索在自重作用下能够张紧并达到设计要求。

通过利用MIDAS、SAP2000及ANSYS等有限元分析软件，能够很快地对竖向旋转施工方案的各个环节进行数值分析，从而形成旋转施工自平衡控制方法，保证了施工过程的顺利进行，可为其他类似工程施工提供参考。

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