一种钢管混凝土桥塔及其施工方法与流程

1.本发明涉及悬索桥技术领域，特别是一种钢管混凝土桥塔及其施工方法。


背景技术：

2.悬索桥主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件，以受压为主。传统悬索桥主塔采用混凝土桥塔、钢桥塔和混合桥塔结构；其中由于混凝土桥塔承载力较高而受到广泛应用，但因自重较大，地震作用下承载力反而会较低，同时混凝土需要的砂石较多，施工成本大，且施工周期一般也长达1年以上，耗时长；钢塔自重较小，利于抗震，但用钢量大、费用较高，而且山区环境不具备大型钢构件的运输条件，且在风荷载作用下钢箱塔柱容易发生涡激振动；而混合桥塔虽然兼得了混凝土桥塔和钢塔的优点，在具有高承载力的同时能够在一定程度上减轻主塔自重，但未从根本上解决问题，仍具有混凝土桥塔和钢塔的固有缺陷。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种钢管混凝土桥塔及其施工方法，能够将大型桥塔构件预制和可拆分运输，降低山区运输难度，缩短施工周期，提高施工效率，并充分发挥钢管混凝土结构的抗压性能和桥塔立柱的截面几何特性，保证大跨径或高桥塔建设的性能需求。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种钢管混凝土桥塔，包括若干拼接节段，拼接节段包含若干钢管一和位于钢管一上的至少一个固结单元，钢管一中填充有混凝土，固结单元包括若干钢管二，钢管二沿桥塔周向横向连接相邻两个钢管一，相邻两个固结单元沿桥塔纵向间隔设置；所有拼接节段通过钢管一对接连接。
5.其中，固结单元用于将所有钢管一连接为整体，保证钢管混凝土桥塔结构的整体稳定性；钢管二作为腹杆构件，能够通过自身抗弯能力，传递相邻两个钢管一的不平衡轴力。本发明将悬索桥桥塔采用钢管混凝土结构形式，充分发挥了钢管混凝土材料延性好、自重轻、无需混凝土模板的特点，显著提高了桥塔的抗压承载力和施工效率；基于此，通过合理布置连接主承重钢管一的固结单元，在结构安全稳定的基础上，可适当加大固结单元之间距离，节约用钢量，减少自重、提高抗震性；同时，通过合理布置固结单元，使得桥塔能够在钢管一处划分拼接节段，而所有钢管一上对应划分节点处的连线无其余构件干涉，从而利于将桥塔划分为若干拼接节段，施工时划分的拼接节段只需进行钢管一的对接焊即可完成桥塔搭建，不需要空中相贯线焊接，焊缝质量更容易得到保证，施工效率也高；且桥塔划分为若干拼接节段后也便于运输，降低了大型构件运输难度。此外，本发明所提供的钢管混凝土桥塔通过将固结单元沿桥塔纵向间隔设置，使桥塔具有多段镂空段、整体呈格构柱的结构形式，增大了桥塔透风性，提高了抗风性能，不容易发生涡激振动。
6.本发明所提出的钢管混凝土桥塔，将长桥塔化繁为简，能够实现装配化预制、运输
和施工，易于满足超大跨径悬索桥或高桥塔的性能需求，施工难度低，对施工环境的适应性高，且桥塔结构施工时间短，抗压承载性能高，抗风性能好，利于避免涡激振动的产生。
7.优选地，桥塔还包括横隔板，横隔板在单个固结单元中邻接所有钢管二；或者，桥塔还包括钢管三，钢管三在单个固结单元中连接相邻两个钢管二。横隔板/钢管三的设置提高了桥塔结构的抗扭等性能，进一步加强了结构稳定性。
8.优选地，当桥塔包括横隔板时，横隔板沿桥塔纵向间隔至少一个固结单元设置；当桥塔包括钢管三时，钢管三沿桥塔纵向间隔至少一个固结单元设置，保证桥塔结构足够抗弯、抗扭强度和抗压承载力的前提下，节省钢用量。
9.优选地，单个拼接节段中包含至少两个固结单元，相邻两个固结单元之间沿桥塔周向设有多个钢封板，钢封板的上下两端分别连接相应两个钢管二、两侧分别连接相邻两个钢管一，相邻两个固结单元及对应连接的钢封板形成一个抗剪单元；所有抗剪单元沿桥塔纵向间隔设置；相应地，相邻两个拼接节段的连接处位于对应两个抗剪单元之间，以便于桥塔节段拼接。
10.抗剪单元把腹杆钢管二和钢封板进行了一个有效组合，一方面利用钢封板较大的剪切刚度，传递相邻钢管一之间的不平衡轴力，且钢封板能够有效降低腹杆钢管二上的应力值，另一方面利用钢管二和钢管一弥补了钢封板容易发生面外变形的弱点；抗剪单元的结构设置还提高了桥塔的抗弯和抗扭性能。在此基础上，在保证结构强度及足够承受力的前提下，抗剪单元之间可适当拉大距离，减小钢用量，提高抗风性，使之能够满足大跨径、高桥塔的性能需求，降低生产成本。
11.优选地，钢封板内侧设有加劲板，加劲板用于提高钢封板面强度，弥补钢封板容易发生面外变形的弱点。
12.优选地，至少一个拼接节段中还包含钢管四，钢管四的两端分别连接相邻两个钢管一；在桥塔中，钢管四布置于相邻两个抗剪单元之间；相应地，相邻两个拼接节段的连接处位于对应抗剪单元和钢管四之间。
13.当相邻两个抗剪单元间距过大时，可通过在相邻抗剪单元之间合理设置钢管四，为钢管一上不平衡轴力进一步提供传递路径，加强薄弱环节的力学性能，利于减小钢用量，提高结构安全性。
14.划分节段时，可将有的拼接节段仅包括单个抗剪单元、两端无钢管四，有的拼接节段仅一端设置钢管四或两端均设有钢管四来进行桥塔节段划分，根据实际工况选择合适节点拼接位置。
15.优选地，钢管二/钢管四水平设置，钢用量少，也方便桥塔多个拼接节段采用平直段划分，施工效率高，且外观简洁、美观。
16.优选地，钢管二/钢管四为空心构件,用于减轻桥塔重量，便于预制和运输。
17.优选地，钢管混凝土桥塔还包括塔帽和基础，所有钢管一的顶端固结于塔帽、底端固结于基础。塔帽和基础约束了塔端径向变形，增强了塔柱的整体刚度，其中塔帽用于为鞍座提供安装空间。
18.本发明另提供一种上述钢管混凝土桥塔的施工方法，包括以下步骤：将后一个拼接节段对位到前一个拼接节段上，将两个拼接节段对应端部的钢管一对位焊接；
向后一个拼接节段的钢管一内灌注混凝土并振捣；依此类推从下到上依次完成所有拼接节段的对接和浇筑。
19.本发明所提出的施工方法，基于特定设计的钢管混凝土桥塔结构，仅沿钢管一进行切割将桥塔划分为多个拼接节段，以便于实现将桥塔结构装配化运输和高距离浇筑施工，避免了空中相贯线焊接，不仅降低了施工难度，而且焊缝质量更容易得到保证，提高了施工效率，施工方便、快捷，运输成本和施工成本低。
20.优选地，待最后一个拼接节段填充混凝土并成型后，在桥塔顶部焊接塔帽。
21.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：1、本发明所提出的钢管混凝土桥塔，将长桥塔化繁为简，能够实现装配化预制和施工，易于满足超大跨径悬索桥或高桥塔的性能需求，施工难度低，对施工环境的适应性高，且桥塔结构施工时间短，抗压承载性能高，抗风性能好，利于避免涡激振动的产生。
22.2、本发明所提出的钢管混凝土格构式桥塔结构，充分发挥了钢管混凝土材料延性好、自重轻、安装方便、无需混凝土模板的特点，从而大大提高了塔柱的承载力和施工效率。
23.3、本发明中的抗剪单元结构作为桥塔腹杆构造，充分发挥了截面的几何特性，有效提升了钢管混凝土格构柱的整体性能。从材料上，相比全水平布置的腹杆构造形式，本结构腹杆体系的有效利用率更高，布置的腹杆更少，能够节省钢材15%以上；从施工质量及效率上，相比采用三角形或者是“n”字型布置的腹杆构造形式，本结构无空中相贯线焊接，焊缝质量更容易得到保证，且由于只需进行承重柱钢管的对接焊，施工效率也更高；从美观上，由于腹杆杆件数量减少，整个结构显得更简洁，且钢封板和各钢管的组合也增强了格构柱线条的韵律感。
24.4、相比目前悬索桥塔最高值在200米左右且为钢筋混凝土结构，本发明所提出的钢管混凝土格构式桥塔，最大高度可做到300米，对应悬索桥跨径可长达2500米左右，且相同高度下重量可轻省1/3。
25.5、本发明所提出的钢管混凝土格构式桥塔，其结构的抗扭刚度与钢筋混凝土桥塔相差不大，而刚度约为相同高度混凝土桥塔的90%，承载力能够提高3.74倍以上。
26.6、本发明所提出的施工方法，基于特定设计的钢管混凝土桥塔结构，仅沿钢管一进行切割将桥塔划分为多个拼接节段，以便于实现将桥塔结构装配化运输和高距离浇筑施工，避免了空中相贯线焊接，不仅降低了施工难度，而且焊缝质量更容易得到保证，提高了施工效率，施工方便、快捷，运输成本和施工成本低。
附图说明
27.图1是一种钢管混凝土桥塔的结构示意图。
28.图2是实施例2中的一种钢管混凝土桥塔的结构示意图。
29.图3是图2中a部放大示意图。
30.图4是实施例3中的一种钢管混凝土桥塔的结构示意图。
31.图5是图4的正视图。
32.图6是图5中b-b部截面结构图。
33.图7是图6中c-c部截面结构图。
34.图8是实施例4中的一种钢管混凝土桥塔的结构示意图。
35.图9是实施例5中的一种钢管混凝土桥塔的结构示意图。
36.图10是图9中d部放大示意图。
37.图11是实施例4中钢管混凝土桥塔省去钢封板时在一定条件下腹杆的应力值变化。
38.图12是实施例4中钢管混凝土桥塔带有钢封板时在一定条件下腹杆的应力值变化。
39.图标：1-钢管一；2-钢管二；3-钢管三；4-钢管四；5-横隔板；5a-人孔；6-钢封板；7-塔帽；8-基础；9-加劲板。
具体实施方式
40.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
42.实施例1一种钢管混凝土桥塔，如图1-10，包括若干拼接节段，拼接节段包含若干钢管一1和位于钢管一上的至少一个固结单元，钢管一1中填充有混凝土，固结单元用于将所有钢管一1连接为整体，保证钢管混凝土桥塔结构的整体稳定性，固结单元包括若干钢管二2，钢管二2沿桥塔周向横向连接相邻两个钢管一1，钢管二2作为腹杆构件，能够通过自身抗弯能力，传递相邻两个钢管一1的不平衡轴力；相邻两个固结单元沿桥塔纵向间隔设置，所有拼接节段通过钢管一1对接连接。
43.本实施例将悬索桥桥塔采用钢管混凝土结构形式，充分发挥了钢管混凝土材料延性好、自重轻、无需混凝土模板的特点，显著提高了桥塔的抗压承载力和施工效率；基于此，通过合理布置连接主承重钢管一的固结单元，在结构安全稳定的基础上，可适当加大固结单元之间距离，节约用钢量，减少自重、提高抗震性；同时，通过合理布置固结单元，使得桥塔能够在钢管一处划分拼接节段，而所有钢管一上对应划分节点处的连线无其余构件干涉，从而利于将桥塔划分为若干拼接节段，施工时划分的拼接节段只需进行钢管一的对接焊即可完成桥塔搭建，不需要空中相贯焊缝的施焊，焊缝质量更容易得到保证，施工效率也高；且桥塔划分为若干拼接节段后也便于运输，降低了大型构件运输难度。此外，本发明所提供的钢管混凝土桥塔通过将固结单元沿桥塔纵向间隔设置，使桥塔具有多段镂空段、整体呈格构柱的结构形式，增大了桥塔透风性，提高了抗风性能，不容易发生涡激振动。
44.具体地，钢管二2优选为空心构件且将其水平设置。重量轻，钢用量少，也方便桥塔多个拼接节段采用平直段划分，施工效率高，且外观简洁、美观。
45.实施例2基于实施例1，作为一种具体实施方式，如图2、图3，桥塔还包括横隔板5，横隔板5在单个固结单元中邻接所有钢管二2。横隔板5的设置主要用于提高桥塔结构的抗扭等性能，进一步加强了结构稳定性。本实施例中，在所有固结单元中，优选横隔板5沿桥塔纵向间隔一个固结单元设置，保证桥塔结构具有足够抗弯、抗扭强度和抗压承载力的前提下，节省钢用量，结构美观。
46.进一步地，横隔板5中心设有人孔5a，便于检修人员通过。
47.实施例3基于实施例1，作为一种具体实施方式，如图4-图7，桥塔还包括钢管三3，钢管三3在单个固结单元中连接相邻两个钢管二2。钢管三3的设置也能用于提高桥塔结构的抗扭等性能，进一步加强结构稳定性。
48.本实施例中，在所有固结单元中，钢管三3沿桥塔纵向间隔一个固结单元设置，保证桥塔结构具有足够抗弯、抗扭强度和抗压承载力的前提下，节省钢用量，结构美观。进一步地，钢管三3为空心构件，质量轻便。
49.实施例4基于实施例1-3，作为一种具体实施方式，如图8。本实施例所提供的钢管混凝土桥塔作出进一步改进，其区别在于：单个拼接节段中包含至少两个固结单元，相邻的两个固结单元之间沿桥塔周向设置多个钢封板6，钢封板6的上下两端分别连接相应两个钢管二2、两侧分别连接相邻两个钢管一1，相邻两个固结单元及对应连接的钢封板6形成一个抗剪单元；所有抗剪单元沿桥塔纵向间隔设置；相应地，相邻两个拼接节段的连接处位于对应两个抗剪单元之间，以便于桥塔节段拼接。
50.抗剪单元把腹杆钢管二2和钢封板6进行了一个有效组合，一方面利用钢封板6较大的剪切刚度，传递相邻钢管一1之间的不平衡轴力，且钢封板6能够有效降低腹杆钢管二2上的应力值，另一方面利用钢管二2和钢管一1弥补了钢封板6容易发生面外变形的弱点；抗剪单元的结构设置还提高了桥塔的抗弯和抗扭性能。在此基础8上，在保证结构强度及足够承受力的前提下，抗剪单元之间可适当拉大距离，减小钢用量，提高抗风性，使之能够满足大跨径、高桥塔的性能需求，降低生产成本。
51.钢封板6的厚度一般略小于相邻腹杆钢管二2的壁厚，主要受焊接工艺的限制；钢封板6的厚度还应满足公路钢结构桥梁设计规范中高厚比的要求。
52.进一步地，必要时钢封板6内侧间隔焊接多个加劲板9；加劲板9垂直于钢封板6设置，也可相对加劲板9呈一定倾斜角设置。加劲板9用于提高钢封板6面强度，也能弥补钢封板6容易发生面外变形的弱点。
53.实施例5基于实施例4，本实施例所提供的钢管混凝土桥塔作出进一步改进，如图9、图10其区别在于：至少一个拼接节段中还包含钢管四4，钢管四4的两端分别连接相邻两个钢管一1；在桥塔中，钢管四4布置于相邻两个抗剪单元之间；相应地，相邻两个拼接节段的连接处位于对应抗剪单元和钢管四4之间。
54.具体地，钢管四4水平设置，钢用量少，也方便桥塔多个拼接节段采用平直段划分，施工效率高，且外观简洁、美观；进一步地，钢管四4为空心构件,用于减轻桥塔重量，便于预制和运输。
55.本实施例中钢管四4位于相邻两个抗剪单元间距的0.5-0.75倍位置处，相邻两个抗剪单元间距为1.5倍相邻钢管一1之间的距离。
56.当相邻两个抗剪单元间距过大时，可通过在相邻抗剪单元之间合理设置钢管四4，为钢管一1上不平衡轴力进一步提供传递路径，加强薄弱环节的力学性能，利于减小钢用量，提高结构安全性。
57.划分节段时，可将有的拼接节段仅包括单个抗剪单元、两端无钢管四4，有的拼接节段仅一端设置钢管四4或两端均设有钢管四4来进行桥塔节段划分，根据实际工况选择合适节点拼接位置。
58.如图11和如图12模拟了无钢封板和有钢封板的桥塔在相同环境条件下，钢管二上的应力变化情况，可知，钢管二越靠近钢管一，其应力值越大，即应力越集中；两者相比较下，有钢封板的桥塔，相比无钢封板的桥塔，钢管二的应力值明显降低，因此，钢封板的设置能够提高结构的安全性。
59.在实施例1-实施例5中，钢管混凝土桥塔还包括塔帽7和基础8部分图中未示意，所有钢管一1的顶端固结于塔帽7、底端固结于基础8。塔帽7和基础8约束了塔端径向变形，增强了塔柱的整体刚度，其中塔帽7用于为鞍座提供安装空间。
60.钢管二2、钢管三3、钢管四4的设置不限于上述水平设置和空心结构，也可选择合适方式倾斜设置使桥塔划分拼接节段时便于在钢管一1上作切割，拼接桥塔时仅需对接钢管一1，避免空中相贯线对接；钢管二2、钢管三3、钢管四4也可充填填充材料，根据施工工况和桥塔其它部件结构作适应调整。
61.此外，上述钢管混凝土桥塔的整体尺寸不受限制，由于单个承重钢管的截面尺寸受钢板壁厚的限制（钢管厚度决定了钢管直径的最大值以及钢管对管内混凝土约束效应的最大值），当受力需要而尺寸不够时，施工人员可根据具体工况和受力要求增加钢管一1的根数，不限于钢管一数量，也不限于常规矩形截面设计，也可根据设计要求选择三角形、五边形等多边形截面形式。
62.根据多组试验的结果表明，当桥塔中腹杆（如钢管二、钢管四）和承重管钢管一的壁厚比为0.3~0.8、直径比为0.4~0.7时，设置更为合理，焊缝的质量更容易得到保证，疲劳寿命长。而相邻腹管的间距一般为相邻两个钢管一间距的1~1.5倍，该值主要影响桥塔的局部稳定和整体稳定性能，以及腹杆本身的受力。
63.实施例6基于实施例1-实施例5，本实施例提供一种上述钢管混凝土桥塔的施工方法，包括以下步骤：根据运输条件及现场安装条件，确定拼接节段的划分长度；按设计要求在工厂内预制桥塔的各个拼接节段，包括准备所需组成构件（如钢管一、钢管二、钢封板及加劲板等）和焊接工作；在工地现场，现场现浇基础，首段拼接节段的预埋段联同基础同时施工；然后将后一个拼接节段对位到前一个拼接节段上，把后一个拼接节段的钢管一同前一个拼接节段的钢管一进行对接焊接（钢管对接焊接技术已相对成熟，在此不作赘述，如中国专利申请号为cn201820999766.9所提供的一种用于钢管对接焊接的定位工装、cn201420603508.6所提供的一种抱箍式圆钢管对接调整夹具等），然后向后一个拼接节段的钢管一内从上而下灌注混凝土并振捣，待该拼接节段管内混凝土强度达到设计强度的85%时继续下一拼接节段的施工；依此类推从下到上依次完成所有拼接节段的对接和混凝土浇筑；其中最后一个拼接节段的末端在工厂预制时就与桥塔塔帽的钢壳部分连接为一体，在现场安装时也仅对接钢管一即可，最后向塔帽钢壳高抛浇筑混凝土，完成最后一个拼
接节段的施工。
64.拼装作业可根据桥塔截面尺寸选择不同的吊装设备，截面尺寸较小时，可在桥塔旁边设置一台塔吊，截面尺寸较大时，可在其他中间镂空部分布设自爬式架设装备，以完成高空作业。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。