大跨鋼箱拱橋索塔扣塔一體化施工仿真分析

鄧 可

0 引言

大跨拱橋常用纜索吊裝斜拉扣掛法來施工建設(shè)。為了提高拱肋節(jié)段拼裝精度和增強(qiáng)主拱吊運(yùn)及拼裝過程中的安全性，通常將索塔與扣塔分開布置，使索塔、扣塔系統(tǒng)能獨(dú)立工作。但是考慮成本、工期或索、扣塔錨碇布置受地形影響等，索塔、扣塔一體化施工技術(shù)受到重視。本文結(jié)合工程實(shí)例，用ANSYS程序建立索塔、扣塔、主橋有限元模型，對(duì)大跨鋼箱拱橋施工過程中的索、扣塔一體化技術(shù)進(jìn)行施工仿真分析。

1 索塔、扣塔一體化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

扣塔承載能力和剛度是索、扣塔一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。索、扣塔一體化后，扣塔得承受扣索力外的其他荷載，為減小扣塔塔底彎矩，降低索塔塔頂位移對(duì)拱肋安裝精度的影響，應(yīng)在索塔底部和扣塔頂部設(shè)置鉸支座，使索塔在理論上傳遞極少水平推力給扣塔，同時(shí)適當(dāng)增大扣塔截面尺寸，增加扣塔承載力與剛度。索塔、扣塔一體化后的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)包含纜索塔架、鉸支座和扣索塔架。

1)索塔。主要承受主索及纜風(fēng)傳遞來的荷載，并通過鉸支座傳遞至扣塔。2)鉸支座。主要功能是將來自索塔的荷載傳遞給扣塔，使索塔在理論上傳遞極少水平推力給扣塔。3)扣塔。塔底固結(jié)。主要承受扣塔塔頂傳遞的荷載，并將荷載傳遞給塔底基礎(chǔ)。

吊、扣塔一體化后，塔架成為拱肋拼裝施工的主要結(jié)構(gòu)體系，承受著自重、纜索、扣索、風(fēng)纜及風(fēng)等荷載，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性關(guān)系到鋼箱拱肋吊拼的施工安全，同時(shí)對(duì)拱肋拼裝線形也有一定影響。

2 工程概況

主橋?yàn)殡p肢拱中承式鋼箱系桿拱橋，主跨450 m，矢跨比f/L=1/5，邊跨拱肋與中跨拱肋在一個(gè)平面內(nèi)，橫向傾斜度為1∶5。拱肋分為上、下兩肢，邊跨下肢拱采用二次拋物線，凈矢高為4.5 m;主跨下肢拱采用懸鏈線，矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)為1.6;上肢拱采用兩端圓曲線和中間二次拋物線組合，中間二次拋物線部分矢跨比為1/11.5，上、下肢拱肋均選用全焊鋼箱型截面。

在大橋兩岸分別設(shè)置一座高為152 m的塔架，塔架橫向中心寬度22 m，兩塔相距450 m，塔底均為固結(jié)，索塔與扣塔間用單肢單鉸聯(lián)結(jié)，上端可以通過風(fēng)纜調(diào)控塔頂位移。主索設(shè)置2組，每組主索由12根φ60 mm鋼絲繩組成，最大設(shè)計(jì)吊重250 t(見圖1)。

圖1 拱肋節(jié)段斜拉扣掛拼裝施工（示半跨）

3 索塔、扣塔一體化結(jié)構(gòu)分析

3.1 索塔受力分析

索塔的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、塔頂豎向力、塔頂不平衡水平力和前后纜風(fēng)初張力。由索塔的受力狀態(tài)，計(jì)算出索塔底部鉸支座的水平力和豎直力，并反向作用在扣塔塔頂。

用ANSYS通用有限元程序?qū)λ魉M(jìn)行建模分析，索塔塔底鉸接。圖2為索塔的有限元模型。

當(dāng)最大吊重在跨中時(shí)，索塔受力最為不利。對(duì)纜索系統(tǒng)的一組主索而言，有:

水平力: HA=103.25 kN，

豎直力: VA=7 641.15 kN。

將纜索吊裝系統(tǒng)產(chǎn)生的力施加到索塔上，通過計(jì)算分析可以得到索塔和扣塔鉸接處的豎向反力和水平反力。

3.2 扣塔受力分析

由于已計(jì)算出索塔底部鉸支座的支反力，將支反力反向按節(jié)點(diǎn)荷載施加到扣塔頂部，此時(shí)扣塔底部固結(jié)。GB J135-90靜風(fēng)荷載參考高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和JTG/T D60-01-2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，選取扣塔的重要部位斜腿轉(zhuǎn)向處、塔底的內(nèi)力和應(yīng)力。計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 索塔有限元計(jì)算模型

圖3 扣、錨索作用下整體有限元模型

扣塔計(jì)算分別考慮兩種工況:

工況一:塔架拼裝完成，并試吊最重節(jié)段時(shí);工況二:拱肋最大懸臂狀態(tài)(合龍前)。

表1 扣塔內(nèi)力、應(yīng)力值

從表1可以看出，兩種工況下，扣塔最大壓力為8 214 kN，最大壓彎壓力132.7 MPa，與允許壓力和壓彎應(yīng)力相比，扣塔受力有一定富余，故其強(qiáng)度滿足施工要求。

纜索吊裝系統(tǒng)在吊裝鋼箱拱肋時(shí)，整個(gè)扣塔上端自由，扣塔下端固結(jié)，而塔頂可產(chǎn)生較大的橫向位移，故整個(gè)塔架易發(fā)生彎、壓組合變形，其根部應(yīng)力可以表示為:

其中，N，P分別為軸向力和水平橫向力;Wy為抗彎截面模量。

一方面，水平力使塔架結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向彎曲，在塔架根部產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲應(yīng)力;另一方面，扣索、風(fēng)纜和主索系統(tǒng)沿塔架軸向的作用力和塔架的自重，又進(jìn)一步加大了塔架的橫向彎曲變形在塔架根部產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定。所以在吊裝過程中，應(yīng)適時(shí)地調(diào)整風(fēng)纜，控制好塔頂水平位移，避免塔架底部應(yīng)力過大而屈服。

在扣錨索、風(fēng)纜和主索等組合荷載作用下，考慮到塔架穩(wěn)定性，塔頂?shù)脑试S位移為20 cm。所以，在鋼箱拱肋的吊裝過程中，為避免塔頂?shù)乃轿灰七^大，必須對(duì)塔頂位移跟蹤觀測，適時(shí)調(diào)整風(fēng)纜，將水平位移控制在允許值內(nèi)。

3.3 整體穩(wěn)定性分析

采用ANSYS通用有限元程序?qū)Φ蹩垡惑w化施工體系進(jìn)行穩(wěn)定分析，將吊扣一體化系統(tǒng)整體建模分析，考慮扣塔、拱肋、扣錨索的協(xié)同工作，按第一類穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

圖4 工況一失穩(wěn)模態(tài)

圖5 工況二失穩(wěn)模態(tài)

對(duì)吊扣一體化的三個(gè)工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，三個(gè)工況分別為:

工況一:塔架拼裝完成，并試吊最大節(jié)段時(shí)，考慮風(fēng)荷載;工況二:拱肋最大懸臂狀態(tài)(合龍前)，考慮風(fēng)荷載;工況三:拱肋最大懸臂狀態(tài)(合龍前)，不考慮風(fēng)荷載。

其分析結(jié)果如下:

1)工況一下的彈性穩(wěn)定系數(shù)為10.528，圖4為第一工況失穩(wěn)模態(tài);2)工況二下的彈性穩(wěn)定系數(shù)為8.536，工況三下的彈性穩(wěn)定系數(shù)為11.381，圖5為第二工況失穩(wěn)模態(tài)。

4 結(jié)語

1)索塔、扣塔一體化施工仿真分析表明，本橋采用的纜索吊裝吊扣一體化施工方案是可行的，滿足拱肋拼裝精度和施工安全性要求。

2)索塔、扣塔一體化結(jié)構(gòu)為高聳的大型鋼桁架結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，風(fēng)荷載對(duì)該體系的穩(wěn)定性影響較明顯，拱肋為最大懸臂狀態(tài)時(shí)在風(fēng)荷載作用下，其彈性穩(wěn)定系數(shù)降低了25%左右。因此，在設(shè)計(jì)和施工控制中應(yīng)當(dāng)引起高度重視。

3)索塔、扣塔一體化系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算分析表明，索塔塔頂最大容許水平偏位為20 cm，調(diào)整風(fēng)纜索力能有效增強(qiáng)索塔、扣塔一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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