淺析纜索吊系統(tǒng)纜風(fēng)索對(duì)吊塔剛度影響

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

纜索吊裝施工具有設(shè)備跨越能力大，水平和垂直運(yùn)輸靈活，適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，是修建大跨徑拱橋和懸索橋的主要方法。懸索橋纜索吊吊塔通常固結(jié)于主塔上，主塔剛度較大，故吊塔剛度也大，一般無(wú)需設(shè)置纜風(fēng)索。對(duì)于鋼管混凝土拱橋“纜索吊裝、斜拉扣掛”施工方法，扣塔作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，為節(jié)省成本，扣塔一般剛度較小。為減小吊塔對(duì)扣塔塔偏的影響，通常吊塔與扣塔采用鉸接，阻止彎矩傳遞到扣塔，因而吊塔順橋向?qū)儆跈C(jī)動(dòng)體系，必須設(shè)置纜風(fēng)索提供順橋向剛度，因此纜風(fēng)索面積、彈模、初張力均會(huì)影響吊塔剛度。

一、依托工程纜索吊系統(tǒng)介紹

纜索吊系統(tǒng)跨徑布置為365m+504.4m+400m，凈吊重140T。吊塔結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，標(biāo)準(zhǔn)立柱采用φ630×12mm鋼管，吊塔底通過(guò)鉸接固定在扣塔頂端，立柱通過(guò)鋼板組焊件的鉸梁連接在一起；主索采用12φ60鋼絲繩，起重索采用2φ36鋼絲繩，牽引索采用φ42鋼絲繩；纜風(fēng)索兩岸邊跨側(cè)后纜風(fēng)索每側(cè)設(shè)計(jì)4組9φ15.2mm鋼絞線，中跨采用通風(fēng)纜進(jìn)行連接，通風(fēng)纜采用4組3φ54mm鋼絲繩；為提高吊塔的橫向剛度，設(shè)置2組6φ15.2mm鋼絞線外八字形的斜纜風(fēng)索。纜風(fēng)索張拉力南岸側(cè)170T，北岸側(cè)175T，通風(fēng)纜170T，側(cè)纜風(fēng)56T。

二、纜風(fēng)索對(duì)吊塔剛度影響分析

由于吊塔與扣塔采用鉸接，吊塔順橋向?qū)儆跈C(jī)動(dòng)體系，吊塔剛度主要通過(guò)張拉纜風(fēng)索形成，故纜風(fēng)索剛度直接反映吊塔剛度，由于索結(jié)構(gòu)存在垂度效應(yīng)，纜風(fēng)索的剛度由材料自身彈模及張拉力決定。由于材料實(shí)際彈模及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際張拉力與理論存在偏差，從而導(dǎo)致吊塔塔偏與理論值不符。下文將通過(guò)有限元軟件Midas/civil分析纜風(fēng)索彈模變化、初張力變化對(duì)吊塔剛度的影響大小。

(一)有限元模型建立

有限元建模分析采用有限元軟件Midas/civil。模型共建立節(jié)點(diǎn)2966個(gè)、單元3320個(gè)，其中纜風(fēng)索采用索單元；邊界條件吊塔底部解除Y轉(zhuǎn)動(dòng)約束；纜索吊吊裝荷載以節(jié)點(diǎn)力形式施加于吊塔頂。分析過(guò)程開(kāi)啟非線性分項(xiàng)。

模型示意圖

(二)纜風(fēng)索彈模對(duì)吊塔剛度影響

在實(shí)際工程中，鋼絲繩的彈性模量比較發(fā)散，且工作時(shí)間在變化，對(duì)于新出廠的鋼絲繩彈模相對(duì)較小。為分析纜風(fēng)索彈模對(duì)吊塔剛度影響，在其他條件不變的情況下，纜風(fēng)索彈模減小5%、10%、15%，分別計(jì)算額定吊重下吊塔的塔偏值。

在正常情況下，理論計(jì)算額定吊重下塔偏值為110mm，纜風(fēng)索彈模減小5%、10%、15%情況下塔偏分別為115mm、121mm、128mm，由此可見(jiàn)纜風(fēng)索彈模減小對(duì)吊塔剛度的影響近似線性影響關(guān)系。

(三)纜風(fēng)索初張力對(duì)吊塔剛度影響

在實(shí)際工程中，由于吊塔順橋向?qū)儆跈C(jī)動(dòng)體系，張拉過(guò)程中吊塔隨之產(chǎn)生位移進(jìn)而影響其他纜風(fēng)索索力，纜風(fēng)索初張力不易控制。當(dāng)張拉過(guò)程中纜風(fēng)索索力同時(shí)減小時(shí)，吊塔仍然處于平衡豎直狀態(tài)。由于大噸位張拉設(shè)備重，不便運(yùn)算至塔頂，通常單根張拉鋼絲繩，根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失原理，先張拉的較后張的索力必然小，綜上原因，施工現(xiàn)場(chǎng)張拉力往往沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)索力。為分析纜風(fēng)索初張力對(duì)吊塔剛度影響，在其他條件不變的情況下，纜風(fēng)索初張力減小10%、20%、30%，分別計(jì)算額定吊重下吊塔的塔偏值。

在正常情況下，理論計(jì)算額定吊重下塔偏值為110mm，纜風(fēng)索初張力減小10%、20%、30%情況下塔偏分別為113mm、118mm、126mm，由此可見(jiàn)纜風(fēng)索初張力減小對(duì)吊塔剛度的影響近似拋物線關(guān)系。

三、結(jié)論

通過(guò)有限元軟件分析，纜風(fēng)索彈模變化對(duì)吊塔剛度的影響近似線性影響關(guān)系。在架設(shè)纜風(fēng)索時(shí)，建議對(duì)鋼絲繩彈性模量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，做好記錄，對(duì)吊裝過(guò)程塔偏分析提供依據(jù)。

通過(guò)有限元軟件分析，纜風(fēng)索初張力變化對(duì)吊塔剛度的影響近似拋物線關(guān)系。在張拉纜風(fēng)索時(shí)，可分級(jí)多次張拉，使吊塔塔偏變化幅度在某個(gè)較小范圍，以此減小纜風(fēng)索之間相互影響以及減下預(yù)應(yīng)力損失。