斜拉扣掛施工扣塔柱腳結構力學性能分析

王生澤，李臣嶸，趙小童，胡宗軍, 牛忠榮

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

斜拉扣掛施工扣塔結構是重要承載結構[1]，拱肋自重等施工荷載均通過扣索傳遞到扣塔上。扣塔的偏位會直接影響拱肋的豎向位移和線形控制。夏季施工晝夜溫差明顯。根據(jù)對國內(nèi)外橋梁的觀察研究，溫度導致的結構應力相當可觀[2-4]?？鬯⒂诮唤缍帐浅Ｒ姷目蹝煜到y(tǒng)結構形式，長跨度引橋結構與交界墩混凝土材料熱脹冷縮產(chǎn)生的變形對扣塔的力學性能也產(chǎn)生不利影響[5-7]。本文以MXH雙線特大橋項目為工程依托，研究通過優(yōu)化扣塔結構減小施工階段溫差產(chǎn)生的不利影響。

1 模型建立

1.1 工程背景

MXH雙線特大橋主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋。主拱肋為變寬變高鋼桁拱架，拱跨340m，矢高74m。主拱圈平面呈X形，分為拱腳分叉段和拱頂合并段，分叉段半幅采用3道橫梁連接。拱軸Z軸(豎向)立面線形采用懸鏈線，Y軸(橫橋向)豎面整體內(nèi)傾3.48°，形成拱腳分叉的X型結構，拱腳中心距16m，拱頂軸線中心距7m。拱肋主弦管φ750×24mm，聯(lián)接系為4肢組合角鋼結構。

鋼拱肋合抗攏如圖1所示。

圖1 MXH雙線特大橋總體布置圖

扣塔系統(tǒng)由交界墩、主塔架、引橋、扣索、錨索組成?？鬯到y(tǒng)總體布置如圖2(a)所示。交界墩高為72.455m，底部承臺跨17.117m，墩頂平臺長9m，寬6m，材料為C40混凝土。引橋為T形截面，縱橋向長64m?？鬯魉芨?6.9m，采用鋼管桁架結構，形成穩(wěn)定的空間桁架結構。橫橋向?qū)?.4m，縱橋向?qū)?.2m，材料為鋼材Q345D。立柱采用6根φ630×20鋼管，連接系桿件采用φ325×10鋼管，主塔架頂部設3層張拉分配梁，張拉第6階段到16階段的扣錨索。交界墩橫梁位置設置4層墩身張拉分配梁，主塔架布置如圖2(b)所示。

圖2 扣塔系統(tǒng)布置圖

1.2 扣塔柱腳結構方案初擬

初步擬定3種扣塔結構方案如下：扣塔柱腳結構如圖3所示。

圖3 扣塔柱腳結構示意圖

(1)方案1?？鬯?排柱腳ZJ1搭接于引橋上頂面?？鬯硗?排柱腳ZJ2、ZJ3搭接于交界墩的頂面，柱腳ZJ1、ZJ2、ZJ3柱底底板分別與引橋、交界墩頂?shù)某瓑|焊塊滿焊固定。引橋下底面與交界墩頂剛性連接。

(2)方案2?？鬯?排柱腳ZJ1搭接在引橋上頂面并且設置反扣滑移裝置，在反扣卡槽中涂抹黃油，使柱腳ZJ1在水平面內(nèi)縱橋向可滑移?？鬯硗?排柱腳ZJ2、ZJ3搭接于交界墩的頂面，柱底底板與交界墩頂?shù)某瓑|焊塊滿焊固定。引橋下底面與交界墩頂剛性連接。

(3)方案3?？鬯?排柱腳ZJ1搭接在引橋上頂面并且設置反扣滑移裝置。在反扣卡槽中涂抹黃油，使柱腳ZJ1在水平面內(nèi)縱橋向可滑移?？鬯硗?排柱腳ZJ2、ZJ3搭接于交界墩的頂面，柱底底板與交界墩頂?shù)某瓑|焊塊滿焊固定。引橋下底面與交界墩頂設置滑動鉸，使水平縱橋向可滑移。

1.3 力學模型

根據(jù)扣塔系統(tǒng)自身特點，對扣塔柱腳部分進行一定的簡化，建立力學模型如下：

(1)方案1。由于柱腳ZJ1、ZJ2、ZJ3分別與引橋、交界墩之間通過底板與抄墊焊塊滿焊固定，所以兩者之間的連接方式采用剛接。引橋下底面與交界墩同樣采用剛接。

(2)方案2。由于柱腳ZJ2、ZJ3與交界墩之間通過底板與抄墊焊塊滿焊固定，所以兩者之間的連接方式采用剛接。柱腳ZJ1與交界墩之間設置了反扣滑移結構，即此處約束豎直方向位移和水平面內(nèi)橫橋方向位移，釋放水平面內(nèi)順橋方向位移和節(jié)點的轉(zhuǎn)動約束。引橋下底面與交界墩采用剛接。

(3)方案3。由于柱腳ZJ2、ZJ3與交界墩之間通過底板與抄墊焊塊滿焊，所以兩者之間的連接方式采用剛接。柱腳ZJ1與交界墩之間設置了反扣滑移結構，即此處約束豎直方向位移和水平面內(nèi)橫橋方向位移，釋放水平面內(nèi)順橋方向位移和節(jié)點的轉(zhuǎn)動約束。引橋與交界墩之間采用滑動鉸，其連接處約束豎直方向和水平面內(nèi)橫橋方向位移，釋放水平面內(nèi)順橋方向位移和節(jié)點的轉(zhuǎn)動約束。

1.4 有限元計算模型

本文使用大型有限元軟件Midas/Civil進行力學計算分析。有限元模型根據(jù)該工程結構構造與位置關系，將主拱肋、交接墩、引橋、扣塔主塔架等結構建立于模型當中，斜拉扣掛施工從兩岸同時進行，兩岸扣塔結構相同位置對稱，只選取其中1座進行施工階段分析[8,9]，有限元模型如圖4所示。模型共計4494個節(jié)點，8212個單元。整體建模主拱肋、扣錨索、扣塔體系變形協(xié)調(diào)，符合實際施工狀態(tài)。

圖4 有限元模型示意圖

扣塔交界墩底、引橋未與扣塔接觸一端、主拱肋鋼箱梁底部與地面固結，約束3個方向平動自由度和3個方向轉(zhuǎn)動自由度。錨索與錨碇之間采用鉸接，約束3個平動自由度，釋放3個方向轉(zhuǎn)動自由度。

計算荷載分別為結構自重，施工過程中扣、錨索力和溫度荷載。根據(jù)當?shù)貧夂蛸Y料，考慮±20℃的溫度變化。

模型以扣塔拱腳中心為坐標原點，沿拱橋軸線大里程方向(由引橋向主橋方向)為X軸正方向、平面上垂直X軸的下游側(cè)為Y軸正方向、豎直向上為Z軸正方向。

2 計算結果

在各施工階段分別對3種結構方案進行升溫、降溫計算，得到扣塔結構位移?？鬯撞恐_在溫度變化下的偏移結果如圖5所示。橫坐標表示相對應的施工階段，縱坐標表示位移值。圖中正位移表示扣塔由引橋側(cè)向主橋側(cè)的縱橋向偏移，負位移表示扣塔由主橋側(cè)向引橋側(cè)的縱橋向偏移。

圖5 扣塔底部位移

±20℃的溫度變化下長跨度引橋由于混凝土材料膨脹收縮產(chǎn)生為±23mm的水平縱橋向位移。方案1扣塔底部、引橋和交界墩完全固結，所以扣塔底部的位移與溫度變化產(chǎn)生的引橋縱橋向位移一致；方案2扣塔底部與引橋之間雖設置滑移結構，但是扣塔與交界墩為固結，不設滑移鉸，所以溫度變化產(chǎn)生的引橋變形通過交界墩間接影響扣塔結構位移，所以各施工階段，方案1、方案2中扣塔底部位移量完全與引橋變形量同步。由于方案3分別在引橋和扣塔柱腳、引橋和交界墩之間設置滑動裝置，引橋和扣塔、交界墩可以產(chǎn)生相對位移，溫度變化產(chǎn)生的引橋縱橋向位移能夠自由釋放，扣塔底部不會因溫度變化而產(chǎn)生較大的偏位，各施工階段位移量均小于10mm。

懸掛扣、錨索的分配梁位于扣塔頂部，施工過程中塔頂水平縱橋向偏移量直接影響拱肋的線形控制和安裝精度。3種扣塔結構在各施工階段受溫度變化塔頂位移如圖6所示。

圖6 扣塔頂部位移

各階段方案1、方案2塔頂偏移較大，極值達到了-35mm，但是隨著施工階段增加，扣、錨索力的增大，扣塔的位移量受到限制，對扣塔變形有益。起拱全過程中方案3塔頂位移量均可控制在15mm以內(nèi)。

因長跨度引橋推動作用，扣塔底部局部變形對扣塔結構應力影響是關注的重點。受溫差作用3種扣塔方案柱腳ZJ1、ZJ2、ZJ3組合應力對比如圖7～圖9所示。圖中橫軸表示施工階段，縱軸表示組合應力值。Midas/Civil中組合應力為軸向應力和彎曲應力的疊加，“+”表示拉應力，“-”表示壓應力。圖中給出的柱腳組合應力值為1排3個柱腳的組合應力的最大值。

圖7 柱腳ZJ1組合應力

圖9 柱腳ZJ3組合應力

前5個施工階段由于扣、錨索均掛于交界墩，扣塔只受重力和溫度變化作用，未受索力作用，柱腳應力無變化。第6階段開始，扣塔受重力、索力、溫差共同作用。方案1、方案2扣塔柱腳ZJ1、ZJ2在施工過程中出現(xiàn)拉應力，這對柱腳焊縫和柱腳ZJ1與引橋之間的反扣滑移裝置是非常不利的。方案2柱腳ZJ1設置了反卡扣滑移結構，這種結構抗拉能力差，柱腳出現(xiàn)的拉應力直接影響到現(xiàn)場施工的安全性。方案3柱腳ZJ1在溫度變化下均為壓應力，且各柱腳應力分布較均衡，各施工階段應力變化平緩，安全可靠性更高。

溫差下3種方案扣塔結構在各施工階段最大組合應力結果如圖10所示。3種方案最大應力變化趨勢基本相同，扣塔主塔架采用Q345D鋼材，結構最大應力值為-120MPa，滿足強度規(guī)范要求?？鬯Y構最大壓應力多出現(xiàn)于底部斜桿和柱腳，在實際施工過程中應加強對氣象的監(jiān)測和該部位的監(jiān)控與檢修。

圖10 扣塔結構最大應力

3 結 論

本文利用有限元軟件Midas/Civil計算分析了在±20℃的溫差下3種扣塔柱腳結構方案在施工過程中的力學性能，得到結論如下：

(1)方案3柱腳滑移結構搭配引橋底的滑動鉸結構能夠釋放長跨度引橋在溫度變化作用下產(chǎn)生的順橋向位移，有效避免了引橋位移對扣塔結構位移場和應力場的影響。

(2)施工過程中，在溫度變化作用下，方案1、方案2扣塔柱腳部位均出現(xiàn)了拉應力，方案3扣塔柱腳未出現(xiàn)拉應力，并且應力變化平穩(wěn)，保證了結構安全可靠。

(3)方案3扣塔結構最大應力、位移均在許用范圍內(nèi)，滿足剛度強度要求。

(4)根據(jù)對3種方案扣塔柱腳結構的比選，方案3扣塔結構能夠抵抗溫度對于結構的不利影響，并且強度剛度滿足規(guī)范要求。方案3結構明顯優(yōu)于方案1、方案2，確定其為施工方案。通過有限元分析得到的強度、剛度結果可以為同類型的結構設計提供有效參考。