鋼箱提籃拱橋纜塔扣塔一體化設(shè)計研究*

王德明，張 杰，劉 夏

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027； 2.中交路橋華東工程有限公司，上海 201203)

0 引言

塔架支撐系統(tǒng)是纜索吊裝系統(tǒng)的重要組成部分，是纜索吊裝系統(tǒng)的主要受力結(jié)構(gòu)之一，因此塔架的結(jié)構(gòu)設(shè)計是纜索吊裝系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。在鋼箱提籃拱拱肋節(jié)段吊裝過程中，為了方便拱軸線形調(diào)控，纜索吊裝系統(tǒng)的纜塔和扣塔經(jīng)常以“纜扣分離”布置形式出現(xiàn)，很少采用“纜扣合一”的結(jié)構(gòu)體系。然而在某些情況下, 受到現(xiàn)場地形條件限制,塔架和后錨難于布置，必須采用纜塔扣塔一體化的結(jié)構(gòu)體系。本文結(jié)合工程實例，采用有限元軟件MIDAS/Civil建立中承式鋼箱提籃拱橋有限元模型，對纜塔扣塔一體化的結(jié)構(gòu)體系進行研究。

1 工程概況

車田江大橋是一座跨越車田江水庫的大型橋梁，大橋橋跨組合為：2×30m預(yù)制T梁+292.5m(主橋交界墩間距)鋼主梁+30m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆梁，大橋全長391.0m。主橋為280m中承式鋼箱拱，矢跨比1/4.375，拱軸線線型為拋物線，拱肋向內(nèi)傾10°。拱肋為箱形截面，尺寸從拱頂?shù)焦澳_由2.5m×2.5m漸變?yōu)?.5m×5.0m。為了平衡拱肋內(nèi)傾引起的水平分力和增強拱肋安裝階段的穩(wěn)定性，全橋共設(shè)置9道永久橫撐。上、下游拱肋各分為39個節(jié)段，其中前3節(jié)采用單節(jié)吊裝，其余節(jié)段采用兩節(jié)段合一形式，最大吊重88.7t。

2 索塔設(shè)計

2.1 方案比選

纜索吊裝系統(tǒng)的纜索塔架和斜拉扣掛系統(tǒng)的扣錨索塔架主要以“纜扣分離”和 “纜扣合一”的布置形式出現(xiàn)(見表1)。

表1 技術(shù)比較

2.2 方案比選結(jié)果

由于大橋兩側(cè)的銜接路基均在挖方段，纜索吊裝系統(tǒng)的地錨及塔架布設(shè)須增加開挖面，破壞地表原生態(tài)，同時為保證施工工期，引橋施工也須同步進行。故主橋上部結(jié)構(gòu)安裝施工采用“纜扣合一”

方案予以實施。纜索吊裝總體布置如圖1所示。

圖1 車田江大橋纜索吊裝布置(單位：cm)

3 纜塔扣塔一體化結(jié)構(gòu)分析

纜塔扣塔一體化后，為了盡可能增強索塔的剛度及穩(wěn)定性，纜索塔架與扣錨索塔間采用固結(jié)方式連接。

3.1 扣塔錨梁受力分析

3.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

纜索起重機扣塔錨梁是一個扣背索的局部集中應(yīng)力傳遞到扣塔的重要受力構(gòu)造。如圖2所示，錨梁主要由鋼牛腿、箱形錨固梁及設(shè)置在箱形錨固梁兩端錨固扣背索的錨固結(jié)構(gòu)組成，布置在纜索起重機扣塔鋼管平聯(lián)上。為了提高扣塔抵抗扣背索豎向分力，在此鋼管平聯(lián)內(nèi)填充混凝土。錨梁通過改變安裝位置實現(xiàn)不同角度的拱肋節(jié)段扣掛。

圖2 扣塔錨梁布置示意

3.1.2扣背索索力計算

扣索初拉力計算采用零彎矩法，即把拱肋節(jié)段間連接視作鉸接點，此時拱肋節(jié)段處于靜定狀態(tài)，在已知拱肋節(jié)段自重及扣索角度的情況下，拱肋節(jié)段連接處彎矩為0，便可計算扣索初拉力。背索索力計算采用等水平力法，該方法假設(shè)扣索的水平分力與其對應(yīng)背索的水平分力相等，從而近似計算背索索力，計算結(jié)果如表2所示，計算根數(shù)按單根鋼絞線張力90kN控制。

表2 扣背索索力及數(shù)量

3.1.3結(jié)構(gòu)驗算

扣塔錨梁采用MIDAS/FEA進行驗算，在計算時，根據(jù)上述最大扣背索索力集中壓強作用在錨梁錨墊板的方式進行驗算。驗算模型如圖3所示，采用六面體網(wǎng)格單元，模型邊界條件為鋼牛腿根部固定約束，箱形錨固梁和錨固結(jié)構(gòu)通過焊接連接，采用剛性約束模擬。

圖3 結(jié)構(gòu)驗算模型

由圖4，5可知，扣塔錨梁最大組合應(yīng)力值σ=212.9MPa

圖4 扣塔錨梁節(jié)點應(yīng)力云圖

圖5 扣塔錨梁整體位移云圖

3.2 塔架受力分析

3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

在水庫兩岸分別設(shè)置一高約89.3m的門式塔，塔間相距400m。每個塔架采用4根φ1 020×10鋼管作為立柱，順橋向×橫橋向鋼管間距為5m×5m，塔柱中心距為22m。塔架的平聯(lián)和斜撐均采用φ630×8鋼管，共設(shè)3道平聯(lián)，將上、下游塔柱連成整體，形成門形框架。塔體底部采用鋼管混凝土樁基礎(chǔ)承臺實現(xiàn)固結(jié)，上端利用纜風(fēng)繩調(diào)控塔頂偏移。主索設(shè)置2組，每組主索由10根φ56鋼絲繩組成。每個扣塔設(shè)置9道扣背索，扣背索均采用1 860MPa鋼絞線(見圖6)。

圖6 塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.2結(jié)構(gòu)驗算

3.2.2.1荷載參數(shù)

塔架結(jié)構(gòu)是由萬能桿件拼裝而成，萬能桿件間采用螺栓連接。如果所有螺栓都有較好的緊度，可認為萬能桿件間的連接是剛接，因此使用梁單元模擬萬能桿件。

塔架在拱肋吊裝階段所受荷載如下。

1)風(fēng)荷載 由JTG/T 3360-01—2018 《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》，橋墩、橋塔、吊桿上的風(fēng)荷載、橫橋向風(fēng)作用下的斜拉橋斜拉索和懸索橋主纜上的靜風(fēng)荷載計算：

(1)

式中：CD為橋梁各構(gòu)件的阻力系數(shù)，橫橋向取2，縱橋向取1.8；An為橋梁各構(gòu)件順風(fēng)向投影面積；Ug為等效靜陣風(fēng)風(fēng)速；ρ為空氣密度，取1.25kg/m3。

2)索系荷載 作用在塔架上的索系荷載計算：

V1=μTmax(sinα1+sinα2)

(2)

H1=μTmax(cosα1-cosα2)

(3)

式中：V1為主索荷載的垂直分力；H1為主索荷載的水平分力；μ為構(gòu)件吊裝動力系數(shù)，由于計算總荷載計入沖擊系數(shù)，此處不再計入；α1，α2分別為主索兩側(cè)與水平線夾角(見圖7)。

圖7 索系與水平線夾角示意

3)扣背索索力。

4)纜風(fēng)索力 設(shè)置纜風(fēng)索主要起抗風(fēng)作用，還可作為輔助手段微調(diào)纜索起重機起吊時塔的偏位。通風(fēng)索按抵抗縱橋向風(fēng)荷載設(shè)置，后風(fēng)纜按平衡通風(fēng)索水平索力設(shè)置。

5)自重 使用有限元軟件進行建模，在建模完成后可賦予結(jié)構(gòu)自重屬性，無須手算自重，考慮構(gòu)件連接的焊縫及螺栓自重，自重系數(shù)取1.02。

3.2.2.2驗算工況

1)工況1 順橋向風(fēng)荷載設(shè)計組合：1.2×扣塔自重+1.2×扣(背)索張拉力+1.2×拱肋自重+1.2×纜索起重機荷載+1.4順風(fēng)荷載。

2)工況2 橫橋向風(fēng)荷載設(shè)計組合：1.2×扣塔自重+1.2×扣(背)索張拉力+1.2×拱肋自重+1.2×纜索起重機荷載+1.4×橫風(fēng)荷載。

通常情況下認為，在最大懸臂狀態(tài)下的扣塔恒載最不利，因此僅考慮最大懸臂狀態(tài)下，扣塔恒載與風(fēng)荷載組合的計算結(jié)果。由于扣塔較高，為了增強纜索起重機施工情況下索塔縱橋向剛度，從塔頂往下前3根背索先安裝(不張拉)。

3.2.2.3驗算模型

采用MIDAS/Civil建立空間計算模型，分別對工況1，2進行驗算，風(fēng)荷載作用于塔架上，各工作索索力加載至塔架頂。拱肋及塔架采用梁單元模擬，扣塔后風(fēng)纜、纜風(fēng)及扣背索采用僅受拉的桁架單元模擬，各單元連接方式為彈性連接。塔架底及錨碇點均固結(jié)，如圖8所示。

圖8 驗算模型

3.2.2.4驗算結(jié)果

各工況下塔架結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果如表3所示，由表可知，拱肋吊裝扣塔最大組合應(yīng)力σ=286.63MPa

3.3 穩(wěn)定性驗算

3.3.1整體穩(wěn)定性驗算

采用上述模型進行第1類穩(wěn)定問題的計算，計算纜索吊裝體系的整體穩(wěn)定性，體系第1階失穩(wěn)為縱向彎曲變形，如圖9所示，穩(wěn)定性系數(shù)均>4.2，纜索吊裝體系的整體穩(wěn)定性滿足要求。

圖9 順、橫向風(fēng)荷載下屈曲分析

3.3.2扣塔鋼管柱穩(wěn)定性驗算

2)強度驗算 由公式τmax=FxS/It，得τmax=8.1<[τ]=175MPa，滿足設(shè)計要求。

3)穩(wěn)定性計算 由公式λ=μL0/ix，得長細比λ=15.3， 按b類截面查表得等截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)φ=0.981。

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準》，鋼管為彎矩作用在兩個主平面內(nèi)的雙軸對稱截面的壓彎構(gòu)件，應(yīng)滿足以下條件：

(4)

得σ=232.5<[σ]=305MPa。

綜上所述，塔架系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

3.4 索塔塔頂位移控制

在承重索、扣索、背索和風(fēng)纜等組合荷載作用下，其水平分力使扣塔結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，在扣塔底部產(chǎn)生相應(yīng)的彎矩，使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，在拱肋節(jié)段吊裝施工過程中，為避免扣塔偏位過大，必須對扣塔偏位進行修正。首先用全站儀測量扣塔頂部偏位得到實際偏位與理論偏位差值，通過仿真模型計算得知修正該扣塔偏位差值需使背索力增大多少，在考慮鋼絞線安全系數(shù)的前提下調(diào)整背索索力，使塔頂水平位移控制在L/1 000內(nèi)。

表3 驗算結(jié)果

4 結(jié)語

1)車田江大橋纜塔扣塔一體化結(jié)構(gòu)體系，減少了在施工中不同塔架的布置，解決了橋梁施工現(xiàn)場地形限制的問題。

2)建立車田江大橋施工階段有限元模型，對拱肋施工全過程進行仿真計算分析，表明該索塔結(jié)構(gòu)受力符合規(guī)范要求。