橋梁叉耳式吊桿張拉工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析

劉德坤LIU De-kun；劉智偉LIU Zhi-wei

（湖南聯(lián)智智能科技有限公司，長(zhǎng)沙 410203）

0 引言

往往下承式拱橋在施工過(guò)程中需要對(duì)拱橋吊桿進(jìn)行張拉，吊桿的張拉需要配套設(shè)計(jì)工裝進(jìn)行輔助著力，不同結(jié)構(gòu)的吊桿結(jié)構(gòu)形式采用不同的張拉工裝，可直接拉拔型的吊桿張拉時(shí)，其工裝采用簡(jiǎn)單的腳撐配合拉拔桿即可進(jìn)行張拉；叉耳式吊桿錨頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，張拉時(shí)千斤頂需要借助輔助工裝著力。行業(yè)內(nèi)該類型吊桿張拉工裝未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多為一次性工裝，為了保證結(jié)構(gòu)安全，大多工裝存在受力儲(chǔ)備嚴(yán)重過(guò)剩，造成材料浪費(fèi)，故需要對(duì)此工裝進(jìn)行深入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析，在滿足結(jié)構(gòu)受力的同時(shí)盡量減少材料重量，最大程度實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的重復(fù)使用，為同類工程提供參考。

1 工程概況

某橋?yàn)殡p層鋼桁架拱橋，橋梁吊索采用φ7 高強(qiáng)鍍鋅鋼絲的抗拉強(qiáng)度鋼絲，抗拉強(qiáng)度≥1670MPa，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)符合《橋梁纜索用熱鍍鋅或鋅鋁合金鋼絲》（GB/T17101-2019）規(guī)定，彈性模量Ep>1.85×105MPa。吊索縱向間距約10.6m，吊索橫向間距為1.2m，橋梁吊桿采用叉耳式錨頭，同一吊點(diǎn)含兩根吊索，每根吊索張拉力為1750kN，梁端為張拉端。

2 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析

叉耳式吊索張拉不能進(jìn)行直接拉拔，需設(shè)計(jì)上下墊板，通過(guò)反拉的方式進(jìn)行張拉，本吊索張拉工裝結(jié)構(gòu)尺寸需要考慮到吊索尺寸、叉耳式錨頭尺寸、吊耳構(gòu)造圖尺寸以及現(xiàn)有千斤頂尺寸，而且需要充分考慮張拉時(shí)錨頭螺母的鎖定操作空間尺寸，綜合多方面尺寸需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用CAD 進(jìn)行初始草圖設(shè)計(jì)。

2.1 整體初步方案設(shè)計(jì)

根據(jù)吊索成橋索力大小確定張拉選用的千斤頂噸位，按照千斤頂安全系數(shù)1.2～1.5 倍的原則，選用的千斤頂為120t 或150t 額定張拉力，吊索張拉工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，需掌握既有吊索結(jié)構(gòu)的尺寸，含吊索直徑、吊索錨頭螺母尺寸、錨頭吊耳尺寸、穿心式千斤頂尺寸，在這些尺寸的基礎(chǔ)上，初步規(guī)劃上反力架、拉桿和下反力架大小，穿心式千斤頂安裝在上反力架上，且千斤頂中心穿有拉桿并用螺母相固連，下反力架下端受力拉環(huán)抱箍住吊桿錨頭端圓弧部，拉桿與受力拉環(huán)通過(guò)拉桿螺母相固連。

2.2 張拉過(guò)程及受力原理

張拉時(shí)穿心式千斤頂帶動(dòng)拉桿向上位移，受力拉環(huán)與吊桿頭端圓弧部為吊索下部固定受力處，與此同時(shí)將反向力傳遞到上反力架，帶動(dòng)吊索錨頭上部向下位移，吊索上部的鋼絞線便產(chǎn)生應(yīng)力，施工時(shí)只需旋轉(zhuǎn)吊索自帶的螺母消除吊索上部鋼絞線向下位移所產(chǎn)生的間隙，穿心式千斤頂退油卸力后，拆除張拉工裝即可保持張拉時(shí)的預(yù)應(yīng)力。

2.3 受力拉桿的設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁吊索施工設(shè)計(jì)圖紙，同一吊點(diǎn)處兩根吊索張拉力和為3500kN，則單根吊索張拉力為1750kN，每根吊索配置一套張拉工裝，每套工裝含有2 根反拉桿，則單根拉桿所受的張拉力為875kN，依次作為反拉桿額定受力，初選拉桿直徑為50mm，根據(jù)材料力學(xué)，直桿的軸向拉力為F，橫截面面積為A，則橫截面上的應(yīng)力σ 為：

拉桿選用材料為工程上常用的精軋螺紋鋼筋也稱預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，是一種特殊形狀帶有不連續(xù)的外螺紋的直條鋼筋，該鋼筋在任意截面處，均可以用帶有內(nèi)螺紋的連接器或錨具進(jìn)行連接，精軋螺紋鋼筋廣泛應(yīng)用于高速公路、高速鐵路的大型橋梁及邊坡錨固工程。它具有連接、錨固簡(jiǎn)便、粘著力強(qiáng)、張拉錨固安全可靠、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，而且節(jié)約鋼筋，減少構(gòu)件面積和重量。

精軋螺紋鋼筋以屈服強(qiáng)度劃分級(jí)別，其代號(hào)為“PSB”加上規(guī)定屈服強(qiáng)度最小值表示。P、S、B 分別為Prestress、inSgcres-threa、Bdars 的英文首位字母。常用材質(zhì)分為PSB500、PSB785、PSB830、PSB930、PSB1080。

選取安全系數(shù)ns為2，強(qiáng)度級(jí)別為PSB930，則許用應(yīng)力為

可見直徑50mm，強(qiáng)度級(jí)別為PSB930 的精軋螺紋鋼拉桿的強(qiáng)度滿足使用要求。

2.4 上反力架的設(shè)計(jì)與受力分析

單根吊索配備兩臺(tái)千斤頂，根據(jù)現(xiàn)有120t 與150t 的千斤頂結(jié)構(gòu)安裝尺寸并考慮安裝預(yù)留空間進(jìn)行設(shè)計(jì)。

工裝安裝時(shí)吊索已經(jīng)安裝在大橋梁端吊耳，然后再進(jìn)行張拉工裝的安裝，上反力架需要便于安裝在吊索上，所以采取螺栓拆卸式設(shè)計(jì)，從理論上千斤頂作用在上反力架的力與連接螺栓的受力方向垂直，螺栓所受的拉力可以忽略不作校核，實(shí)際安裝時(shí)上反力架兩側(cè)有可能不平整或者上反力架與千斤頂?shù)钠矫娌⒉煌耆佑|，從而使連接螺栓受到剪切和擠壓，以免萬(wàn)一，必須對(duì)上反力架安裝螺栓進(jìn)行剪切校核和擠壓校核。

按照最不利工況進(jìn)行剪切校核，上反力架總共設(shè)置有8 個(gè)螺栓，總剪切F 為1750kN，以單個(gè)螺栓為研究對(duì)象，則單個(gè)螺栓的剪切力為218.75kN，初定的螺栓為M30，12.9 級(jí)螺栓桿的抗拉強(qiáng)度不小于1200MPa，屈強(qiáng)比為0.9，即屈服強(qiáng)度為1080MPa，鋼材的剪切強(qiáng)度一般可以按照抗拉強(qiáng)度的0.6-0.8，本方案選擇系數(shù)為0.6，即12.9級(jí)螺栓的許用剪切強(qiáng)度[τ]為648MPa。根據(jù)材料力學(xué)公式，螺栓橫截面的剪切應(yīng)力為τ

故12.9 級(jí)M30 的螺桿滿足使用要求。

同理按照最不利工況進(jìn)行螺栓擠壓校核，根據(jù)材料力學(xué)公式，擠壓應(yīng)力為σbs，

故12.9 級(jí)M30 的螺桿同樣滿足擠壓使用要求。

同時(shí)注意到吊索上部臺(tái)階面與上反力架的接觸受力面接觸面積較小，實(shí)際上上反力架安裝時(shí)兩側(cè)有可能錯(cuò)開與吊索上部臺(tái)階面的接觸面只有一半，而接觸面所承受的力為兩個(gè)千斤頂?shù)暮狭?750kN，局部應(yīng)力可能較大，所以必須對(duì)上反力架與上部臺(tái)階面接觸部位進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

吊索本身所采用的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，屈服強(qiáng)度785MPa，抗拉強(qiáng)度為980MPa，滿足要求，而上反力架的材料從經(jīng)濟(jì)和焊接性能上考慮，采用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，屈服強(qiáng)度355MPa，抗拉強(qiáng)度為600MPa，由上式結(jié)果可知，應(yīng)力已經(jīng)接近45#鋼的抗拉強(qiáng)度，材料力學(xué)理論計(jì)算是基于對(duì)材料的連續(xù)性假設(shè)、均勻性假設(shè)和各項(xiàng)同性的假設(shè)上的，雖然在生產(chǎn)來(lái)料時(shí)按GB/T4162-2008《鍛軋鋼棒超聲檢測(cè)方法》的規(guī)定且質(zhì)量等級(jí)不低于B 級(jí)進(jìn)行超聲波探傷，實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)于材料的連續(xù)性，均勻性和各項(xiàng)同性均無(wú)法100%保證，鋼材生產(chǎn)時(shí)本身或有金相組織重疊的缺陷，氣孔、夾渣沒(méi)有完全檢測(cè)到，為了保證張拉工裝的安全性、經(jīng)濟(jì)性和工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行。所以在上反力架與吊索上部臺(tái)階面之間增加一塊40Cr 加強(qiáng)板，防止上反力架因?yàn)榫植繎?yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生塑性斷裂。

吊索張拉工裝上反力架部件材質(zhì)及尺寸確定完后，還需要對(duì)上反力架進(jìn)行整體受力分析。

本方案采用大型專用有限元軟件 ansys workbench2020 進(jìn)行驗(yàn)算，建立上反力架的有限元分析模型，將上反力架數(shù)模導(dǎo)入ansys workbench2020 施加邊界條件，上反力架與吊索上部臺(tái)階接觸面分割開來(lái)固定，兩處千斤頂與上反力架之間的接觸面添加均布載荷，劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，從應(yīng)力云圖來(lái)看上反力架的整體應(yīng)力在326MPa 左右，最大應(yīng)力490MPa 的位置處于40Cr 加強(qiáng)板上，整體最大變形量在1mm 左右，均小于45#材料的屈服強(qiáng)度，即上反力架的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

圖1 上反力架整體應(yīng)力云圖

2.5 下反力架的設(shè)計(jì)與受力分析

同上反力架的設(shè)計(jì)，為使下反力架同樣需要便于安裝在吊索上，所以同樣采用螺栓可拆式設(shè)計(jì)，所以受力拉環(huán)處必須設(shè)置翼板用于安裝螺栓，下反力架與上反力架所受力大小相同，下反力架連接螺栓采取8 根12.9 級(jí)M30 螺栓。

下反力架主要由翼板、受力拉環(huán)、筋板、受力板拼焊而成，所有材料采用45#鋼調(diào)質(zhì)處理，焊接采用J507 低氫鈉型堿性焊條，熔附金屬抗拉強(qiáng)度f(wàn)u大于等于490MPa，采用焊前預(yù)熱，焊后熱處理，焊縫須經(jīng)磁粉探傷，探傷質(zhì)量須滿足NB/T47013.4-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》中的規(guī)定且檢驗(yàn)質(zhì)量等級(jí)不低于Ⅱ級(jí)。

根據(jù)GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)受力拉環(huán)與翼板處的焊縫進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以受力拉環(huán)單側(cè)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)焊縫為角焊縫，焊腳大小為10mm，焊縫長(zhǎng)度為1480mm，外力與焊縫長(zhǎng)度平行，焊縫所受內(nèi)力為τf

式中he為焊縫有效厚度，∑lw為焊縫總長(zhǎng)度為0.41fu，滿足焊縫強(qiáng)度要求。

對(duì)受力板和筋板處的焊縫進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，同樣以單側(cè)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)焊縫為角焊縫，焊腳大小為10mm，焊縫長(zhǎng)度為2580mm，外力與焊縫長(zhǎng)度平行，焊縫所受內(nèi)力為τf，顯然焊縫強(qiáng)度是滿足要求的。

對(duì)于上反力架整體受力進(jìn)行有限元分析，將上反力架數(shù)模導(dǎo)入ansys workbench2020 施加邊界條件，將兩側(cè)受力拉環(huán)與吊索的接觸面固定，拉桿螺母與下反力架的接觸面分割開來(lái)添加均布載荷，劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，從應(yīng)力云圖上看下反力架的整體應(yīng)力在335-287MPa 之間，最大部位應(yīng)力為431.7MPa 而且從云圖上看應(yīng)力層次變化不均勻，判斷為應(yīng)力奇異點(diǎn)，可以忽略不計(jì)，整體最大變形量在1mm 左右，均小于45#材料的屈服強(qiáng)度，即下反力架的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

圖2 下反力架整體應(yīng)力云圖

3 工裝定型與應(yīng)用

工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)受力滿足張拉施工要求，后通過(guò)建立的工裝三維模型進(jìn)行工裝結(jié)構(gòu)沖突檢查，檢查工裝各部件是否與橋梁既有構(gòu)造沖突，檢查工裝能否滿足吊索錨頭擰固操作空間要求，經(jīng)三維模型系統(tǒng)檢查后確定無(wú)沖突，故張拉工裝設(shè)計(jì)由此定型，最終定型組成包括反拉桿（精軋螺紋鋼），精軋螺紋鋼螺母，千斤頂墊板，150t 千斤頂、上反力架、下反力架、連接螺栓等。（圖3）

圖3 張拉工裝最終定型圖

按照張拉工裝設(shè)計(jì)圖加工生產(chǎn)的工裝組件，經(jīng)過(guò)實(shí)際工程張拉應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)每根吊桿張拉至預(yù)緊力值后，對(duì)吊桿進(jìn)行分級(jí)張拉，張拉力加載至100%后，經(jīng)過(guò)測(cè)量，上反力架與下反力架的總體位移與ansys workbench 的仿真結(jié)果基本一致，張拉工裝的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)和使用要求。（圖4）

圖4 張拉工裝現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

4 結(jié)論

本文介紹了一種適用于叉耳式吊索的張拉工裝組件，工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)手算和有限元電算兩種方法分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析，科學(xué)地驗(yàn)證了張拉工裝組件的力學(xué)性能，為張拉工裝組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力支持，既滿足了結(jié)構(gòu)安全性能的要求，同時(shí)又最大限度地合理利用了材料，另外，工裝組件的反拉桿及連接螺栓選用標(biāo)準(zhǔn)件，方便工裝的重復(fù)利用，使張拉工裝的安全性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到了最優(yōu)。