某斜拉橋鋼塔柱門式吊裝塔架仿真分析

王智龍 錢棟棟 欒坤鵬

1 鋼塔柱門式吊裝塔架結構簡介

某斜拉橋索塔總高度為 97m。下塔柱和中塔柱為混凝土塔柱高54m，上塔柱為斜拉索錨固區高29.5m，塔冠13.5m，均采用鋼塔柱。鋼塔柱采用箱形斷面，共分為 7個節段，最大節段吊重為 65 t。結合大橋橋位所處實際情況，在專家評審會上，大家一致同意采用固定型門式吊架固結在混凝土塔柱上吊裝鋼塔柱，因為門架結構穩定，一次成型，剛度大，變形小，重量不大，現場配合塔吊拼裝，安全可靠，對鋼塔自身結構無影響。

本橋鋼塔柱吊裝塔架設施充分結合設計情況、吊裝重量，采用穩妥、安全的萬能桿件固定型門式吊機，設計吊裝重量 70 t，滿足設計要求，固定型門式吊機由附著在中塔柱上的吊機基礎、門式支架、縱向穩定風纜、頂部活動起重小車組成。

門式吊裝塔架基礎采用型鋼支架，上部預埋型鋼及錨筋與中塔柱拉結，下部與中塔柱中預埋件焊接形成穩定的支撐體系，基礎頂面設置水平聯系及斜桿，確保主桁架穩定并形成操作平臺，以便安裝門吊支架。門式吊裝塔架采用萬能桿件組拼而成，支承于門架型鋼基礎上，門架高度36m，縱向寬4m，橫向寬2m，間距6m。頂部設縱向加長，邊跨方向加長 6 m，滿足鋼索塔吊裝的懸臂距離和滿足支架頂部設置橫向聯系;中跨方向加長 2m，設置橫向聯系。

門架所用材料包括:豎桿 2×L120×120×10，斜桿 2×L100× 100×10，橫桿 2×L75×75×8，Ⅰ50b;門架基礎所用材料包括:Ⅰ32b工字鋼、2×32b槽鋼、2×28b槽鋼。結構鋼材均采用Q 235-A鋼。Q 235-A鋼彈性模量、泊松比、密度、許用應力等均按 GB 50017鋼結構設計規范的規定取值，其中鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度:f=205MPa，鋼材抗剪強度:fv=120MPa。

2 有限元模型的建立

2.1 結構空間幾何模型

門式吊裝塔架結構的強度計算采用大型空間有限元分析軟件Midas/civil 2006對整個結構進行整體有限元分析。

在模型建立過程中，門式吊架基礎的型鋼支架、水平聯系、斜桿等均采用梁單元進行模擬，萬能桿件拼裝門式吊架用桁架單元模擬。

坐標系約定為沿吊裝塔架長度方向中跨側為 X軸正方向，沿高度方向向上為Z軸正方向，沿寬度方向向左為Y軸正方向，后面所提及的 X，Y，Z方向均與此一致。門式吊裝塔架整體幾何模型圖和吊裝塔架基礎如圖1，圖 2所示。

2.2 約束條件

在門式吊裝塔架的計算過程中，考慮到塔架在實際吊裝中的受力情況，取吊裝最大鋼塔柱節段(重量61 t)為受力最不利工況進行約束條件限制。

2.2.1 邊界條件

門式吊裝塔架基礎與預埋在混凝土塔柱中的預埋件焊接，共12個節點，頂層6個點約束X，Y，Z三個方向的平動，Y，Z方向的轉動，釋放X方向轉動;底層6個點約束X，Y，Z三個方向的平動，Y方向的轉動，釋放X，Z方向轉動。偏安全考慮釋放托架水平聯系及斜桿聯系梁單元轉動約束。

2.2.2 荷載情況

模型計算中考慮的荷載有:自重;吊裝載荷;人群及施工載荷取1.5 kN/m2;頂部吊裝移動小車及設備。吊裝塔架自重為程序自動加載;吊裝鋼塔柱節段最大荷載為 61 t，加上吊具及沖擊系數小計74 t;人群及施工荷載小計4 t;頂部吊裝移動小車及設備小計20 t。吊裝荷載總計98 t，按最不利條件下，偏安全以偏載考慮加載到頂層桁架起吊小車能夠移動到的懸臂最大距離處，一側 2× 26 t，一側 2×23 t，以節點荷載形式加載到桁架四個受力節點上。

3 有限元計算結果分析

對門式吊裝塔架結構進行承載能力極限狀態下的分析計算，得到如下結果。

3.1 應力結果

由模型有限元計算結果可知在最不利荷載工況下門式吊裝塔架基礎托架桿件最大壓應力為-116.0MPa，最大拉應力為118.0MPa。萬能桿件拼裝桁架最大壓應力在桁架與托架交接處為-111.9MPa，最大拉應力為45.9MPa，應力較大部位主要集中在吊裝荷載一側的托架處和桁架豎桿上。

3.2 位移結果

吊裝荷載加載前后吊裝節點位移變化值為32-3=29mm，滿足剛度要求。

3.3 穩定性分析

進行屈曲穩定性分析時，外荷載類型有:永久作用以及吊裝最大荷載。這種狀態下，門式吊裝塔架基礎荷載吊裝側外托架在第 1階發生側面向外失穩，安全系數為 6.54。失穩形態見圖 3。

4 結語

門式吊裝塔架結構分析結論:1)在最不利工況下結構的最大應力出現在吊裝鋼塔柱一側的托架處和桁架豎桿上，其應力值為117 MPa和 112 MPa，據此，結構應力均小于材料的許用應力170 MPa，滿足結構強度要求;2)最不利工況下結構的最大變形為29mm，小于L/500，滿足結構的剛度要求;3)屈曲分析結果及屈曲模態特征表明，吊裝塔架局部最小穩定安全系數為 6.5，大于第一類穩定安全系數 4.0，滿足穩定安全性要求。

采用門式吊裝塔架很好的適應了該斜拉橋主塔鋼塔柱的結構特點，有效的保證了施工安全和工期，節約投資成本，至現在已經完成了全部鋼塔柱吊裝，見圖 4。同時也證明了該結構仿真分析計算的準確性。

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