大跨鋼箱拱橋索塔扣塔一體化施工仿真分析

鄧 可

0 引言

大跨拱橋常用纜索吊裝斜拉扣掛法來施工建設。為了提高拱肋節段拼裝精度和增強主拱吊運及拼裝過程中的安全性，通常將索塔與扣塔分開布置，使索塔、扣塔系統能獨立工作。但是考慮成本、工期或索、扣塔錨碇布置受地形影響等，索塔、扣塔一體化施工技術受到重視。本文結合工程實例，用ANSYS程序建立索塔、扣塔、主橋有限元模型，對大跨鋼箱拱橋施工過程中的索、扣塔一體化技術進行施工仿真分析。

1 索塔、扣塔一體化的結構特點

扣塔承載能力和剛度是索、扣塔一體化系統的設計重點。索、扣塔一體化后，扣塔得承受扣索力外的其他荷載，為減小扣塔塔底彎矩，降低索塔塔頂位移對拱肋安裝精度的影響，應在索塔底部和扣塔頂部設置鉸支座，使索塔在理論上傳遞極少水平推力給扣塔，同時適當增大扣塔截面尺寸，增加扣塔承載力與剛度。索塔、扣塔一體化后的結構體系應包含纜索塔架、鉸支座和扣索塔架。

1)索塔。主要承受主索及纜風傳遞來的荷載，并通過鉸支座傳遞至扣塔。2)鉸支座。主要功能是將來自索塔的荷載傳遞給扣塔，使索塔在理論上傳遞極少水平推力給扣塔。3)扣塔。塔底固結。主要承受扣塔塔頂傳遞的荷載，并將荷載傳遞給塔底基礎。

吊、扣塔一體化后，塔架成為拱肋拼裝施工的主要結構體系，承受著自重、纜索、扣索、風纜及風等荷載，其強度、剛度和穩定性關系到鋼箱拱肋吊拼的施工安全，同時對拱肋拼裝線形也有一定影響。

2 工程概況

主橋為雙肢拱中承式鋼箱系桿拱橋，主跨450 m，矢跨比f/L=1/5，邊跨拱肋與中跨拱肋在一個平面內，橫向傾斜度為1∶5。拱肋分為上、下兩肢，邊跨下肢拱采用二次拋物線，凈矢高為4.5 m;主跨下肢拱采用懸鏈線，矢跨比為1/5，拱軸系數為1.6;上肢拱采用兩端圓曲線和中間二次拋物線組合，中間二次拋物線部分矢跨比為1/11.5，上、下肢拱肋均選用全焊鋼箱型截面。

在大橋兩岸分別設置一座高為152 m的塔架，塔架橫向中心寬度22 m，兩塔相距450 m，塔底均為固結，索塔與扣塔間用單肢單鉸聯結，上端可以通過風纜調控塔頂位移。主索設置2組，每組主索由12根φ60 mm鋼絲繩組成，最大設計吊重250 t(見圖1)。

圖1 拱肋節段斜拉扣掛拼裝施工（示半跨）

3 索塔、扣塔一體化結構分析

3.1 索塔受力分析

索塔的荷載主要有結構自重、塔頂豎向力、塔頂不平衡水平力和前后纜風初張力。由索塔的受力狀態，計算出索塔底部鉸支座的水平力和豎直力，并反向作用在扣塔塔頂。

用ANSYS通用有限元程序對索塔進行建模分析，索塔塔底鉸接。圖2為索塔的有限元模型。

當最大吊重在跨中時，索塔受力最為不利。對纜索系統的一組主索而言，有:

水平力: HA=103.25 kN，

豎直力: VA=7 641.15 kN。

將纜索吊裝系統產生的力施加到索塔上，通過計算分析可以得到索塔和扣塔鉸接處的豎向反力和水平反力。

3.2 扣塔受力分析

由于已計算出索塔底部鉸支座的支反力，將支反力反向按節點荷載施加到扣塔頂部，此時扣塔底部固結。GB J135-90靜風荷載參考高聳結構設計規范和JTG/T D60-01-2004公路橋梁抗風設計規范計算，選取扣塔的重要部位斜腿轉向處、塔底的內力和應力。計算模型如圖3所示。

圖2 索塔有限元計算模型

圖3 扣、錨索作用下整體有限元模型

扣塔計算分別考慮兩種工況:

工況一:塔架拼裝完成，并試吊最重節段時;工況二:拱肋最大懸臂狀態(合龍前)。

表1 扣塔內力、應力值

從表1可以看出，兩種工況下，扣塔最大壓力為8 214 kN，最大壓彎壓力132.7 MPa，與允許壓力和壓彎應力相比，扣塔受力有一定富余，故其強度滿足施工要求。

纜索吊裝系統在吊裝鋼箱拱肋時，整個扣塔上端自由，扣塔下端固結，而塔頂可產生較大的橫向位移，故整個塔架易發生彎、壓組合變形，其根部應力可以表示為:

其中，N，P分別為軸向力和水平橫向力;Wy為抗彎截面模量。

一方面，水平力使塔架結構發生橫向彎曲，在塔架根部產生相應的彎曲應力;另一方面，扣索、風纜和主索系統沿塔架軸向的作用力和塔架的自重，又進一步加大了塔架的橫向彎曲變形在塔架根部產生附加的彎曲應力，使結構趨于不穩定。所以在吊裝過程中，應適時地調整風纜，控制好塔頂水平位移，避免塔架底部應力過大而屈服。

在扣錨索、風纜和主索等組合荷載作用下，考慮到塔架穩定性，塔頂的允許位移為20 cm。所以，在鋼箱拱肋的吊裝過程中，為避免塔頂的水平位移過大，必須對塔頂位移跟蹤觀測，適時調整風纜，將水平位移控制在允許值內。

3.3 整體穩定性分析

采用ANSYS通用有限元程序對吊扣一體化施工體系進行穩定分析，將吊扣一體化系統整體建模分析，考慮扣塔、拱肋、扣錨索的協同工作，按第一類穩定性進行計算。

圖4 工況一失穩模態

圖5 工況二失穩模態

對吊扣一體化的三個工況進行穩定性分析，三個工況分別為:

工況一:塔架拼裝完成，并試吊最大節段時，考慮風荷載;工況二:拱肋最大懸臂狀態(合龍前)，考慮風荷載;工況三:拱肋最大懸臂狀態(合龍前)，不考慮風荷載。

其分析結果如下:

1)工況一下的彈性穩定系數為10.528，圖4為第一工況失穩模態;2)工況二下的彈性穩定系數為8.536，工況三下的彈性穩定系數為11.381，圖5為第二工況失穩模態。

4 結語

1)索塔、扣塔一體化施工仿真分析表明，本橋采用的纜索吊裝吊扣一體化施工方案是可行的，滿足拱肋拼裝精度和施工安全性要求。

2)索塔、扣塔一體化結構為高聳的大型鋼桁架結構，穩定性分析結果表明，風荷載對該體系的穩定性影響較明顯，拱肋為最大懸臂狀態時在風荷載作用下，其彈性穩定系數降低了25%左右。因此，在設計和施工控制中應當引起高度重視。

3)索塔、扣塔一體化系統穩定性計算分析表明，索塔塔頂最大容許水平偏位為20 cm，調整風纜索力能有效增強索塔、扣塔一體化系統的穩定性。

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