拱橋纜索吊裝施工塔架有限元仿真分析

摘要：文章以某鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工塔架為研究背景，根據塔架在各施工節段受力的最不利狀態，對高聳塔架鋼桁架結構進行了仿真分析計算，結果表明該塔架整體受力性能滿足使用要求。

關鍵詞：拱橋;纜索吊裝塔架;穩定性;有限元分析

0 引言

拱橋的施工方法分為自架設方法和非自架設方法。非自架設方法主要有支架法、吊裝法和轉體法等;自架設方法又稱無支架法，主要有轉體施工、纜索吊裝、勁性骨架及懸臂拼裝等[1]。纜索吊裝施工方法由于具有經濟、安全、適用范圍廣等特點，已廣泛應用于大跨徑拱橋施工中，目前，70%以上的鋼管混凝土拱橋拱肋架設方法采用纜索吊裝施工技術[2-3]。纜索吊裝塔架主要承受主纜索、扣索、纜風傳遞的壓力及風荷載作用，塔架屬于大型高聳結構物，他的穩定性問題在結構分析中顯得尤為重要[4]。因此，對塔架的強度、剛度及穩定性進行計算分析具有重要的意義。

1 工程概況

廣西平果縣某大橋全長294 m，主橋為凈跨180 m鋼管混凝土中承式拱橋，引橋為30 m預應力混凝土現澆箱梁，全橋寬為30 m。主橋矢跨比為1/4，拱軸系數m=1.2，拱肋為鋼管混凝土桁架式結構，拱肋橫向中心間距為24.5 m， 單片拱肋采用等高度四根鋼管桁架式截面，拱肋高度為4.2 m，寬度為2.4 m，單根拱肋分8個節段加工制作及安裝，單節段拱肋最大重量為80 t。

2 塔架結構布置

纜索吊裝塔架采用主扣塔一體化形式，塔架總高度為78 m，橫橋向總寬度為44 m，順橋向寬度為4 m。塔架采用N型萬能桿件拼裝組成，豎向桿件由4∠120×10 mm組成，順橋向與橫橋向橫桿分別由2∠75×8 mm組成，順橋向和橫橋向豎聯斜桿由2∠100×8 mm組成。塔架結構如圖1所示。

3 塔架結構計算分析

3.1 模型建立

塔架采用Midas Civil軟件進行計算分析，采用空間梁單元模擬萬能桿件，塔底固結，塔架頂部前、后風纜均采用30根15.24 mm鋼絞線，單根風纜初始張拉力為60 kN，進行非線性分析。塔架模型如圖2所示。

3.2 荷載分析及荷載工況

施工過程中，作用于塔架的荷載包括塔架自重和主纜索、工作索、扣索傳遞的壓力及風荷載。

根據塔架各施工節段受力的最不利狀態，按照以下四個荷載工況進行加載：

工況一：吊裝第2節段時，最大吊重80 t;

工況二：吊裝第4節段時，塔架扣索總壓力最大;

工況三：吊裝第2節段時，最大吊重80 t，工作狀態風荷載（六級風荷載）;

工況四：第4節段吊裝完成后，塔架扣索總壓力最大，非工作狀態風荷載（十二級風荷載）。

3.3 計算結果

（1） 塔架整體位移

從表1可以看出，塔架結構橫向及豎向的位移很小，變形以順橋向的位移為主;風荷載作用對塔架位移有很大的影響，尤其是非工作風荷載狀態，塔架變形量增加約40%。塔架在最不利荷載工況荷載作用下最大位移為18.91 cm，塔架容許位移[δ]=78/400=19.50 cm，最大位移小于容許值，塔架剛度滿足要求。

（2）豎向桿件應力

從表2可知，工況四荷載作用下，4N1豎向桿件最大壓應力為180.3 MPa，最大壓應力出現在塔架前端底部，主要是由于塔架承受的軸向應力和順橋向彎曲應力疊加造成的;在工況二荷載作用下，最大拉應力為73.3 MPa。塔架豎向桿件應力均小于鋼材強度設計值，滿足要求。

（3）橫向桿件應力

從表3可知，工況一荷載作用下，橫向桿件最大拉應力為70.4 MPa;工況三荷載作用下，最大壓應力為101.4 MPa，均滿足要求。

（4）豎聯斜桿件應力

從表4可知，塔架在最不利荷載工況荷載作用下，豎聯斜桿件最大拉應力為81.8 MPa，最大壓應力為100.2 MPa，滿足要求。

4 結語

纜索吊裝施工主扣塔一體化的塔架屬于大型高聳超靜定鋼桁架結構，塔架強度、剛度、穩定性直接關系到施工安全，其施工過程受力分析十分重要。本文利用有限元軟件Midas Civil對纜索吊裝塔架進行仿真分析，從計算結果可以看出：塔架系統整體受力性能符合規范要求;風荷載對塔架的穩定性影響非常明顯，在設計和施工中不能忽略。

參考文獻：

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]陳寶春，楊亞林.鋼管混凝土拱橋調查與分析[J].世界橋梁，2006（2）：73-77.

[3]陳寶春，陳康明，趙 秋.中國鋼拱橋發展現狀調查與分析[J].中外公路，2011，31（2）：121-127.

[4]鄧雪濤，曾德榮，周燕其.大跨度拱橋纜索吊裝系統的穩定性有限元分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2007，26（Z1）：3-7.

作者簡介：盧復昌（1985—），碩士研究生，工程師，研究方向：道路與橋梁工程。