鐵路拱承斜拉橋豎轉轉體結構設計研究

新建常益長鐵路沅江特大橋（32+90+90+32） m拱承斜拉橋主塔采用豎轉方式施工，其轉體結構的設計是是影響施工安全的重要因素。文章介紹利用Ansys軟件對轉體結構施工狀態下的受力進行了驗算，同時還分析了在側向風荷載作用下的安全性，證明所設計的轉體結構滿足了施工要求，以期為類似施工方案提供參考。

特大橋; 鋼箱主塔; 豎轉; 轉體結構

U445.465?? A

[定稿日期]2021-03-12

[作者簡介]韓若愚（1995～），男，本科，研究方向為橋梁工程。

1 工程概述

沅江特大橋跨石長鐵路（32+90×2+32） m拱承斜拉橋位于位于湖南省常德市武陵區，橋梁起點里程為DK9+335.49（對應石長線里程為K88+916.49），終點里程為DK9+581.19（對應石長線里程為K89+162.19），全長245.7 m，處曲線半徑R=2800 m圓曲線上。主塔采用拱型橋塔，塔底以上橋塔全高為66 m，橋面以上塔高45 m，橋面以下塔高21 m。拱軸線線型采用橢圓形。主梁在橋塔處與橫梁剛性連接。拱塔截面尺寸為：順橋向3.0 m×橫橋向4.0 m，板厚為24～36 mm，拱塔單側分為8段。橋塔橫梁截面尺寸為：梁高2.8 m，梁寬3.0 m，頂板厚14 mm，底板和腹板厚16 mm。其結構示意如圖1所示。

2 豎轉轉體結構設計概況

主橋橋塔為全鋼箱結構拼裝而成，采用工廠加工、試拼接，現場臥式拼裝、豎向轉體、與合攏。根據圖2中所示，橋塔整體結構與轉體機構[1-2]分為以下幾個構件：

（1）橋塔結構：包括承臺預埋段鋼箱、轉體鋼箱與合龍段;

（2）豎轉結構：支撐桿桿件（BM段），拉桿桿件1（BC段）與拉桿桿件2（BD段）;

（3）牽引機構與軌道：水平作用在支撐桿桿件（BM段）上的牽引鋼絞線與電機以及支撐桿桿件BM的輔助軌道;

（4）定位機構：支撐桿桿件BM作用到鋼轉盤上時的輔助定位機構;

（5）保護機構：支撐桿桿件BM在牽引移動過程中發生失效時可以與軌道鎖定的機構。

3 豎轉過程有限元分析

3.1 初始位置分析

如圖3所示，在初始狀態下橋塔OA段為水平放置，BM桿牽引端M距離最終位置距離最遠，分別計算M在初始位置，距離最終位置47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m以及5 m時候整個模型的受力情況。

按照豎轉過程的施工過程，設置合適的邊界條件，即在A處整體施加標準加速度，在B處采用鉸接約束，在C處釋放轉動約束，并固結其他方向約束。

根據圖4的計算結果，B處的反力為FY方向（豎向）為2 712 kN，FZ方向（水平）為2 587 kN，豎轉鉸處反力FY方向（豎向）為1 900 kN，FZ方向（水平）為2 641 kN，牽引荷載為2 723 kN。

頂推桿（BM）所受軸向力：

F=FY2+FZ2=3748kN

根據歐拉公式[3-4]計算臨界荷載

Pcr=π2EIl2=π2E1-0.994412l2=19000kN

根據以上結果，可得到安全系數f=10.13，滿足規范要求。

3.2 滑移過程受力分析

按照施工方案在模型中施加合理的邊界條件，即在B、C兩處施加鉸接邊界條件，僅允許軸向轉動，整體施加標準重力加速度。然后計算施工過程中支撐鉸（M處）距豎轉鉸47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m時的工況，其結果如表1所示。

3.3 支撐鉸（M處）距豎轉鉸5m工況計算分析

當豎轉體系撐腳據橋塔中心5 m，T0與T1鋼箱尚未安裝封板，其整個體系的受力和前者有所不同，需要另行建模分析（圖5）。

按照施工方案，模型的邊界條件可按照如下要求設置：橋塔仍由支撐桁架BM支撐，B處銷軸孔鉸接，沿銷軸可轉動，其他方向約束，C處銷軸孔鉸接，沿銷軸可轉動，其他方向約束，整體施加標準重力加速度。模型的計算結果如下所示。

撐鉸M處反力：FY方向（豎向）為4 978 kN，FZ方向（水平）為1 710 kN。

單根支撐鋼箱受力：

F= FY2+FZ2/2=2631kN

屈曲安全系數：

S=PcrF=190002631=7.22

其值滿足規范要求。

豎轉鉸C處反力：FY方向（豎向）為-922 kN，FZ方向（水平）為-1 710 kN。

除此之外，通過圖5可知，應力最大值為129 MPa，頂端Z方向（水平）位移最大119 mm，頂端最大豎向位移69 mm，滿足實際施工要求。

3.4 側風分析

根據標準風壓公式[5]：Wp=0.5 V2/g，其中，空氣重度r=0.01225 kN/m3，g=9.8 m/s2，v為風速。考慮10級大風，取風速上限28.4 m/s，得到風荷載Wp=0.51kN/m2。

由于模型為梁單元模型，因此施加線荷載。塔單元施加2.04 kN/m，拉板BC，BD施加0.408 kN/m，撐桿BM施加0.51 kN/m，如圖6所示。

在考慮上轉盤自重荷載下，豎轉體系撐腳處一側反力為2 894 kN，另一側為3 380 kN，都沒有出現負反力，滿足施工要求。

4 結論

新建常益長鐵路沅江特大橋（32+90+90+32）m拱承斜拉橋鋼箱主塔采用豎轉方式施工，其轉體結構的設計與使用是施工安全的重要因素。本文通過數值分析，對豎轉施工的整個過程中的轉體結構的受力進行了驗算，發現整個結構的受力、變形均滿足施工需要。最后文章還對整個體系在側向風載作用下的穩定性進行了分析，豎轉體系撐腳均沒有出現負反力，滿足施工安全要求。

參考文獻

[1] 高興贊， 游德泉， 李瓊慧. 基于有限元模型的獨塔斜拉橋鋼塔豎轉轉體過程靜力分析研究[J]. 福建交通科技， 2018（1）：28-29.

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[3] 孫潮， 陳寶春， 謝云舉.徐州京杭運河特大橋豎轉受力分析[J]. 福州大學學報（自然科學版）， 2002， 30（3）：358-361..

[4] 何敏娟， 鄭元， 呂兆華. 鋼拱塔斜拉橋豎轉施工方案分析[J]. 特種結構， 2010， 027（1）：76-79.

[5] 嚴國敏. 法國伊澤爾河的吉利橋——塔豎轉與梁平轉的斜拉橋[J]. 鐵道標準設計， 1993，（12）：40-42.

3825501908275