斜拉橋主塔豎轉結構受力特征分析

謝曙輝

（華設檢測科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

近海環(huán)境下大尺度斜拉橋鋼主塔的施工，通常受海洋性季風氣候的影響，常規(guī)的吊裝工藝存在施工風險高、拼接精度低、進度影響大等弊端，而主塔“臥拼豎轉”工藝則能較好地規(guī)避這些問題，近年來逐漸成為此類斜拉橋主塔施工的新興工藝。

目前已有多位學者對斜拉橋主塔豎轉技術進行研究總結，張偉等[1]闡述了斜拉橋主塔豎轉的施工技術；司永明等[2]研究了組合結構主塔在豎轉過程中的受力特征；徐琛[3]分析了豎轉過程中臨時拉索的索力變化；康俊濤等[4]對鋼主塔豎轉監(jiān)測技術進行了研究。

本文以青島市某斜拉橋鋼主塔豎轉為工程背景，對豎轉結構體系進行全過程受力特征分析。該橋跨徑布置為（41+165+85）m，為獨塔斜拉-連續(xù)梁協(xié)作體系，主跨側斜拉索采用扇形式布置，邊跨采用網(wǎng)狀式斜拉索，主跨主梁為鋼箱梁，邊跨主梁為預應力混凝土箱梁，橋塔采用雙柱斜鋼塔。橋面以上塔高78.6 m，待轉主塔總重約1 734.9 t，體量居國內(nèi)A 型鋼主塔豎轉之最（見圖1）。

圖1 橋梁效果圖

1 豎轉方法

1.1 豎轉結構

豎轉結構體系由鋼主塔、拉索、壓桿格構、牽引索、牽引力控制系統(tǒng)等組成，結構總體布置見圖2。鋼主塔為箱型斷面的人字型塔，共分11 個節(jié)段，T0為鋼混結合段，T1—T10 為豎轉節(jié)段。牽引索、拉索均采用直徑φ17.8 mm 鋼絞線，單束37 根，4 束一組，全橋共計2 組鋼絞線，鋼絞線設計抗拉強度1 860 MPa。壓桿格構柱采用φ800×14 mm 鋼管。牽引力控制系統(tǒng)由穿心式千斤頂與液壓控制裝置組成。

圖2 豎轉結構體系總體布置圖

1.2 豎轉流程

利用吊機在胎架上臥拼鋼主塔，安裝壓桿格構及牽引索、拉索等臨時結構。待豎轉結構體系拼裝完成后，進行整體試轉。利用8 臺500 t 穿心式連續(xù)千斤頂逐級加載，各臺千斤頂之間預拉力差值不超過10 t。逐步張拉牽引索，使主塔脫離拼裝胎架約200 mm，靜置監(jiān)測24 h，待相關監(jiān)測指標滿足要求后，開始正式豎轉。

鋼主塔共計豎轉75°，正式豎轉通過5 個等角度提升行程完成。豎轉主要特征工況為0°，主塔臥拼狀態(tài)；15°、30°、45°、60°，分級提升至指定角度；75°，主塔豎轉到位，安裝斜拉索，拆除臨時結構。

牽引索、拉索作為提升主動力，直接關系轉體角度、速度及行程，其力值大小必須控制在合理范圍之內(nèi)。豎轉過程中，結構空間姿態(tài)動態(tài)變化，鋼主塔及壓桿格構受力狀態(tài)不斷改變，因此對豎轉結構體系進行受力特征分析，有助于施工過程控制。

2 受力特征分析

利用Midas Civil 橋梁結構分析軟件對豎轉結構體系進行全過程仿真，除索結構用桁架單元模擬外，其余結構用梁單元模擬，各豎轉工況見圖3。計算分析考慮結構重要性系數(shù)1.1 及動力系數(shù)1.2。通過對結構主要受力構件的應力、索力、變形及整體穩(wěn)定性進行計算，分析豎轉過程受力特征。

圖3 有限元模型

2.1 應力分析

分析各工況計算結果可知，主塔最大應力部位均出現(xiàn)在T7 節(jié)段（壓桿格構底部至主塔錨點距離的1/3 位置附近），最大應力為223.7 MPa。豎轉過程中，主塔底部應力由77.6 MPa 減小至34.7 MPa，變化幅度較小；壓桿格構最大應力部位均出現(xiàn)在壓桿柱底部，最大應力為232.8 MPa，結構典型受力狀態(tài)見圖4。結構最不利狀態(tài)為0°工況（主塔剛脫離胎架），隨著豎轉角度的增大，主塔應力與壓桿格構應力均呈逐步減小的趨勢，見圖5。

圖4 豎轉過程結構應力典型結果

圖5 結構應力變化趨勢圖

2.2 索力分析

分析各工況計算結果可知，豎轉過程中，牽引索、拉索最大索力狀態(tài)均出現(xiàn)在0°工況（主塔剛脫離胎架），隨豎轉角度的增大，索力大小由初始的1 600 kN力值水平縮減至最終的160 kN 力值水平，總體呈線性減小趨勢，見圖6。

圖6 提升系統(tǒng)索力變化趨勢圖

2.3 變形分析

對豎轉過程中主塔應力水平較大部位（T7 節(jié)段）的豎向（Z 方向）變形及順橋向（X 方向）變形進行分析，結構典型變形特征見圖7。結果表明，隨著豎轉角度的增大，特征斷面的豎向變形逐漸減小，而順橋向變形呈先增大后減小的趨勢，見圖8。

圖7 豎轉過程結構變形典型結果

圖8 結構特征斷面變形趨勢圖

2.4 穩(wěn)定性分析

對豎轉過程進行結構屈曲特征分析，見圖9，計算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)結果表明，0°工況穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為4.10，但大于安全系數(shù)4.0[5]，隨豎轉角度的增大，結構穩(wěn)定安全系數(shù)急劇增大，整體穩(wěn)定性增強，見圖10。

圖9 豎轉過程結構屈曲分析典型結果

圖10 結構穩(wěn)定安全系數(shù)趨勢圖

3 結語

（1）“臥拼豎轉“工藝能克服傳統(tǒng)吊裝工藝施工中風險高、拼接精度低、環(huán)境影響大等弊端，能夠有效保證工程質(zhì)量及進度。

（2）有限元分析結果表明，對于豎轉成塔工藝，結構體系最不利受力狀態(tài)為主塔剛脫離胎架階段，此狀態(tài)下結構應力、索力及變形均較大，結構穩(wěn)定安全系數(shù)較小，應重視對此階段的結構監(jiān)測控制。

（3）對于主要受力構件的主塔轉鉸，受制于豎轉過程中主塔角度及軸向力的不斷變化以及銷孔附近的應力集中現(xiàn)象，此處的應力分布及預警機制還需進一步研究。