新型纜索吊塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計與受力分析

陸寧榮，鄭 健

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

大跨徑拱橋多采用纜索吊運斜拉扣掛施工技術(shù)，塔架作為拱圈施工重要的受力構(gòu)件，其安全性直接決定整個工程的成敗。傳統(tǒng)纜索吊塔架結(jié)構(gòu)主要有萬能桿件塔架、鋼管混凝土立柱塔架或型鋼結(jié)構(gòu)塔架。萬能桿件塔架[1-2]結(jié)構(gòu)通過固定規(guī)格的細小構(gòu)件搭積木的方式進行快速拼裝，具有施工成本低、桿件安拆方便快捷等優(yōu)點，但是由于桿件數(shù)量多、桿件細小、結(jié)構(gòu)剛度低等特點，導(dǎo)致施工工期長、安全風(fēng)險大。因此，該種塔架結(jié)構(gòu)類型多適應(yīng)于中小跨徑的拱橋施工。以主跨530 m鋼管混凝土拱橋-合江長江一橋為例，其纜索吊運施工采用鋼管混凝土立柱塔架結(jié)構(gòu)，該塔架結(jié)構(gòu)剛度大，具有結(jié)構(gòu)變形小、拱圈線形方便控制等特點。然而，鋼管混凝土塔架立柱不能周轉(zhuǎn)，且切割拆除工作量較大，導(dǎo)致施工成本高[3]?；诖?，文獻[4-5]提出采用型鋼立柱和萬能桿件相結(jié)合的塔架結(jié)構(gòu)形式，在一定程度上彌補了萬能桿件剛度低、桿件數(shù)量多的特點，然而也存在結(jié)構(gòu)裝配化施工難度大、結(jié)構(gòu)受力不均、材料用量大等問題。

基于此，本文提出一種裝配式重型鋼管塔架結(jié)構(gòu)類型。該塔架主要由標(biāo)準(zhǔn)單元段、索鞍單元段、橫聯(lián)、塔頂鋼梁四部分組成，采用格構(gòu)式結(jié)構(gòu)設(shè)計，桿件均為標(biāo)準(zhǔn)件，圓形截面，通過螺栓連接，標(biāo)準(zhǔn)單元段與索鞍單元段以搭積木的形式進行組合安裝，100 m高塔架能在50 d內(nèi)搭設(shè)完成，較傳統(tǒng)萬能桿件塔架結(jié)構(gòu)可節(jié)省鋼材21.4%，桿件數(shù)量減少80%以上，縮減了20%以上施工工期，操作簡單高效、周轉(zhuǎn)率高。

1 工程概況

1.1 項目概況

某大橋為跨徑185 m下承式鋼箱拱橋，橋跨布置為30 m+185 m+30 m。主跨185 m鋼箱拱橋拱軸線為二次拋物線，理論跨徑為185 m，矢高為46.25 m，矢跨比為1∶4。拱肋采用單室箱型截面，截面尺寸由拱頂4.5 m×4.5 m線性漸變至拱底6.0 m×6.0 m。

單側(cè)主拱肋共分為10節(jié)段，以橋梁中心線對稱布置，兩岸以跨徑中心對稱，全橋共計10節(jié)段。各節(jié)段劃分見圖1。拱圈總重量為1 420 t，節(jié)段最大重量為217.8 t，橋面梁拱座及邊跨段采用支架支撐，橫向分5段(吊重控制在220 t以內(nèi))。

圖1 拱橋節(jié)段劃分圖(mm)

1.2 纜索吊塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用纜索吊運斜拉扣掛施工工藝，斜拉扣掛系統(tǒng)由錨拉板扣點、分配梁、前錨點、扣索、扣索鞍、后張拉錨固點等組成。

纜索吊裝系統(tǒng)塔架可采用裝配式重型鋼管塔架搭設(shè)，豎向主承重管采用φ610 mm×14 mm鋼管，立面斜桿采用φ219 mm×6 mm鋼管，水平橫桿和斜桿采用φ168 mm×5 mm鋼管，橫聯(lián)采用φ168 mm×6.5 mm水平鋼管和斜撐鋼管。立柱主管的橫向間距為4 m，縱向間距為4.9 m，豎向每個節(jié)間的高度也為4 m。

總體尺寸為：兩岸塔架高度均為105.05 m，橫橋向塔底總寬12 m，塔頂總寬17.5 m，順橋向塔底總寬4.9 m，塔頂總寬4.9 m。塔架構(gòu)造如圖2所示。

2 塔架結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)建模

通過Midas Civil軟件建模，對塔架進行力學(xué)計算，所需各單元類型、材料名稱和截面形狀尺寸如表1所示。

2.2 結(jié)構(gòu)荷載

塔架在結(jié)構(gòu)重力、主索力、扣索力、纜風(fēng)索力以及風(fēng)力的組合荷載作用下，重點考察最不利荷載組合作用下塔架的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、反力、張力情況，分析結(jié)果是否符合行業(yè)現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并提出改進建議。Midas Civil

圖2 塔架結(jié)構(gòu)布置圖(m)

軟件用單元的體積和密度自動計算模型的自重，桁架、只受拉、只受壓或梁單元的自重等于“截面”和“材料”輸入的截面面積和比重乘以單元長度；主索力主要參考文獻[6]開展結(jié)構(gòu)計算，扣索力按照文獻[7]方法計算。風(fēng)荷載依據(jù)《起重機設(shè)計規(guī)范》(GB/T 3811-2008)計算，工作狀態(tài)風(fēng)荷載取六級風(fēng)對應(yīng)的10 min時距平均風(fēng)速為13.8 m/s，非工作狀態(tài)風(fēng)荷載取十二級風(fēng)對應(yīng)的10 min時距平均風(fēng)速為32.7 m/s。

表1 材料及桿件截面形狀尺寸一覽表

2.3 荷載組合

塔架在結(jié)構(gòu)重力、主索力、扣索力、纜風(fēng)索力以及風(fēng)力的組合荷載作用下，重點考察最不利荷載組合作用下塔架的內(nèi)力、應(yīng)力、位移、反力、張力情況，分析結(jié)果是否符合行業(yè)現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并提出改進建議。如表2所示。

表2 荷載組合說明表

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 強度計算(表3)

由表3分析可知，整個施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，且最大應(yīng)力為130.14 MPa，小于規(guī)范限值210 MPa，有較大的安全富余。

表3 塔架應(yīng)力計算結(jié)果表(MPa)

2.4.2 位移計算

塔架塔頂位移所有荷載組合分析結(jié)果如表4所示。

由表4可知，100 m高塔架最大偏位為69.42 mm，小于規(guī)范限值250 mm，整個施工過程中結(jié)構(gòu)剛度良好，且具有較大安全富余。

表4 塔架的位移計算結(jié)果表(mm)

2.4.3 穩(wěn)定性計算

在最大懸臂階段，運用Midas Civil軟件進行屈曲分析計算程序，分別開展各個荷載組合作用下的穩(wěn)定性驗算，計算結(jié)果如表5所示。由表5可知，6種荷載組合工況下，最小穩(wěn)定性系數(shù)為49.8，大于規(guī)范限值4.0，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

表5 各屈曲模態(tài)下不同荷載工況的穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果表

3 結(jié)語

本文以某主跨185 m鋼箱截面單肋拱為依托工程，采用裝配式重型鋼管塔架進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用Midas Civil軟件對結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性進行計算分析，結(jié)果表明該方案設(shè)計合理且安全可靠，可為類似工程提供參考。