斜拉橋主塔豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)受力特征分析

謝曙輝

（華設(shè)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(fēng)氣候的影響，常規(guī)的吊裝工藝存在施工風(fēng)險高、拼接精度低、進度影響大等弊端，而主塔“臥拼豎轉(zhuǎn)”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(xué)者對斜拉橋主塔豎轉(zhuǎn)技術(shù)進行研究總結(jié)，張偉等[1]闡述了斜拉橋主塔豎轉(zhuǎn)的施工技術(shù)；司永明等[2]研究了組合結(jié)構(gòu)主塔在豎轉(zhuǎn)過程中的受力特征；徐琛[3]分析了豎轉(zhuǎn)過程中臨時拉索的索力變化；康俊濤等[4]對鋼主塔豎轉(zhuǎn)監(jiān)測技術(shù)進行了研究。

本文以青島市某斜拉橋鋼主塔豎轉(zhuǎn)為工程背景，對豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)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(cè)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(yù)應(yīng)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(zhuǎn)主塔總重約1 734.9 t，體量居國內(nèi)A 型鋼主塔豎轉(zhuǎn)之最（見圖1）。

圖1 橋梁效果圖

1 豎轉(zhuǎn)方法

1.1 豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)體系由鋼主塔、拉索、壓桿格構(gòu)、牽引索、牽引力控制系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)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(jié)合段，T1—T10 為豎轉(zhuǎn)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(shè)計抗拉強度1 860 MPa。壓桿格構(gòu)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(zhuǎn)結(jié)構(gòu)體系總體布置圖

1.2 豎轉(zhuǎn)流程

利用吊機在胎架上臥拼鋼主塔，安裝壓桿格構(gòu)及牽引索、拉索等臨時結(jié)構(gòu)。待豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)體系拼裝完成后，進行整體試轉(zhuǎn)。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(yù)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(guān)監(jiān)測指標(biāo)滿足要求后，開始正式豎轉(zhuǎn)。

鋼主塔共計豎轉(zhuǎn)75°，正式豎轉(zhuǎn)通過5 個等角度提升行程完成。豎轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到位，安裝斜拉索，拆除臨時結(jié)構(gòu)。

牽引索、拉索作為提升主動力，直接關(guān)系轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中，結(jié)構(gòu)空間姿態(tài)動態(tài)變化，鋼主塔及壓桿格構(gòu)受力狀態(tài)不斷改變，因此對豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析軟件對豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)體系進行全過程仿真，除索結(jié)構(gòu)用桁架單元模擬外，其余結(jié)構(gòu)用梁單元模擬，各豎轉(zhuǎn)工況見圖3。計算分析考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1 及動力系數(shù)1.2。通過對結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的應(yīng)力、索力、變形及整體穩(wěn)定性進行計算，分析豎轉(zhuǎn)過程受力特征。

圖3 有限元模型

2.1 應(yīng)力分析

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

圖4 豎轉(zhuǎn)過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力典型結(jié)果

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化趨勢圖

2.2 索力分析

分析各工況計算結(jié)果可知，豎轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中主塔應(yīng)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(jié)構(gòu)典型變形特征見圖7。結(jié)果表明，隨著豎轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程結(jié)構(gòu)變形典型結(jié)果

圖8 結(jié)構(gòu)特征斷面變形趨勢圖

2.4 穩(wěn)定性分析

對豎轉(zhuǎn)過程進行結(jié)構(gòu)屈曲特征分析，見圖9，計算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)結(jié)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(zhuǎn)角度的增大，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)過程結(jié)構(gòu)屈曲分析典型結(jié)果

圖10 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)趨勢圖

3 結(jié)語

（1）“臥拼豎轉(zhuǎn)“工藝能克服傳統(tǒng)吊裝工藝施工中風(fēng)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(jié)果表明，對于豎轉(zhuǎn)成塔工藝，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)應(yīng)力、索力及變形均較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)較小，應(yīng)重視對此階段的結(jié)構(gòu)監(jiān)測控制。

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