向家壩升船機交通橋支撐桁架性能分析

韋仕龍,廖湘輝,周　恒,余　維,趙　楚（三峽大學機械與動力學院,湖北　宜昌　443002）

向家壩升船機交通橋支撐桁架性能分析

韋仕龍,廖湘輝,周恒,余維,趙楚
（三峽大學機械與動力學院,湖北宜昌443002）

在向家壩升船機交通橋施工澆筑中，鋼桁架作為支撐結構得到了應用，靜載特性和支撐穩定性是評價支撐結構性能的兩大重要指標。對桁架結構靜載特性進行了驗證，并進行了彈性屈曲分析，得到了結構的屈曲因子和模態振型，針對側向穩定性不強的情況進行了結構加強，使結構的穩定性能明顯上升。研究結果為類似的空間支撐桁架結構設計提供參照和依據。

向家壩升船機；交通橋；支撐桁架；靜載性能；屈曲分析

0　引言

向家壩水電站的通航建筑物布置在樞紐左岸，為一級全平衡重垂直升船機，最大提升高度為114.2m。交通橋筒體澆筑的是升船機箱體澆筑施工的第一道工序，然后再進行縱橫梁及箱梁等的澆筑施工。交通橋的施工進度和質量直接影響到后面的施工順序，因此如何保證施工能夠高質高效的滿足要求是必須要考慮的[1-3]。

交通橋支撐桁架具有高度高、跨度大、施工載荷大的特性，要保證在承載使用過程中具有足夠的安全性能。承載能力和穩定特性作為評價結構性能的兩個重要指標很有必要[4]。交通橋施工過程為高空施工，由于施工現場設備多，澆筑現場環境復雜，混凝土澆筑承載大，因此要在保證施工設備和人員絕對安全的情況下具有良好的施工質量。本文對交通橋支撐桁架的承載能力和穩定特性進行分析，以校核其承載能力和穩定性能，得到桁架在橫向連系下的結構開始變得不穩定時的臨界載荷和屈曲模態的形狀，為施工安全提供技術保證，同時也為其他類似高空復雜施工環境下的支撐桁架結構設計提供依據和參考。

1　交通橋鋼桁架結構簡介

交通橋支撐桁架頂面高程為382m，跨度為17.2m，交通橋采用4榀鋼桁架作為主梁支撐，桁架為實腹式結構，承載混凝土厚1.5m，側向之間采用水平連接的鋼管形成整體。桁架的總長為17.1m，高度為1.8m。其施工支撐系統如下圖所示。

鋼桁架在承載使用過程中，結構主要承擔樓板及其他構件與設備等永久荷載和澆筑中的混凝土荷載等。桁架在承載過程中上部的結構載荷通過節點的形式進行載荷傳遞，其作用在每個節點處的載荷為P=40.898kN。

2　有限元分析計算

2.1有限元建模

交通橋鋼桁架支撐系統是典型的大跨度桁架結構，結構主要承受豎向載荷，而且桁架結構不僅要承受軸力，還要承受較大的彎矩。采用Beam188空間梁單元建立桁架單元的有限元模型[4]。支撐桁架在垂直載荷作用下會出現向下的撓曲變形，這個變形量的大小直接關系到混凝土澆筑施工模板預拱度的設計，影響交通橋的施工精度。

通過靜力計算得出結構的最大等效應變為11.87mm，最大等效應力為72.49Mpa。根據設計規范要求[4]，結構的許用最大應力為180Mpa，撓度比也較小，滿足靜強度要求。

2.2 有限元屈曲分析

對大跨度空間結構，強度往往并不是導致結構破壞的主要原因，穩定性問題才是更加值得重視的。線彈性屈曲分析是一種用于確定結構開始變得不穩定時的臨界荷載和屈曲模態形狀的技術。

向家壩升船機交通橋施工過程中，鋼桁架梁作為混凝土澆筑施工模板系統的主要高空支撐“地基”，是一個大跨度、重載荷的細長桁架梁，存在壓桿穩定的問題。而且桁架工作空間位于高峽谷區，風場環境非常復雜，容易在風載過程中發生彎曲變形，因此很有必要針對結構進行屈曲分析，以找出影響結構失穩的趨勢，避免危險的發生。

2.3側向連接的改進優化

對結構的加強采取的方案是針對性的加強結構的側向連接形式，以提高它的安全系數。具體措施為在鋼桁架水平方向上添加斜撐連系，在四榀桁架之間的主視面和側面分別添加一對剪刀撐。

針對優化后的鋼桁架支撐結構進行基于特征值性能的屈曲分析，可以知道，優化后桁架結構的屈曲因子明顯上升，最小屈曲因子數值為7.33，即結構發生失穩破壞時最小屈曲載荷為實際承載大小的7.33倍，此時結構活載具有較大的富余空間，支撐鋼桁架使用中不易發生結構上的失穩破壞，桁架結構安全可靠。

3　結語

承載特性和工作穩定性是空間鋼桁架支撐結構工作安全的保證，本文以向家壩升船機交通橋混凝土澆筑施工中的鋼桁架為研究對象，對結構的承載能力進行了靜載分析驗證及安全穩定性進行了分析，針對水平連系結構穩定性不足的情況采取了優化措施，得到結論如下：

（1）向家壩升船機交通橋施工中要求支撐強度高，跨度大，必須保證支撐結構具有足夠的設計強度和剛度，鋼桁架具有較強的支撐特性，滿足重載支撐要求；

（2）穩定性是大跨度空間支撐桁架必須要考慮的，交通橋支撐桁架結構工作過程中的穩定性能取決于結構本身的物理特性，有必要對結構的側向支撐進行加強，以提高結構的穩定性能；

（3）考慮到實際生產，應保證結構件連接牢固，而且本文未考慮結構非線性的影響，應在后續的研究中進行進一步的探討。

[1]張艷紅，胡曉，高季章.向家壩升船機結構地震反應分析[J]，水力發電學報,2012,31(02):175-182.

[2]張壯志，林新志.三峽工程和向家壩水電站升船機船廂室結構設計對比及質量控制難點分析[J]，水利水電技術,2013(44):58-75.

[3]向家壩升船機船廂室段土建招標設計報告[R].報告編號:S230Z10-0945.武漢:長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2009.

[4]云迪，劉賀，張素梅.大跨中承式鋼管混凝土拱橋的自振特性及穩定性[J]，吉林大學學報（工學版），2013,43(01):86-91.