基于有限元模型的獨(dú)塔斜拉橋鋼塔豎轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體過程靜力分析研究

■高興贊 游德泉 李瓊慧

(1.湖北交投宜昌投資開發(fā)有限公司，宜昌 443000;2.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004;3.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430050）

1 概述

某城市高新二路獨(dú)塔斜拉橋主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，橋跨布置為（65+95）m。塔高 66.116m，主塔尺寸 3.6m×3.6m，主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)。主橋立面布置如圖1所示，主梁箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。主橋主梁采用鋼箱梁，梁段橫斷面為整體式閉合箱型斷面，鋼箱梁采用全焊結(jié)構(gòu)。箱梁梁高為2.6m，設(shè)置坡度大小為1.5%的雙向橫坡，頂板寬36.0m，底板寬26.6m。頂板板厚16mm，腹板厚為16mm與30mm兩種，橫隔板間距分別為 2.5m、3.0m、3.5m。

圖1 主橋立面圖（單位：m）

圖2 主梁箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

鋼拱塔外觀從橫立面看呈網(wǎng)球拍型，塔高約66.1m，與豎直向成10°夾角。其中橋面標(biāo)高以上部分約63.5m；主塔采用鋼箱截面，截面尺寸為3.6m×3.6m，板厚8～40mm；材料采用Q345qD鋼材，頂?shù)装寮案拱寰O(shè)置縱向加勁肋，加勁肋間距0.72m。主塔鋼箱約每3m設(shè)置一道帶鑲邊的橫隔板。塔上設(shè)置鋼錨箱，斜拉索錨固于鋼錨箱內(nèi)。

2 轉(zhuǎn)體施工過程

根據(jù)橋體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同可以分為三類轉(zhuǎn)體施工法：水平轉(zhuǎn)體施工法、豎向轉(zhuǎn)體施工法與平豎轉(zhuǎn)結(jié)合施工法[1]。早在20世紀(jì)40年代豎轉(zhuǎn)法就已經(jīng)出現(xiàn)了，這是最早出現(xiàn)的轉(zhuǎn)體施工法[2]。常用的轉(zhuǎn)體方法有兩種：一種是利用三角架起扳進(jìn)行轉(zhuǎn)體，另一種是利用豎轉(zhuǎn)架進(jìn)行轉(zhuǎn)體[3]。高新二路獨(dú)塔斜拉橋由于場(chǎng)地限制及鋼塔受力分析后選用了塔架豎提轉(zhuǎn)體的方法。

鋼塔整體拼裝鋼塔自重848.41t，分為15個(gè)箱梁，D0至D7段為左右鏡像形式，D8節(jié)段為單節(jié)段，如圖3所示：

圖3 鋼塔外形及安裝分段示意圖

現(xiàn)場(chǎng)鋼塔整體組裝胎架與鋼塔橋面成15°夾角，現(xiàn)場(chǎng)胎架搭建按照鋼塔整體與橋面成13°夾角投影放地樣，所有準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備結(jié)束后，啟動(dòng)液壓千斤頂，開始豎轉(zhuǎn)；當(dāng)鋼拱塔豎轉(zhuǎn)到與地面呈80°夾角位置后，系統(tǒng)將停機(jī)，在此期間將所有夾持器夾緊，轉(zhuǎn)體過程如圖4，圖5，圖6所示。

圖4 豎轉(zhuǎn)初始位

圖5 鋼塔豎轉(zhuǎn)過程示意

圖6 鋼塔豎轉(zhuǎn)到位

3 有限元模型的建立

ANSYS建立斜拉梁模型時(shí)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)主梁會(huì)選擇不同的建模方式[4]。高新二路獨(dú)塔斜拉橋空間有限元模型采用了單主梁形式。梁與塔均用三維彈性梁BEAM 188單元[5]模擬。本模型未對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，只將箱梁的兩個(gè)邊墩和鋼塔拱座進(jìn)行了約束，空間模型的模型如圖7所示。在使用BEAM 188這種單元建立模型時(shí)，采用了它的任意截面功能，即將梁與塔的實(shí)際截面導(dǎo)入建模。首先將實(shí)際截面的CAD圖形生成面域并輸出SAT格式文件，將該截面導(dǎo)入ANSYS，再對(duì)這個(gè)截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，SECWRITE這個(gè)面，保存截面為SECT文件，這樣就創(chuàng)建了這個(gè)任意截面，最后用SECREAD命令讀入即可。

圖7 有限元計(jì)算模型

4 有限元模型靜力計(jì)算

設(shè)定不同位置作為計(jì)算量測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)，如圖8所示。考慮橋鋼塔豎轉(zhuǎn)初始工況（15°工況）、豎轉(zhuǎn)中間工況（30°工況）、橋拱豎轉(zhuǎn)中間工況（45°工況）、橋拱豎轉(zhuǎn)中間工況（60°工況）、橋拱豎轉(zhuǎn)完成工況（80°工況）等 5 個(gè)計(jì)算工況，按照設(shè)計(jì)和施工所確定的施工工序，以及設(shè)計(jì)所提供的基本參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，包括：

（1）各施工狀態(tài)下的理論數(shù)據(jù)：主梁標(biāo)高、鋼塔軸線變位、拉索索力以及控制截面應(yīng)力。

（2）施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)各控制點(diǎn)的局部應(yīng)力應(yīng)變。

圖8 關(guān)鍵點(diǎn)位置示意圖

通過對(duì) 15°工況、30°工況、45°工況、60°工況、80°工況5個(gè)工況計(jì)算結(jié)果的分析,得到了各個(gè)施工階段鋼箱梁、鋼塔的應(yīng)力和位移、斜拉索的索力。

計(jì)算分析結(jié)果表明,鋼箱梁的位移在五個(gè)工況中變化不大，均如圖9所示。

圖9 箱梁變形曲線

鋼箱梁上緣最大壓應(yīng)力為28.11MPa,下緣最大拉應(yīng)力為29.28 MPa；最大應(yīng)力出現(xiàn)在支點(diǎn)處，上述應(yīng)力均小于公路橋規(guī)的容許應(yīng)力值。

鋼塔的變形趨勢(shì)在五個(gè)工況中保持一致變形，鋼塔的變形主要呈向內(nèi)收縮的趨勢(shì)，拱角往內(nèi)收縮，最大的位移為1.2cm。

在整個(gè)外塔提升過程中，在初始15°狀態(tài)時(shí)，前、后拉索索力最大，隨豎轉(zhuǎn)進(jìn)行至豎轉(zhuǎn)就位，索力逐漸減小，變化趨勢(shì)如圖10所示。

圖10 前后拉索索力變化

5 結(jié)論

為保證豎轉(zhuǎn)過程中鋼拱塔的強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求，對(duì)主塔豎轉(zhuǎn)過程進(jìn)行施工跟蹤模擬計(jì)算分析，建立了有限元分析計(jì)算模型，主要對(duì)初始提升狀態(tài)、不同角度下的懸停狀態(tài)和最終豎轉(zhuǎn)到位的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。通過靜力分析得出了以下結(jié)果：

（1）鋼塔豎轉(zhuǎn)過程中最大位移出現(xiàn)在30°工況的塔頂，最大豎向位移6.4cm，在安全范圍內(nèi)；最大橫向位移9cm,施工中需利用塔吊、千斤頂、倒鏈以及楔子等對(duì)其軸線偏差以及標(biāo)高偏差進(jìn)行校正，鋼塔最大綜合應(yīng)力為38.3MPa，小于許用應(yīng)力160 MPa（有焊縫）；

（2）豎轉(zhuǎn)架的最大綜合應(yīng)力為110 MPa,位置在豎轉(zhuǎn)架架腳，小于許用應(yīng)力257 MPa故施工過程安全；

（3）拉鎖的初始15°工況的索力最大為4157kN，小于拉鎖單根最大破斷力6250kN，施工中拉鎖安全；

（4）同其它方案相比，豎向轉(zhuǎn)體施工具有施工時(shí)間短，避免高空作業(yè)，豎轉(zhuǎn)時(shí)采用計(jì)算機(jī)全過程控制，使其更安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

[1]張健峰，鐘啟賓.橋梁水平轉(zhuǎn)體法施工的成就及發(fā)展[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1992，（6）.

[2]陳寶春，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工方法在我國的應(yīng)用與發(fā)展[J].公路交通科技，2001（18）:24-28.

[3]何敏娟，鄭元，呂兆華.鋼拱塔斜拉橋豎轉(zhuǎn)施工方案分析[J].特種結(jié)構(gòu),2010（1）:76-79.

[4]任瑞雪.混合梁斜拉橋施工全過程幾何非線性影響分析與施工控制[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士論文,2009.

[5]ANSYS Theory Reference（Release 5.6）Nov.1999（12-4～12-6）.