基于有限元模型的獨塔斜拉橋鋼塔豎轉轉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有限公司，宜昌 443000;2.福建省交通科學技術研究所，福州 350004;3.湖北省交通規劃設計院股份有限公司，武漢 430050）

1 概述

某城市高新二路獨塔斜拉橋主橋為獨塔雙索面斜拉橋，橋跨布置為（65+95）m。塔高 66.116m，主塔尺寸 3.6m×3.6m，主梁采用鋼箱梁結構。主橋立面布置如圖1所示，主梁箱梁標準橫斷面如圖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，鋼箱梁采用全焊結構。箱梁梁高為2.6m，設置坡度大小為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 主梁箱梁標準橫斷面（單位：mm）

鋼拱塔外觀從橫立面看呈網球拍型，塔高約66.1m，與豎直向成10°夾角。其中橋面標高以上部分約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，頂底板及腹板均設置縱向加勁肋，加勁肋間距0.72m。主塔鋼箱約每3m設置一道帶鑲邊的橫隔板。塔上設置鋼錨箱，斜拉索錨固于鋼錨箱內。

2 轉體施工過程

根據橋體的轉動方向不同可以分為三類轉體施工法：水平轉體施工法、豎向轉體施工法與平豎轉結合施工法[1]。早在20世紀40年代豎轉法就已經出現了，這是最早出現的轉體施工法[2]。常用的轉體方法有兩種：一種是利用三角架起扳進行轉體，另一種是利用豎轉架進行轉體[3]。高新二路獨塔斜拉橋由于場地限制及鋼塔受力分析后選用了塔架豎提轉體的方法。

鋼塔整體拼裝鋼塔自重848.41t，分為15個箱梁，D0至D7段為左右鏡像形式，D8節段為單節段，如圖3所示：

圖3 鋼塔外形及安裝分段示意圖

現場鋼塔整體組裝胎架與鋼塔橋面成15°夾角，現場胎架搭建按照鋼塔整體與橋面成13°夾角投影放地樣，所有準備工作準備結束后，啟動液壓千斤頂，開始豎轉；當鋼拱塔豎轉到與地面呈80°夾角位置后，系統將停機，在此期間將所有夾持器夾緊，轉體過程如圖4，圖5，圖6所示。

圖4 豎轉初始位

圖5 鋼塔豎轉過程示意

圖6 鋼塔豎轉到位

3 有限元模型的建立

ANSYS建立斜拉梁模型時根據不同的結構受力特點主梁會選擇不同的建模方式[4]。高新二路獨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。本模型未對下部結構進行建模，只將箱梁的兩個邊墩和鋼塔拱座進行了約束，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，采用了它的任意截面功能，即將梁與塔的實際截面導入建模。首先將實際截面的CAD圖形生成面域并輸出SAT格式文件，將該截面導入ANSYS，再對這個截面進行網格劃分，SECWRITE這個面，保存截面為SECT文件，這樣就創建了這個任意截面，最后用SECREAD命令讀入即可。

圖7 有限元計算模型

4 有限元模型靜力計算

設定不同位置作為計算量測的關鍵點，如圖8所示。考慮橋鋼塔豎轉初始工況（15°工況）、豎轉中間工況（30°工況）、橋拱豎轉中間工況（45°工況）、橋拱豎轉中間工況（60°工況）、橋拱豎轉完成工況（80°工況）等 5 個計算工況，按照設計和施工所確定的施工工序，以及設計所提供的基本參數，對結構進行分析，包括：

（1）各施工狀態下的理論數據：主梁標高、鋼塔軸線變位、拉索索力以及控制截面應力。

（2）施工過程中橋梁結構各控制點的局部應力應變。

圖8 關鍵點位置示意圖

通過對 15°工況、30°工況、45°工況、60°工況、80°工況5個工況計算結果的分析,得到了各個施工階段鋼箱梁、鋼塔的應力和位移、斜拉索的索力。

計算分析結果表明,鋼箱梁的位移在五個工況中變化不大，均如圖9所示。

圖9 箱梁變形曲線

鋼箱梁上緣最大壓應力為28.11MPa,下緣最大拉應力為29.28 MPa；最大應力出現在支點處，上述應力均小于公路橋規的容許應力值。

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

在整個外塔提升過程中，在初始15°狀態時，前、后拉索索力最大，隨豎轉進行至豎轉就位，索力逐漸減小，變化趨勢如圖10所示。

圖10 前后拉索索力變化

5 結論

為保證豎轉過程中鋼拱塔的強度、剛度滿足規范要求，對主塔豎轉過程進行施工跟蹤模擬計算分析，建立了有限元分析計算模型，主要對初始提升狀態、不同角度下的懸停狀態和最終豎轉到位的狀態進行計算。通過靜力分析得出了以下結果：

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

（2）豎轉架的最大綜合應力為110 MPa,位置在豎轉架架腳，小于許用應力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，豎向轉體施工具有施工時間短，避免高空作業，豎轉時采用計算機全過程控制，使其更安全、可靠等優點。

[1]張健峰，鐘啟賓.橋梁水平轉體法施工的成就及發展[J].鐵道標準設計，1992，（6）.

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

[3]何敏娟，鄭元，呂兆華.鋼拱塔斜拉橋豎轉施工方案分析[J].特種結構,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].長沙理工大學碩士論文,2009.

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