基于有限元分析的不平衡鋼箱梁轉(zhuǎn)體臨時塔設(shè)計

楊光宇

摘 要：橋梁轉(zhuǎn)體技術(shù)在我國交通建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，施工技術(shù)逐漸成熟。其中不平衡鋼箱梁轉(zhuǎn)體技術(shù)難度大、風(fēng)險高，往往需要臨時塔的輔助，因此轉(zhuǎn)體臨時塔設(shè)計成為了一項關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合武漢市常青路（三環(huán)線～青年路 ）工程跨京廣鐵路（95+105）m轉(zhuǎn)體鋼箱梁橋轉(zhuǎn)體臨時塔的設(shè)計，介紹了不平衡鋼箱梁轉(zhuǎn)體臨時塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元整體分析、有限元細(xì)部分析等相關(guān)內(nèi)容，并對分析結(jié)果做了分析總結(jié)。為同類工程施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：不平衡;轉(zhuǎn)體橋;臨時塔;有限元;鋼箱梁

中圖分類號：U445 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0154-03

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國家和各省市加快了對公路、鐵路等交通運(yùn)輸行業(yè)的投資建設(shè)力度。根據(jù)交通運(yùn)輸部數(shù)據(jù)，截至2017年末，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12.7萬公里，全國公路總里程477.35萬公里。公路與公路、公路與鐵路的立體交叉越來越常見，為保證橋梁的正常施工，同時不影響跨越的鐵路或公路，橋梁轉(zhuǎn)體技術(shù)得到了大力推廣。

在眾多的轉(zhuǎn)體橋梁中，平衡轉(zhuǎn)體占大多數(shù)，不平衡轉(zhuǎn)體技術(shù)難度高，較為少見。在不平衡轉(zhuǎn)體中，為防止墩頂橫梁撓度過大，增加不平衡轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性，通常需要設(shè)計輔助轉(zhuǎn)體的臨時塔，因此臨時塔設(shè)計成為轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵技術(shù)。

1工程概況

本工程位于武漢市常青路，跨越漢口火車站西咽喉區(qū)，主跨橋梁全長200m，與南北側(cè)的常青路高架橋順接;橋跨采用（95+105）m轉(zhuǎn)體連續(xù)鋼箱梁，橋面總寬51m，鋼箱梁端部梁高3.0m，主墩處根部梁高6.5m，直腹板梁高按二次拋物線變化。鋼箱梁單幅頂寬25.25m，底寬16.5m。

本橋上部結(jié)構(gòu)為分幅鋼箱梁，在墩頂用大橫梁連接左右雙幅橋，完成鋼箱梁與轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的固定后，進(jìn)行（91.4+43.8）m不等跨鋼箱梁水平轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體重量高達(dá)8600噸，是國內(nèi)最大規(guī)模的不平衡轉(zhuǎn)體橋。

2 臨時塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

臨時塔立柱采用1200×24mm無縫鋼管，橫撐腹桿、斜腹桿采用426×12mm無縫鋼管，錨點(diǎn)處橫撐腹桿加強(qiáng)采用560×16mm無縫鋼管，水平連接腹桿采用325×12mm無縫鋼管。鋼塔分節(jié)段制造安裝，立柱鋼管間采用剖口對接熔透焊，腹桿與立柱鋼管間采用剖口相貫熔透焊，柱頂5m范圍內(nèi)填充C50微膨脹混凝土，以增強(qiáng)立柱的局部抗壓強(qiáng)度。斜拉索采用熱鍍鋅平行鋼絲拉索，拉索型號PES7-253，斜拉索一端錨固在鋼塔立柱上，另一端通過異形錨頭配合錨栓與橋面板預(yù)留吊耳相連，在塔端張拉。臨時塔結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

3 計算分析

3.1 荷載參數(shù)

（1）鋼材自重荷載G1，其容重取78.5kN/m3。

（2） 混凝土自重荷載G2，其容重取23kN/m3，每根立柱柱頂5m范圍內(nèi)的混凝土自重為119.9 kN。

（3）拉索力Q1。臨時拉索的張拉索力為4000 kN，最大索力為6000 kN。

（4）風(fēng)荷載Q2。

風(fēng)荷載強(qiáng)度W=K1K2K3W0

式中： W——風(fēng)荷載強(qiáng)度（Pa）;

W0——基本風(fēng)壓值（Pa），查規(guī)范取值400Pa;

K1——風(fēng)載體形系數(shù)，查規(guī)范取值0.8;

K2——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查規(guī)范取值1.0;

K3——地形、地理條件系數(shù)，查規(guī)范取值0.9;

其中風(fēng)荷載強(qiáng)度按地面以上0.65倍鋼塔高度處取值。

3.2 荷載組合

3.3 有限元整體分析

（1） 臨時塔的整體分析用midas civil進(jìn)行建模。

（2） 立柱、腹桿均為桿系單元，結(jié)構(gòu)自重按程序自動計算。

（3）斜拉索采用僅受拉單元模擬。計算模型見圖2～4。

根據(jù)計算模型提取結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對各桿件進(jìn)行計算分析，結(jié)果匯總?cè)绫?～3。

3.4 有限元細(xì)部分析

（1）臨時塔的細(xì)部分析用midas FEA進(jìn)行建模。

（2） 錨墊板、加勁肋、預(yù)埋導(dǎo)管等采用實(shí)體單元，內(nèi)部填充的C50微膨脹混凝土采用實(shí)體單元。

（3） 網(wǎng)格劃分采用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格。計算模型見圖5～6。

根據(jù)細(xì)部分析模型提取各構(gòu)件的應(yīng)力、變形分析結(jié)果，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

3.5穩(wěn)定性分析

臨時塔立柱為壓彎構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行受壓穩(wěn)定性計算，由于鋼管寬厚比滿足規(guī)范S3級截面要求，故無需驗算其局部穩(wěn)定性，此處做整體穩(wěn)定性分析如下：

4結(jié)論

（1）通過midas civil建立有限元模型，對臨時塔進(jìn)行整體分析，結(jié)合手工計算，臨時塔的應(yīng)力及變形滿足規(guī)范要求。臨時塔的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范及轉(zhuǎn)體的要求。

（2）由于自重影響斜拉索的等效彈性模量，斜拉索的有效索力以及斜拉索的傾角都會發(fā)生變化。本設(shè)計模型采用僅受拉單元模擬斜拉索，根據(jù)計算結(jié)果分析，以Z-1斜拉索為例，塔端應(yīng)力464.2MPa>梁端應(yīng)力462.3MPa，模型簡化合理。

（3）通過midas FEA對塔端錨固進(jìn)行細(xì)部分析，錨墊板、預(yù)埋導(dǎo)管、加勁肋等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力均小于200 MPa，應(yīng)力和變形均滿足規(guī)范要求。

（4）根據(jù)鋼管立柱和填充混凝土的應(yīng)力、變形結(jié)果，混凝土整體呈受壓狀態(tài)，鋼管立柱與填充混凝土的變形是一致的，說明填充C50微膨脹混凝土對鋼管立柱的變形起到了有效的支撐約束，局部填充混凝的設(shè)計實(shí)踐效果良好。

（5）根據(jù)本項目實(shí)施中反饋的數(shù)據(jù)，對比計算分析結(jié)果，兩者吻合良好，說明本設(shè)計是合理可行的，值得同類設(shè)計參考。

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