大跨徑鋼箱梁提籃拱纜索吊裝關(guān)鍵技術(shù)研究

李學(xué)紅

(湖南順昌建筑有限公司，湖南 常德 415000)

隨著我國橋梁建造技術(shù)的飛速發(fā)展，鋼箱梁在拱橋中的應(yīng)用愈加廣泛。相比于混凝土拱橋，鋼箱梁拱橋具有自重輕、跨越能力大等優(yōu)勢。在鋼箱梁施工過程中，纜索吊裝是其最重要的一環(huán)，對纜索吊裝施工控制決定了整座橋梁的安全。國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，莫志強對纜索吊裝過程中纜索吊裝過程中主索滑移和塔偏的影響效應(yīng)進行了分析，得到了主索滑移和塔偏位對主索和塔架影響的量化結(jié)果；馮四超對某大跨徑纜索吊裝鋼筋混凝土拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)；宋剛、陶忠、李睿等對云南某系桿拱橋纜索吊裝過程進行監(jiān)控，總結(jié)了一套切實可行的吊裝施工技術(shù)。為探究纜索吊裝過程中整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，本文以甬江大橋為研究背景，使用數(shù)值分析法對纜索吊裝關(guān)鍵技術(shù)進行分析，研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

以甬江大橋鋼箱梁提籃拱為研究對象，橋跨布置為(100+450+100)m，主拱拱肋采用雙肢鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式。拱肋分為上下兩肢，邊跨下肢為2次拋物線，矢高4.5 m，主跨下肢為懸鏈線，矢跨比0.2，拱軸系數(shù)1.6，上肢拱為圓曲線和二次拋物線組合，主跨下肢拱截面寬度3.5 m，截面高度從6.5 m(拱座處)變至4.8 m(拱頂處上、下肢結(jié)合的凸形截面)，頂、底板厚度30～55 mm，腹板厚度25～30 mm；邊拱下肢拱截面寬度3.5 m，截面高度從6.0 m(拱座處)變至5.0 m(尾端處)，頂、底板厚度30～35 mm，腹板厚度20～30 mm；上肢拱截面寬度為2.8 m，高度為3.0 m，頂、底板厚度16～20 mm，腹板厚度16～20 mm。施工工藝為纜索吊裝施工，主索系統(tǒng)采用φ60 mm鋼絲繩，每一跨每組主索均設(shè)有二臺起吊小車，并設(shè)有獨立的牽引及起重系統(tǒng)。

2 分析工況確定及有限元模擬

根據(jù)施工過程及工藝，本文選取三個關(guān)鍵節(jié)段進行分析，見表1。分別建立三種工況下ANSYS有限元模型，其中，工況1有限元模型中鋼管及附屬連接桿件均采用梁單元BEAM188模擬，塔腳使用固定約束；工況2有限元模型中鋼管及附屬連接桿件均采用梁單元BEAM188模擬，縱向風(fēng)攬用LINK10桿單元模擬，另一側(cè)扣塔采用等效法進行模擬，塔腳使用固定約束，風(fēng)攬的初始張拉力根據(jù)設(shè)計文件及監(jiān)控報告確定；工況3建模方式與工況1和工況2相同，在此不做贅述，在工況2和工況3建模時，為模擬其施工過程，采用ANSYS中的“單元生死”功能模擬其施工階段，使用映射法進行網(wǎng)絡(luò)劃分，有限元模型見圖3。

表1 分析工況表

3 計算結(jié)果分析

考慮結(jié)構(gòu)自重、施工期臨時荷載以及靜風(fēng)荷載三種荷載組合，其中結(jié)構(gòu)自重可以通過程序自動施加，施工期臨時荷載根據(jù)設(shè)計文件轉(zhuǎn)換為梁單元荷載施加，根據(jù)工況不同，確定不同的施工期臨時荷載，靜風(fēng)荷載按照以下公式進行計算。

(1)

(2)

(3)

式中：FD，F(xiàn)L和FM分別為單位長度上的阻力、升力和升力矩；ρ為空氣密度；CD，CL和CM為阻力、升力和升力矩三分力系數(shù)，此處取阻力系數(shù)0.8，升力和升力矩系數(shù)均為0；D為截面參考寬度，此處取管柱直徑。

確定各荷載的計算方法和取值后，分別對比三種工況下鋼管樁的最大應(yīng)力、最大水平位移以及穩(wěn)定性。

3.1 工況1計算結(jié)果

扣塔在自重和靜風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)為13.25。計算結(jié)果表明，在工況1作用下，扣塔主要失穩(wěn)模態(tài)為橫向局部構(gòu)件失穩(wěn)，主要集中于扣塔中間位置。

表2 工況1吊塔最大應(yīng)力及變形結(jié)果

計算結(jié)果表明，工況1作用下，應(yīng)力最大發(fā)生位置為吊塔中部斜腹桿位置，最大達113.5 MPa，應(yīng)力計算結(jié)果與發(fā)生位置驗證了穩(wěn)定性計算結(jié)果的正確性。

3.2 工況2計算結(jié)果

對于工況2，試吊最大節(jié)段時，通過應(yīng)力平衡法調(diào)整分別得到前后風(fēng)攬最大張拉應(yīng)力分別為226.35 MPa、264.18 MPa，將前后風(fēng)攬力沿水平和豎直方向分解，在進行穩(wěn)定性分析時計入其影響。

吊塔在自重、靜風(fēng)荷載以及風(fēng)攬張拉力作用下的穩(wěn)定系數(shù)為9.32，失穩(wěn)模態(tài)見圖1?？鬯谧灾睾挽o風(fēng)荷載作用下的變形見圖2。計算結(jié)果表明，在工況2作用下，扣塔主要失穩(wěn)模態(tài)為中部豎桿失穩(wěn)，主要集中于吊塔中下位置。

圖1 工況2吊塔失穩(wěn)模態(tài)

圖2 工況2扣塔變形示意

表3 工況2吊塔最大應(yīng)力及變形結(jié)果

3.3 工況3計算結(jié)果

工況3為纜索吊裝至最大懸臂狀態(tài)，同時計入了橫向風(fēng)攬的的作用。根據(jù)應(yīng)力平衡法確定各吊裝節(jié)段的最大索力，并考慮其對吊塔穩(wěn)定性的影響。

吊塔在自重、靜風(fēng)荷載以及前后索張拉力作用下的穩(wěn)定系數(shù)為8.46，失穩(wěn)模態(tài)見圖3?？鬯谧灾睾挽o風(fēng)荷載作用下的變形見圖4。計算結(jié)果表明，在工況3作用下，扣塔主要失穩(wěn)模態(tài)為整體失穩(wěn)，由于橫向風(fēng)攬的作用，吊塔整體穩(wěn)定性大幅增強。

圖3 工況2吊塔失穩(wěn)模態(tài)

圖4 工況3扣塔變形示意

表3 工況3吊塔最大應(yīng)力及變形結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以某提籃拱為研究對象，對比分析了三種工況下吊塔的力學(xué)特征，可得到以下結(jié)論。

(1)吊塔拼裝完成后，穩(wěn)定性有較大幅度下降，橫向位移有較大幅度增加，此時需設(shè)置橫向風(fēng)攬。

(2)設(shè)置橫向風(fēng)攬后，吊塔穩(wěn)定性大幅增加，相比于工況2，工況3穩(wěn)定系數(shù)下降幅度較小，因此可認為橫向風(fēng)攬可極大改善扣塔橫向失穩(wěn)的問題。