大跨纜索起重機索塔靜力學性能分析*

徐 宏，周 敉，王亞美，楊 倩，許瑞龍

(1.中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054； 2.長安大學，陜西 西安 710064； 3.西安科技大學，陜西 西安 710054)

0 引言

纜索吊裝在橋跨兩岸布置索塔和纜索系統，通過起吊索垂直起降、牽引索沿主索軸向移動實現構件的垂直起吊、安裝和平移等施工作業[1-4]。索塔結構是纜索起重機系統的核心構件和主要承重結構[5-7]，一般采用鋼桁架形式，其強度、位移、穩定性對纜索吊裝安全施工至關重要[8]，會直接影響纜索起重機系統的吊裝能力和吊裝范圍。索塔的合理設計和可靠性驗算是決定拱橋纜索吊裝施工的關鍵因素[9]。本文以某鋼管混凝土拱橋纜索吊裝工程為例，采用有限元軟件對索塔結構進行靜力分析，驗證索塔的力學性能，優化結構形式。

1 工程概況

渝黔鐵路夜郎河特大橋主橋采用上承式勁性骨架鋼筋混凝土X形提籃拱，拱肋計算跨徑370m，矢高83.5m，矢跨比1/4.431 14，懸鏈線拱軸線系數3.5。根據主橋跨度布置及現場地形情況，橋梁上部結構采用“纜索吊裝+斜拉扣掛法”施工方案。纜索起重機在索塔頂設橫移裝置，可實現提籃拱兩拱肋間距變化的吊裝工況。兩索塔分別設置在3～4號墩(重慶側索塔高93.06m)、8～9號墩(貴陽側索塔高97.86m)，主索最大垂度44.5m，起重小車及吊具高10m，安全距離預留1.7m，如圖1所示。

圖1 纜索吊裝布置(單位：m)

2 索塔結構設計

根據纜索起重機系統索塔的纜、扣塔布置形式分為纜、扣塔合一及纜、扣塔分離2種[10-13]。索塔多采用萬能桿件、貝雷梁、鋼管、型鋼等桿件材料拼裝而成[14]。

本工程纜塔采用纜、扣塔分離的布置形式，索塔結構為門式鋼管桁架，底部采用鉸接(見圖2)。單肢立柱格構柱由4根φ800×16鋼管與4根水平2[20通過抱箍型節點板螺栓連接。2肢格構柱沿豎向設置3道桁架結構平聯，桁架主弦桿采用4根φ426×10 鋼管，節間連接采用單榀[20；頂部橫梁由4根φ426×16 鋼管焊接而成，桁架高4.8m，立柱兩側橫向節間距為4.75m，其余為4.5m；縱向節間距立柱部分為4.8m，頂部橫梁為4m。桁架橫梁頂面設置2根1 000mm×800mm鋼箱梁滑道，滑道間焊接HN500×200 H 型鋼。

圖2 塔架結構設計(單位：m)

3 索塔受力分析

對纜索起重機索塔進行靜力分析時，計算荷載主要包括索塔重力、施工荷載和風荷載等。纜索起重機設計包括主起重機和輔助起重機，根據現場工況分析，主起重機工作時，輔助起重機停止作業。索塔計算最不利工況為主起重機額載工況+輔助起重機空載工況。

3.1 200t纜索起重機自重荷載

索鞍自重V索鞍=10t，單個塔架上的索鞍數量n索鞍=2。

重慶側索鞍對塔架的正壓力V索塔重=(V索重+V索鞍)n索鞍=8 957kN，索鞍對塔架的水平力H索塔重=H索重·n索鞍=892kN，索鞍對塔架的橫向力T索塔重=T索重·n索鞍=1 466kN。

同理計算貴陽側荷載，得V索塔重=9 584kN，H索塔重=1 205kN，T索塔重=1 432kN。

3.2 10t輔助起重機荷載

索鞍自重V輔索鞍=2t，單個塔架上的索鞍數量n輔索鞍=2。

重慶側索鞍對塔架的正壓力V輔索塔重=(V輔索空+V索鞍)n索鞍=962kN，索鞍對塔架的水平力H輔索塔重=H輔索空·n索鞍=65kN，索鞍對塔架的橫向力T輔索塔重=T輔索空·n索鞍=141kN。

同理計算貴陽側荷載，得V輔索塔重=1 022kN，H輔索塔重=96kN，T輔索塔重=138kN。

3.3 風纜系統對塔架的荷載

3.3.1風纜計算(初始張力)

2)貴陽側 4個索鞍空載時的橫向力F空=772kN，4個索鞍重載時的橫向力F重=1 570kN，預設橫向平衡荷載T橫=1 171kN。

綜上對比看出，重慶側橫向力略大于貴陽側，設預緊力取最大值T橫=1 199kN；橫向風纜數量n橫=2； 橫向風纜與塔架角度α1=45°，α2=38°。

3.3.2縱橋向纜風索初始預緊力

中間通風纜數量n2=2，后側后風纜數量n3=8，重慶側后風纜與水平向夾角θ1=25°，貴州側后風纜與水平向夾角θ4=28°。

貴陽側H水平貴=923kN，預設縱向平衡荷載H水平=Max(H水平重,H水平貴)=923kN，后風纜與水平向的最大夾角η=β=7°。

3.3.3纜風索最大受力

3.4 風荷載

由GB/T 3811—2008《起重機設計規范》可知6級風風速V=20m/s，計算風壓P=250Pa，風力系數C=1.6， 結構充實系數φ=0.4，遮擋折減系數η′=0.4。為均勻加載各處風荷載，將風荷載轉化為結構自重在縱向和橫向等效加速度作用下產生的荷載。風荷載的等效加速度a縱=0.535m/s2，a橫=0.202m/s2， 縱向風荷載F縱風=375.2kN，橫向風荷載F橫風=141.85kN。

4 索塔計算分析

根據實際地形，重慶側索塔低于貴陽側索塔，但兩側索塔設計形式一致，索塔取受力不利的貴陽側索塔高度計算。

4.1 計算模型

立柱結構為由鋼管和型鋼組成的桁架結構，立柱間距為4.8m，高度方向節間距為4m，計算建模高度為98m(桁架頂面滑道部分高度未計入塔架總高度)。索塔中間設置3道橫聯，橫聯凈間距20m。頂部設置鋼管桁架橫梁，橫梁高度為4.8m。

采用有限元軟件ANSYS進行建模分析，索塔塔架桿件均采用梁單元beam188模擬，橫向纜風繩、通風纜、后風纜均采用link10單元模擬。模型共計11 312個單元，14 126個結點。

4.2 邊界條件

塔架下部設置鉸支座，約束立柱底部鉸支座4個鉸點設置為鉸接約束(Ux=Uy=Uz=0)，各纜風繩的錨固端添加約束(Ux=Uy=Uz=0)。

4.3 工況分析

共分3種工況進行分析。①工況1 索鞍移至2號節段吊裝工位，纜索起重機在跨中起吊，吊取節段重200t；②工況2 索鞍移至1號節段吊裝工位，跨中吊取節段重160t；③工況3 索鞍移至索塔中間吊裝工位，跨中吊取節段重180t。各工況荷載加載如圖3所示。

圖3 各工況荷載加載

計算各工況下索塔受力，如表1所示。

表1 不同工況索塔受力 kN

5 計算結果

索塔整體結構分析包括應力計算和整體穩定性驗算，立柱主鋼管、中部橫聯主弦管、頂部桁架為Q345鋼材，立柱間連接系和橫移滑道梁為Q235鋼材。工況1的應力云圖如圖4所示。

圖4 工況1應力云圖(單位：Pa)

5.1 應力計算結果

1)工況1 立柱主鋼管、中部橫聯主弦管、頂部桁架的構件最大應力為186MPa，在Q345鋼材的許用應力237MPa范圍內；索塔橫移滑道梁最大應力為75.2MPa，在Q235鋼材的許用應力170MPa范圍內；立柱間連接系最大應力為186MPa>170MPa，將方案優化為雙榀槽鋼連接系增加雙面鋼板撐箱形截面，最大應力為100MPa，在Q235鋼材的許用應力范圍內。索塔頂部的最大變形為378mm。

2)工況2 立柱主鋼管、中部橫聯主弦管、頂部桁架的構件最大應力為153MPa，在Q345鋼材的許用應力范圍內；索塔橫移滑道梁最大應力為68.1MPa，在Q235鋼材的許用應力范圍內；立柱間連接系最大應力為164MPa，在Q235鋼材的許用應力范圍內。索塔頂部的最大變形為318mm。

3)工況3 立柱主鋼管、中部橫聯主弦管、頂部桁架的構件最大應力為131MPa，在Q345鋼材的許用應力范圍內；索塔橫移滑道梁最大應力為94.8MPa，在Q235鋼材的許用應力范圍內；立柱間連接系最大應力為96.8MPa，在Q235鋼材的許用應力范圍內。索塔頂部的最大變形為174mm。

5.2 鉸支座支反力

貴陽側索塔鉸支座鉸點布設如圖5所示。3種工況下，索塔立柱鉸點支反力如表2所示。由表2可知，工況1下鉸支座3處于最不利受力狀態，承受水平力105kN，豎向力8 324kN，橫向力307kN。

圖5 貴陽側索塔鉸支座鉸點布設

表2 鉸支座約束點支反力 kN

注：y軸正向為索塔垂直方向；x軸正向為索塔指向后風纜方向；z軸正向根據y，x軸按右手法則確定

鉸支座荷載加載如圖6所示，整體應力云圖如圖7所示。由圖7可知，設計荷載作用下，上鉸支座計算最大應力262MPa，在上鉸支座軸孔板處，超出Q345鋼材的許用應力，采用3cm厚鋼板補強。下鉸支座最大應力為203MPa，小于Q345鋼材許用應力；銷軸最大應力為98.5MPa，小于40Cr容許應力140MPa。這些均能滿足材料使用要求。

圖6 鉸支座荷載

圖7 鉸支座整體應力云圖(單位：Pa)

5.3 塔架穩定性計算

按塔架主弦管連接方式，將塔架兩肢立柱視為四管格構柱進行穩定性驗算。

計算結果表明，塔架整體穩定性滿足要求。

6 結語

1)工況1在立柱、橫聯主弦管和頂部桁架部位，結構應力為3種工況中最大。其中，立柱間連接系超過構件材料的許用應力，截面由單榀槽鋼優化為雙榀槽鋼且增加了雙面鋼板撐箱形截面。構件應力降低45%，截面優化后滿足規范要求。

2)應力值的大小及位置會隨工況的不同發生變化，需加強后續對索塔的施工監控。

3)以貴陽側為例，鉸支座3的支反力合力最大，工況1在水平力、豎直力和橫向力3個方向比工況2分別大47%，10%和12%，比工況3分別大183.8%，59.8%，226.2%。因此，工況1施工時，要對鉸支座的受力進行監控。