新型纜索吊塔架結構設計與受力分析

陸寧榮，鄭 健

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

大跨徑拱橋多采用纜索吊運斜拉扣掛施工技術，塔架作為拱圈施工重要的受力構件，其安全性直接決定整個工程的成敗。傳統(tǒng)纜索吊塔架結構主要有萬能桿件塔架、鋼管混凝土立柱塔架或型鋼結構塔架。萬能桿件塔架[1-2]結構通過固定規(guī)格的細小構件搭積木的方式進行快速拼裝，具有施工成本低、桿件安拆方便快捷等優(yōu)點，但是由于桿件數(shù)量多、桿件細小、結構剛度低等特點，導致施工工期長、安全風險大。因此，該種塔架結構類型多適應于中小跨徑的拱橋施工。以主跨530 m鋼管混凝土拱橋-合江長江一橋為例，其纜索吊運施工采用鋼管混凝土立柱塔架結構，該塔架結構剛度大，具有結構變形小、拱圈線形方便控制等特點。然而，鋼管混凝土塔架立柱不能周轉，且切割拆除工作量較大，導致施工成本高[3]。基于此，文獻[4-5]提出采用型鋼立柱和萬能桿件相結合的塔架結構形式，在一定程度上彌補了萬能桿件剛度低、桿件數(shù)量多的特點，然而也存在結構裝配化施工難度大、結構受力不均、材料用量大等問題。

基于此，本文提出一種裝配式重型鋼管塔架結構類型。該塔架主要由標準單元段、索鞍單元段、橫聯(lián)、塔頂鋼梁四部分組成，采用格構式結構設計，桿件均為標準件，圓形截面，通過螺栓連接，標準單元段與索鞍單元段以搭積木的形式進行組合安裝，100 m高塔架能在50 d內搭設完成，較傳統(tǒng)萬能桿件塔架結構可節(jié)省鋼材21.4%，桿件數(shù)量減少80%以上，縮減了20%以上施工工期，操作簡單高效、周轉率高。

1 工程概況

1.1 項目概況

某大橋為跨徑185 m下承式鋼箱拱橋，橋跨布置為30 m+185 m+30 m。主跨185 m鋼箱拱橋拱軸線為二次拋物線，理論跨徑為185 m，矢高為46.25 m，矢跨比為1∶4。拱肋采用單室箱型截面，截面尺寸由拱頂4.5 m×4.5 m線性漸變至拱底6.0 m×6.0 m。

單側主拱肋共分為10節(jié)段，以橋梁中心線對稱布置，兩岸以跨徑中心對稱，全橋共計10節(jié)段。各節(jié)段劃分見圖1。拱圈總重量為1 420 t，節(jié)段最大重量為217.8 t，橋面梁拱座及邊跨段采用支架支撐，橫向分5段(吊重控制在220 t以內)。

圖1 拱橋節(jié)段劃分圖(mm)

1.2 纜索吊塔架結構設計

采用纜索吊運斜拉扣掛施工工藝，斜拉扣掛系統(tǒng)由錨拉板扣點、分配梁、前錨點、扣索、扣索鞍、后張拉錨固點等組成。

纜索吊裝系統(tǒng)塔架可采用裝配式重型鋼管塔架搭設，豎向主承重管采用φ610 mm×14 mm鋼管，立面斜桿采用φ219 mm×6 mm鋼管，水平橫桿和斜桿采用φ168 mm×5 mm鋼管，橫聯(lián)采用φ168 mm×6.5 mm水平鋼管和斜撐鋼管。立柱主管的橫向間距為4 m，縱向間距為4.9 m，豎向每個節(jié)間的高度也為4 m。

總體尺寸為：兩岸塔架高度均為105.05 m，橫橋向塔底總寬12 m，塔頂總寬17.5 m，順橋向塔底總寬4.9 m，塔頂總寬4.9 m。塔架構造如圖2所示。

2 塔架結構有限元分析

2.1 結構建模

通過Midas Civil軟件建模，對塔架進行力學計算，所需各單元類型、材料名稱和截面形狀尺寸如表1所示。

2.2 結構荷載

塔架在結構重力、主索力、扣索力、纜風索力以及風力的組合荷載作用下，重點考察最不利荷載組合作用下塔架的內力、應力、位移、反力、張力情況，分析結果是否符合行業(yè)現(xiàn)行有關標準要求，并提出改進建議。Midas Civil

圖2 塔架結構布置圖(m)

軟件用單元的體積和密度自動計算模型的自重，桁架、只受拉、只受壓或梁單元的自重等于“截面”和“材料”輸入的截面面積和比重乘以單元長度；主索力主要參考文獻[6]開展結構計算，扣索力按照文獻[7]方法計算。風荷載依據(jù)《起重機設計規(guī)范》(GB/T 3811-2008)計算，工作狀態(tài)風荷載取六級風對應的10 min時距平均風速為13.8 m/s，非工作狀態(tài)風荷載取十二級風對應的10 min時距平均風速為32.7 m/s。

表1 材料及桿件截面形狀尺寸一覽表

2.3 荷載組合

塔架在結構重力、主索力、扣索力、纜風索力以及風力的組合荷載作用下，重點考察最不利荷載組合作用下塔架的內力、應力、位移、反力、張力情況，分析結果是否符合行業(yè)現(xiàn)行有關標準要求，并提出改進建議。如表2所示。

表2 荷載組合說明表

2.4 計算結果

2.4.1 強度計算(表3)

由表3分析可知，整個施工過程中結構應力均在允許范圍內，且最大應力為130.14 MPa，小于規(guī)范限值210 MPa，有較大的安全富余。

表3 塔架應力計算結果表(MPa)

2.4.2 位移計算

塔架塔頂位移所有荷載組合分析結果如表4所示。

由表4可知，100 m高塔架最大偏位為69.42 mm，小于規(guī)范限值250 mm，整個施工過程中結構剛度良好，且具有較大安全富余。

表4 塔架的位移計算結果表(mm)

2.4.3 穩(wěn)定性計算

在最大懸臂階段，運用Midas Civil軟件進行屈曲分析計算程序，分別開展各個荷載組合作用下的穩(wěn)定性驗算，計算結果如表5所示。由表5可知，6種荷載組合工況下，最小穩(wěn)定性系數(shù)為49.8，大于規(guī)范限值4.0，結構穩(wěn)定性良好。

表5 各屈曲模態(tài)下不同荷載工況的穩(wěn)定性系數(shù)計算結果表

3 結語

本文以某主跨185 m鋼箱截面單肋拱為依托工程，采用裝配式重型鋼管塔架進行結構設計，采用Midas Civil軟件對結構強度、剛度和穩(wěn)定性進行計算分析，結果表明該方案設計合理且安全可靠，可為類似工程提供參考。