新型裝配式塔架結構設計及受力行為分析

王 彬

（廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200）

鋼管混凝土拱橋常采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工，塔架作為纜索系統(tǒng)中重要的組成部分之一，其結構安全與否直接關系著大橋方案的選取以及實際造價。傳統(tǒng)的塔架多由萬能桿件或者型鋼搭設，具有成本低、方便快捷、桿件通用性強、周轉高等優(yōu)點[1]，但該類塔架結構整體剛度較弱，僅適用于跨徑較小的橋梁，無法進一步滿足拱橋跨徑日益發(fā)展的需求[2-3]。本文依托某主跨528m 的鋼管混凝土拱橋，基于建筑業(yè)裝配式結構理念，研發(fā)了新型裝配式重型塔架，其相關結構設計及受力分析可供同類型橋梁施工借鑒和參考。

1 工程概況

某特大橋主橋設計為主跨528m 的中承式鋼管混凝土拱橋，拱軸線采用高次拋物線，計算跨徑508m，矢高123.25m，矢跨比為1/4.1217。拱肋為鋼管混凝土桁架結構，共兩片拱肋。單片拱肋采用變高度四管桁式截面，拱頂截面徑向高7.9m，拱腳截面徑向高15.7m，肋寬4.1m。每片肋上弦、下弦均為兩根φ1300mm 鋼管混凝土弦管，壁厚分22mm、26mm、30mm 三種規(guī)格，管內混凝土采用C60 自密實補償收縮混凝土。該橋為目前世界第三大跨徑鋼管混凝土拱橋。

2 塔架結構設計

塔架作為纜索系統(tǒng)中的關鍵性結構，其強健性直接關系著施工過程中的安全。為此，我們研發(fā)了裝配式重型鋼管桁式塔架，鋼材材質為Q345B，塔架縱向以4m 為模數(shù)設計，橫橋向以4.9m 為模數(shù)設計，每節(jié)標準段長8m。塔架立柱采用Ф610 鋼管，腹桿采用（Ф114～Ф245）鋼管，立桿與立桿間采用法蘭連接，立桿與腹桿間采用節(jié)點板連接。以一岸塔架結構為例，其具體結構構造如圖1 所示。

圖1 塔架具體結構設計示意圖

3 有限元模型的建立

3.1 幾何模型

以最高塔架為例，利用有限元程序MIDAS/civil 2019 建立大橋塔架分析模型，模型考慮幾何非線性對纜風剛度的影響，除纜風索采用索單元模擬外，其余均采用空間梁單元模擬，纜風與地錨連接處及塔底均固結處理。塔架結構離散節(jié)點數(shù)共計2817 個，單元數(shù)共計6440 個。

3.2 計算工況

塔架在工作中會承受到各種荷載的作用，對于塔架正常工作狀態(tài)的計算，考慮結構自重+主索力（吊重）+扣掛荷載+正常工作狀態(tài)風荷載+纜風力，而對于塔架非正常工作狀態(tài)的計算，考慮結構自重+主索力（空載）+扣掛荷載+非正常工作狀態(tài)風荷載+纜風力。塔架結構可能出現(xiàn)的不利荷載工況組合如表1 所示。

表1 塔架計算荷載工況

4 計算結果分析

4.1 塔架應力分析

為確保塔架在使用過程中具有足夠的強度，有必要進一步了解塔架應力分布情況，在不同荷載工況下，塔架應力計算結果如圖2 所示。

圖2 塔架應力計算結果

由圖2 可得，塔架最大拉應力為94.4MPa，出現(xiàn)在CB4 工況；最大壓應力為-174.3MPa，出現(xiàn)在CB7 工況，均滿足鋼材容許應力不超過210MPa 的要求，且具有較大的富余量，塔架結構強度可靠。

4.2 塔架位移分析

對于纜索吊裝施工而言，塔架位移過大可能會導致施工精度下降、安全性降低以及結構穩(wěn)定性受損等。且《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）對施工過程中塔架位移有著明確規(guī)定，不超過H/400，有必要對各工況下塔架位移進行計算分析，計算結果如表2 所示。

表2 塔架位移計算結果

由表2 可得，塔頂最大位移出現(xiàn)在CB5 工況，為335.1mm，滿足塔偏不大于168.33/400=420.8mm的要求，塔架剛度滿足施工要求。

4.3 塔架穩(wěn)定性分析

拱肋纜索吊裝過程中，常涉及塔頂索鞍橫移以及扣索荷載對塔架的偏載[4-5]，為此，有必要對纜索吊裝過程中塔架的穩(wěn)定性進行分析。運用MIDAS/civil 對塔架在各個荷載組合工況下的穩(wěn)定性進行驗算，結果只提取一階彈性穩(wěn)定系數(shù)，如表3 所示。

表3 塔架穩(wěn)定性計算結果

由表3 可得，在正常和非正常工作狀態(tài)下，塔架最小臨界荷載系數(shù)為16.5，滿足《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG-T 3650-2020）彈性穩(wěn)定系數(shù)最小值4.0，塔架整體穩(wěn)定性良好。

5 結語

本文以某世界第三大跨徑鋼管混凝土拱橋為工程依托，對纜索系統(tǒng)裝配式重型塔架結構設計進行了詳細介紹，并利用有限元程序MIDAS/civil 對塔架工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下結構的強度、剛度及穩(wěn)定性進行了驗算，計算結果表明該結構設計合理，安全可靠，可為同類型結構設計提供借鑒和參考。