霞飞大桥索塔竖向转体施工技术及有限元分析_郑晨曦.pdf
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1、福建交通科技2023年第1期采用先卧拼后竖转的方法施工索塔,可有效减少高空焊接工作量,在降低索塔等高耸结构施工难度的同时,更便于提高索塔拼装过程的施工精度1。为保障施工过程的安全性,采用MIDAS/CIVIL对霞飞大桥索塔竖转施工过程进行整体分析,后采用ANSYS对索塔转铰结构进行细部分析2-3。研究结果可作为霞飞大桥索塔竖转施工过程监控的参考依据,也可为其他同类项目的施工、计算分析提供一些有益的思考。1工程概况霞飞大桥主桥桥型采用自锚式悬索桥,跨径布置为68+148+68=284 m。主桥索塔总高59.33 m,采用椭圆型结构,下塔柱为混凝土结构,上塔柱及横梁则采用钢结构,其中钢结构部分高4
2、1.03 m,重约1 270.75 t。出于线形控制、施工便利性和施工安全性的考虑,索塔采用下塔柱现浇、上塔柱卧拼后再竖向转体的形式进行安装。结合现场条件,选择钢结构主梁作为索塔竖转部分的拼装平台。索塔竖转采用三角起扳方案,利用分别锚固于对岸索塔与边跨桥面的千斤顶,以位于索塔钢结构结合段顶部的转铰为中心点,将上塔柱竖向转体至设计线形4。索塔转体部位为钢结构结合段以上,索鞍安装位置以下的节段,单个索塔竖转部分总重量约983.48 t,算上辅助设施总转体重量约1 194.18 t。2竖转施工过程除塔梁临时连接结构、索塔转铰结构、塔顶锚固结构、平衡索和计算机液压控制系统等通用结构外,索塔竖转体系主要
3、可分为牵引系统和后背索系统2个部分,其中牵引系统主要含4台360 t连续千斤顶、牵引索和竖转三脚架,后背索系统则主要含2台360 t连续千斤顶、后背索和桥面锚固。牵引系统连续千斤顶设置在索塔钢结构结合段顶部,后背索系统连续千斤顶设置在边跨桥面位置,此外还有2台360 t连续千斤顶设置在平衡索两侧。由图13可知,塔顶锚固结构位于索塔节段顶两侧外边缘,沿主跨方向,单侧采用2根竖转三脚架拉索与压杆连接,并通过2根牵引索与设置在另一侧索塔钢结构结合段顶部的锚点相连,构成牵引系统;沿边跨方向,单侧采用1根后背索与设置在边跨桥面的锚固结构相连,构成后背索系统。平衡索则设置在索塔竖转底部位置,用以平衡椭圆型
4、索塔竖转过程中产生的水平力5。图1索塔竖转结构总体横断面布置图摘要为分析霞飞大桥钢索塔在竖向转体施工过程中各结构的受力状态,进行了先整体后局部的有限元模拟,以计算不同竖转角度下各结构的强度、刚度和稳定性。结果表明:在竖转角度最小和最大时,结构均处于受力较为不利的状态,且索塔转铰位置存在应力集中,施工过程中应予以重点关注。关键词钢索塔竖向转体有限元模拟应力集中霞飞大桥索塔竖向转体施工技术及有限元分析郑晨曦陈鹏飞(浙江交工集团股份有限公司,杭州310000)59FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期索塔竖向转体过程可大致分为以下几个步骤:(1)采用支架法在主塔桥面位置卧式
5、拼装索塔竖转结构,并安装完成塔顶锚固结构、竖转三脚架和起拉索等临时结构。此时,索塔竖转结构与桥面的夹角为5;(2)利用360 t连续千斤顶连续加载,张拉牵引索,实现索塔竖向转体;(3)索塔竖向转体至结构与桥面夹角为60时,暂停张拉牵引索油缸,挂设后背索并张紧。其中,后背索的张紧需按照指定荷载的20%、40%、60%、80%、100%的方式,逐级加载到指定荷载5 t;(4)继续张拉牵引索,直至索塔竖转结构与桥面夹角为90,完成竖转结构与钢结构结合段的连接,并拆除临时结构。3有限元模拟3.1数值模拟整体分析中索塔、竖转三角架压杆和竖转三角架平联均采用梁单元模拟,拉索采用只受拉单元模拟。因拉索锚固点
6、及索塔下转铰均采用销轴连接,模型中特将锚固点简化为铰接点,而索塔与下转铰的偏心则采用刚臂进行模拟。由于索塔为自下而上逐渐收缩的椭圆型结构,竖转三脚架拉索和后背索为空间索结构。索塔竖转过程中,索塔转铰位置需承受较大的水平推力,为此设置了水平拉索作为水平力平衡索。模型通过在支座位置设置侧向约束的方式进行模拟水平索的作用。为较好模拟竖转过程中各构件的受力情况,模型仅考虑各构件的刚度,而自重和风荷载则采用单元荷载的形式施加。细部分析则采用实体单元对索塔主体结构模拟,荷载以线载荷的形式施加在与销轴连接耳板接触位置,同时约束索塔节段断面X、Y、Z向自由度。索塔竖转整体模型见图4。3.2整体分析按照索塔竖转
7、施工过程,以索塔竖转结构与桥面夹角每增加10设置1个施工工况进行整体分析。同时,出于安全考虑,整体分析中竖转角度从0开始,而非实际施工中卧拼完成时的索塔结构与桥面的夹角。除结构安全性评定外,索塔结构的线型控制同样是竖转施工工艺评定的关键问题,即施工中应注意观测并校核索塔塔顶的角度6。因此,数值分析中以竖转结构的塔顶位移小于10 mm作为判定各工况下整体结构是否达到理想状态的控制指标。图2索塔竖转结构总体立面布置图图3索塔竖转结构总体平面布置图图4索塔竖转整体模型示意图桥隧工程60福建交通科技2023年第1期图5各工况索塔竖转结构应力值由图6可知,随着竖转角度的不断增加,牵引索和竖转三角架拉索承
8、受的拉力不断减小,而后背索承受的拉力则不断增大,这一结果符合基本力学规律。单侧牵引索采用2根25-1715.24高强低松弛钢绞线,其抗拉强度标准值为1 860 MPa,则单侧单根牵引索最大可承受的拉力为4 410 kN。竖转过程中承受的最大拉力为4 242.63 kN。当索塔竖转角度为0时,牵引索承受的拉力最大。考虑钢绞线受力不均匀系数1.5,则有单侧单根牵引索钢绞线可能承受的最大拉力为3 181.98 kN1.25,连续千斤顶可满足施工需求且仍有一定的安全富余。图6各工况拉索结构拉力值数值模拟中,索塔转铰采用约束的形式施加,故水平拉索的索力取值应等于表2中侧向水平反力的数值。平衡索采用单根抗
9、拉强度标准值为1 860 MPa的9-1715.24高强低松弛钢绞线和2台360 t连续千斤顶等设备。当竖转角度达80时,平衡索承受的最大拉力为613.02 kN,小于平衡索可承受的最大拉力1 587.60 kN,可满足施工安全要求。表2索塔上转铰支反力值同理,竖转三角架中拉索采用2根抗拉强度标准值为1 860 MPa的25-1715.24高强低松弛钢绞线,后背索采用单根抗拉强度标准值为1 860 MPa的25-1715.24高强低松弛钢绞线和1台350 t连续千斤顶等设备,同样可以满足施工安全要求。对于竖转三角架,除拉索外还需关注压杆的稳定性。由表3可知,竖转角度为0时,竖转三角架压杆的受力
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