霞飞大桥索塔竖向转体施工技术及有限元分析_郑晨曦.pdf

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41.03 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最不利。压杆稳定计算时，强轴方向的计算长度取压杆上下2个销轴孔的中心间距，弱轴方向的计算长度则按照平联横杆的布置间距取值。经计算可得，竖转三角架压杆强轴和弱轴方向的稳定性计算结果分别为0.27和0.23，即竖转三角架压杆的稳定性满足施工安全性要求。表1各工况索塔塔顶位移值指标工况1234567891011角度/0102030405060安装后背索708090塔顶位移/mm1.761.842.902.472.572.863.217.033.624.687.56工况竖转角度/竖向反力/kN纵向水平反力/kN侧向水平反力/kN104952.344204.26437.742104931.223584.52494.943204883.463034.03537.814304821.542535.04566.895404774.652064.05583.566504685.321585.95581.397604587.101078.49562.668安装后背索4639.071104.71569.319704952.40736.53597.6010805264.71215.93613.0211905271.03700.85577.80由表1可知，各工况下索塔塔顶位移均小于10 mm，整体分析的有限元模型基本满足竖转角度控制要求。结合图5可知，易得竖转角度越小，则索塔竖转结构承受的应力越大的结论，但各工况下索塔竖转结构承受的组合应力最大值34.18 MPa295 MPa，剪应力最大值18.49 MPa170 MPa，均未超过材料强度设计值。61FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期表3各工况竖转三角架压杆内力值3.3细部分析对于索塔转铰结构的细部分析，在整体分析的基础上进行。综上可知，当竖转角度0时索塔转铰承受的纵向水平反力最大，当竖转角度达90时索塔转铰结构承受的竖向反力最大。图710分别给出各不利工况下索塔上转铰与下转铰的连接结构，及索塔上转铰与竖转三角架压杆连接结构的Mises等效应力分布情况。（单位：MPa）图7水平力最大工况索塔上转铰结构应力云图（单位：MPa）图8竖向力最大工况索塔上转铰结构应力云图（单位：MPa）图9水平力最大工况索塔下转铰结构应力云图（单位：MPa）图10竖向力最大工况索塔下转铰结构应力云图由图8可知，当竖转角度90时，索塔上转铰承受的最大Mises等效应力可达229 MPa，最大值位于耳板加强孔与销轴的连接角点附近。除去该最大值出现的位置，其余位置应力水平均较低，最大值未超过177.82 MPa，证明该连接角点位置存在应力集中，但其数值仍处于较为安全的范围内。由图10可知，索塔下转铰的连接角点位置同样存在应力集中的情况，应力集中点Mises等效应力数值为228 MPa，其余位置应力均在152.11 MPa以下。分析结果表明，竖转过程中索塔转铰结构承受的应力均小于材料的设计强度，且仍有一定富余量，可以满足施工安全性的要求。值得注意，转铰结构与销轴的连接节点位置存在应力集中的情况，施工过程中除应对销轴孔进行加强外，还应保证其焊缝质量。4结语在不同竖转角度工况下，对霞飞大桥索塔竖转结构及其临时结构进行有限元分析，得到如下结论，工况竖转角度/轴力/kNMx弯矩/（kNm）My弯矩/（kNm）103989.62296.82412.002103124.44203.02396.133202349.39103.05367.054301673.610.08327.195401109.72103.15280.61650656.04203.12223.76760353.17296.90162.518安装后背索349.95396.90167.56970110.06368.25143.511080217.92454.85115.461190292.82496.1261.80(下转第66页)桥隧工程62FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期为竖转方案的顺利实施奠定了坚实基础：（1）霞飞大桥竖转施工采用三角起扳方案切实可行，且过程涉及的索塔结构均能满足施工安全性要求；（2）转铰结构与销轴的连接处存在应力集中，应予以重视，并且要保证该部位的钢板焊接质量。参考文献1许青宏，童李凯.西洪大桥钢主塔竖向转体施工技术J.市政技术，2022，40（4）：36-41，48.2杨士成.斜主塔竖转吊装结构的局部应力分析J.施工技术，2015，44（S1）：354-357.3魏岗，秦利升，卞北平，等.2100 t钢索塔竖提施工结构受力分析J.中国工程机械学报，2020，18（3）：274-277，282.4高兴赞，游德泉，李琼慧.基于有限元模型的独塔斜拉桥钢塔竖转转体过程静力分析研究J.福建交通科技，2018（1）：28-29，93.5王向阳，夏小勇，韩丽丽.稳定索在钢拱塔竖转施工过程控制中的应用分析J.公路，2016，61（1）：90-94.6康俊涛，何林，范杰，等.马蹄形独塔斜拉桥钢主塔竖转施工监控关键技术J.公路，2016，61（1）：95-101.图12不同施工阶段隧道左洞拱顶拉应力变化3结论本文使用MIDAS/GTS有限元分析软件对既有隧道上部明挖道路进行模拟计算，得出以下结论：（1）道路开挖阶段，隧道的最大竖向位移都发生在拱底处，右洞和左洞隆起变形分别为2.95 cm和2.75 cm；（2）隧道最大压应力出现加二衬阶段拱底处，但都小于C25混凝土弯曲抗压强度，意味着不会发生压裂破坏；（3）隧道最大拉应力出现在施加二衬阶段拱底处都为4.35 MPa，大于C25混凝土轴心抗拉2 MPa，且拱顶拉应力增量都大于容许值1 MPa，意味着交叉段二衬需采取加固措施；（4）建议开挖环山路之前加固道路正下方隧道二衬，左右洞加固长度各为29.5 m。参考文献1陈亮，黄宏伟，王如路.近距离上部穿越对原有隧道沉降的影响分析J.土木工程学报，2006（6）：83-87.2黄新连.市政道路近距离上跨运营铁路隧道方式研究J.铁道建筑技术，2019（5）：41-44.3高立文，吕涛，杨明松.新建公路路基上跨既有高速公路隧道的安全影响分析J.中国公路，2018（18）：100-101.4张婷.市政道路上跨既有下伏隧道施工影响分析J.安徽建筑，2022，29（11）：168-169.5中华人民共和国交通运输部.公路隧道设计细则：JTG/T D70-2010S.北京：人民交通出版社，2010.6中华人民共和国交通运输部.公路隧道设计规范：JTG3370.1-2018S.北京：人民交通出版社，2018.7关宝树.隧道工程施工要点集M.人民交通出版社，2003.(上接第62页)桥隧工程66