钢桁拱桥吊索塔架主体结构的力学性能分析

2021-08-24易程杰石峻峰刘生奇周凌杰

湖北工业大学学报 2021年4期

易程杰，石峻峰，刘生奇，周凌杰

(1 湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068；2 中铁大桥局第七工程有限公司，湖北武汉 430051)

目前，对于大跨度钢桁拱桥，吊索塔架施工是整个桥梁施工过程中施工难度最大、风险最大的施工过程[1]。江汉七桥钢桁拱架设边跨采用支架法安装，中跨采用悬臂安装法，吊索塔架在钢桁拱的悬臂架设施工中起着举足轻重的作用[2]，因此在钢桁拱架设关键施工阶段对吊索塔架进行计算分析非常有必要。本文利用Rhino+Grasshopper参数化建模建立钢桁拱桥和吊索塔架模型[3]，结合Midas Civil有限元软件在三个不同的施工阶段对吊索塔架整体结构的刚度、强度及稳定性进行计算分析。

1 工程概况

江汉七桥是武汉市规划的第七座跨汉江通道。主桥为(132+408+132) m中承式钢桁拱桥，矢高90 m,拱肋中跨跨中桁高10 m，中支点桁高40.97 m，边支点桁高14 m，标准节间长度12 m；钢桁拱边跨11个节间，中跨34个节间，边跨与中跨之比为0.32；横桥向采用两片主桁，桁间距34 m;拱肋上弦、下弦、纵梁及腹杆均为箱型截面。

钢梁架设总体方案为钢桁拱边跨采用临时墩辅助施工，中跨采用吊索塔架辅助悬臂安装，利用中墩钢梁纵移、顶落梁和临时系杆措施，最后跨中合龙的施工方法。本文主要研究内容是对吊索塔架在三个施工阶段的受力性能进行分析，由于两座吊索塔架对称，因此选取一侧吊索塔架进行分析。

2 吊索塔架结构布置说明

吊索塔架设置在主墩上弦，横桥向两肢，每肢塔柱采用栓接组装式格构钢管柱，纵桥向3根间距3.5 m、横桥向2根间距3 m，上、下游塔肢横向中心间距与主桁一致，为34 m。塔柱与主桁上弦铰接，底座提前在工厂焊接到上弦杆上，铰轴直径600 mm，塔柱顶部设置锚箱结构，铰轴中心距离主桁中心2.1 m,塔柱铰轴中心至塔吊高度89.6 m，塔柱顶距离承台147.3 m。吊索塔架布置见图1、图2。

图 1 吊索塔架侧、立面布置图

图 2 吊索塔架整体布置图

3 计算模型

利用Rhino+Grasshopper参数化建模建立钢桁拱桥、吊索塔架单元模型和各构件的截面样式，从Rhino中导出dxf格式，再导入Midas Civil中进行前处理，相较于传统建模方式，极大的提升了建模效率。参数化模型及构件截面如图3、图4所示。

图 3 钢桁拱桥及吊索塔架模型

图 4 各构件截面形状

本次计算是利用Midas Civil有限元分析软件对吊索塔架在三个施工阶段进行计算，并对计算结果进行力学性能分析。计算模型为全桥空间模型，模型中拱肋和吊索塔架采用梁单元，桥面采用板单元，吊索塔架中的立柱、横撑、斜撑、连接系、柱底分配梁和柱顶分配梁均采用梁单元，梁截面参数根据设计图纸取值，吊索塔架前索、后索采用只受拉索单元模拟。吊索塔架与主体结构铰接该模型中各项材料弹性模量、强度及荷载等参数均严格按照相关设计图纸和规范取值。计算模型如图5—7所示，共有724个节点，1811个单元。

图 5 工况1

图 6 工况2

图 7 工况3

4 荷载计算

4.1 各施工阶段荷载添加说明

工况1：在钢桁拱上从A14节点至A18节点四个节间施加架梁吊机轨道荷载，荷载类型采用均布荷载；在A17、A18节点施加架梁吊机荷载，荷载类型采用节点荷载；对边跨钢梁A1节点至A5节点四个节间和平衡梁进行第一次压重，荷载类型采用均布荷载；第一对前、后吊索分2批张拉至设计值。

工况2：在钢桁拱上从A18节点至A22节点四个节间施加架梁吊机轨道荷载，荷载类型采用均布荷载；在A21、A22节点施加架梁吊机荷载，荷载类型采用节点荷载；对边跨钢梁A1节点至A5节点四个节间和平衡梁进行第二次压重，荷载类型采用均布荷载；第二对前、后吊索分2批张拉至设计值。

工况3：在钢桁拱上从A22节点至A26节点四个节间施加架梁吊机轨道荷载，荷载类型采用均布荷载；在A25、A26节点施加架梁吊机荷载，荷载类型采用节点荷载；对边跨钢梁A1节点至A5节点四个节间和平衡梁进行第三次压重，荷载类型采用均布荷载；第三对前、后吊索分2批张拉至设计值。

4.2 计算荷载

1)自重：结构自重由程序自动加载，钢梁总重与设计图纸重量一致。

2)架梁吊机重量(表1)。

表1 架梁吊机荷载表 t

3)架梁吊机轨道重量：上弦每前四节间0.7 t/m，下弦0.3 t/m。

4)压重荷载。

表2 压重荷载表 t/m

5)吊索塔架索初拉力。

表3 吊索塔架索初拉力表 t

5 结构计算结果与分析

考虑到该吊索塔架的高度较高，受力较大，所以吊索塔架在施工过程中容易产生变形和失稳。因此，需要提前进行吊索塔架刚度、稳定性及强度的计算，通过计算得出吊索塔架在三个施工阶段出现的变形、位移、应力，为后续在该三个施工阶段提供理论依据和帮助。

1)整体变形情况(图8-10)

图 8 工况1整体变形

图 9 工况2整体变形

图10 工况3整体变形

2)变形结果统计及分析

吊索塔架一共有15层横向连接系节段，每层有六个节点，选取这些节点为特征点，求得各特征点的位移，由于吊索塔架受力均匀，每层特征点位移相近，因此取每层特征点位移平均值为吊索塔架在该层的位移，连接系及节点位置如图11、图12所示。计算吊索塔架在三种工况下的位移，吊索塔架上下游两侧对称，取一侧塔架计算结果分析。

图11 横向连接系位置图12 连接系及节点详图

吊索塔架主要是在水平方向和竖直方向发生位移，三种工况下，吊索塔架在X方向位移、Z方向位移和整体位移如图13所示(01、02、03分别指工况1、工况2、工况3)。

图13 吊索塔架特征点位移

吊索塔架在工况1下的整体位移最大值为23.4 mm,X方向的最大位移为-11 mm,Z轴方向的最大位移为-21 mm；在工况2下的整体位移最大值为33.7 mm,X方向的最大位移为-8.6 mm,Z轴方向的最大位移为-33 mm;在工况3下的整体位移最大值为58 mm,X方向的最大位移为-35.2 mm,Z轴方向的最大位移为-49.7 mm。计算结果表明，吊索塔架在三个工况下的位移均满足刚度要求[4]，由于吊索塔架底部与钢桁拱连接部位的边界条件是刚性连接，因此在各施工阶段吊索进行张拉后，吊索塔架底部产生的水平位移较小，中上部产生较大的水平位移，工况3相较于工况1、2在X方向的水平位移发生较大的变化，在吊索塔架中上部水平位移值增大，因此施工时，在工况3阶段要注意控制跨中段钢桁拱架设及边跨和平衡梁的第三次压重，虽然计算结果均满足要求，但是很小的平衡水平力也会引起较大的变形，所以要严格控制水平力。

3)应力结果统计及分析[5]

如表4所示，在三种工况下，吊索塔架各处最大组合应力和最小组合应力均小于吊索塔架主材Q345钢材容许组合应力210 MPa,所以吊索塔架在各工况下的强度符合稳定性要求[4]。

表4 吊索塔架整体应力计算结果汇总表 MPa

对吊索塔架内部结构上锚梁、柱顶分配梁、柱底分配梁和钢管柱进行强度分析，数值均取内部构件在三个工况下的最大应力值，结果如表5所示，选取应力较大的内部构件上锚梁、钢管柱应力分布如图14、图15所示。由计算结果可知，上锚梁、柱顶分配梁、柱底分配梁和钢管柱在工况三施工阶段受力最大，由于上锚梁、柱顶分配梁和柱底分配梁构造复杂，存在应力集中点，因此在应力分布图中存在应力分布值，上锚梁、柱顶分配梁、柱底分配梁和钢管柱最大应力均小于Q345钢材屈服强度345 MPa,强度满足要求。

表5 吊索塔架内部构件应力计算结果汇总表 MPa

图14 上锚梁应力

图15 柱顶分配梁应力

6 吊索塔架稳定性分析

在三个工况下，根据计算结果分析，选取最不利工况3，对吊索塔架整体桁架结构进行稳定性分析，分析结果如下。

6.1 长细比

根据《钢结构设计标准》GB50017-2017表7.4.1-2确定计算长度：l0x=l0y=l=89600 mm(l为钢管立柱长度)；毛截面回转半径：rx=ry=1800 mm；根据《钢结构设计标准》GB50017-2017第7.2.2-1条及7.2.2-2条得到吊索塔架整体钢柱构件长细比：

根据《钢结构设计标准》GB50017-2017表7.4.6受压构件的长细比容许值，轴心受压柱、桁架和天窗架中的压杆[λ]=150，吊索塔架桁架为主要受压构件，长细比λx=λy=49.8<150;长细比满足要求。

6.2 稳定系数及参数

根据《钢结构设计标准》GB50017-2017表7.2.1-1确定桁架的界面类型对x轴、y轴均为b类。桁架钢材型号为Q345，即屈服点为345 MPa, 抗拉强度为490 ～620 MPa，根据《钢结构设计标准》GB50017-2017附录D表D.0.2,得到该桁架b类截面轴心受压构件的稳定系数φ∶φ=0.856。