向家坝升船机交通桥支撑桁架性能分析

2015-07-26韦仕龙廖湘辉三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002

山东工业技术 2015年4期

韦仕龙,廖湘辉,周　恒,余　维,赵　楚（三峡大学机械与动力学院,湖北　宜昌　443002）

向家坝升船机交通桥支撑桁架性能分析

韦仕龙,廖湘辉,周恒,余维,赵楚
（三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443002）

在向家坝升船机交通桥施工浇筑中，钢桁架作为支撑结构得到了应用，静载特性和支撑稳定性是评价支撑结构性能的两大重要指标。对桁架结构静载特性进行了验证，并进行了弹性屈曲分析，得到了结构的屈曲因子和模态振型，针对侧向稳定性不强的情况进行了结构加强，使结构的稳定性能明显上升。研究结果为类似的空间支撑桁架结构设计提供参照和依据。

向家坝升船机；交通桥；支撑桁架；静载性能；屈曲分析

0　引言

向家坝水电站的通航建筑物布置在枢纽左岸，为一级全平衡重垂直升船机，最大提升高度为114.2m。交通桥筒体浇筑的是升船机箱体浇筑施工的第一道工序，然后再进行纵横梁及箱梁等的浇筑施工。交通桥的施工进度和质量直接影响到后面的施工顺序，因此如何保证施工能够高质高效的满足要求是必须要考虑的[1-3]。

交通桥支撑桁架具有高度高、跨度大、施工载荷大的特性，要保证在承载使用过程中具有足够的安全性能。承载能力和稳定特性作为评价结构性能的两个重要指标很有必要[4]。交通桥施工过程为高空施工，由于施工现场设备多，浇筑现场环境复杂，混凝土浇筑承载大，因此要在保证施工设备和人员绝对安全的情况下具有良好的施工质量。本文对交通桥支撑桁架的承载能力和稳定特性进行分析，以校核其承载能力和稳定性能，得到桁架在横向连系下的结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态的形状，为施工安全提供技术保证，同时也为其他类似高空复杂施工环境下的支撑桁架结构设计提供依据和参考。

1　交通桥钢桁架结构简介

交通桥支撑桁架顶面高程为382m，跨度为17.2m，交通桥采用4榀钢桁架作为主梁支撑，桁架为实腹式结构，承载混凝土厚1.5m，侧向之间采用水平连接的钢管形成整体。桁架的总长为17.1m，高度为1.8m。其施工支撑系统如下图所示。

钢桁架在承载使用过程中，结构主要承担楼板及其他构件与设备等永久荷载和浇筑中的混凝土荷载等。桁架在承载过程中上部的结构载荷通过节点的形式进行载荷传递，其作用在每个节点处的载荷为P=40.898kN。

2　有限元分析计算

2.1有限元建模

交通桥钢桁架支撑系统是典型的大跨度桁架结构，结构主要承受竖向载荷，而且桁架结构不仅要承受轴力，还要承受较大的弯矩。采用Beam188空间梁单元建立桁架单元的有限元模型[4]。支撑桁架在垂直载荷作用下会出现向下的挠曲变形，这个变形量的大小直接关系到混凝土浇筑施工模板预拱度的设计，影响交通桥的施工精度。

通过静力计算得出结构的最大等效应变为11.87mm，最大等效应力为72.49Mpa。根据设计规范要求[4]，结构的许用最大应力为180Mpa，挠度比也较小，满足静强度要求。

2.2 有限元屈曲分析

对大跨度空间结构，强度往往并不是导致结构破坏的主要原因，稳定性问题才是更加值得重视的。线弹性屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界荷载和屈曲模态形状的技术。

向家坝升船机交通桥施工过程中，钢桁架梁作为混凝土浇筑施工模板系统的主要高空支撑“地基”，是一个大跨度、重载荷的细长桁架梁，存在压杆稳定的问题。而且桁架工作空间位于高峡谷区，风场环境非常复杂，容易在风载过程中发生弯曲变形，因此很有必要针对结构进行屈曲分析，以找出影响结构失稳的趋势，避免危险的发生。

2.3侧向连接的改进优化

对结构的加强采取的方案是针对性的加强结构的侧向连接形式，以提高它的安全系数。具体措施为在钢桁架水平方向上添加斜撑连系，在四榀桁架之间的主视面和侧面分别添加一对剪刀撑。

针对优化后的钢桁架支撑结构进行基于特征值性能的屈曲分析，可以知道，优化后桁架结构的屈曲因子明显上升，最小屈曲因子数值为7.33，即结构发生失稳破坏时最小屈曲载荷为实际承载大小的7.33倍，此时结构活载具有较大的富余空间，支撑钢桁架使用中不易发生结构上的失稳破坏，桁架结构安全可靠。