大跨度钢桁拱桥扣塔系统受力性能分析

GXF360 2018-04-18

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对大跨度钢桁拱桥,扣塔施工是整个桥梁施工中难度最高、风险最大的关键性工序[1-2],必须对整个架设过程进行严格的计算分析及施工控制。根据实际桥梁为工程背景,针对扣塔架设步骤进行施工仿真分析,对其强度、刚度及构件稳定性等受力性能作出评价。

1　工程概况

某大桥为(100+400+100)m钢桁拱桥,主桁横向中心距36m,拱肋下弦矢高90m,拱顶处上下弦桁高7m,边墩处桁高11m,节间长度12m、14m和16m,采用刚性系杆和柔性系杆共同受力的混合体系。总体施工方案为先拱后梁施工,设斜拉扣挂系统辅助安装。扣塔高度80m,由塔架架体、塔架顶底分配梁、拉索锚固梁、拉索锚箱、铰轴(45#钢)、拉索、风缆等结构组成。扣塔底部铰结支承在主桁A7 节点上,扣塔塔架在主桁上、下游两侧均采用4 根Φ800×20mm Q345C钢管构成。底、顶分配梁和支铰梁为焊接箱形梁结构。上、下游两侧格构式塔架结构中心间距36m。全立柱范围共有3道横联,顶底横联高8m,中间横联高4m,横联为角钢和节点板组成的格构式结构,在各层平联之间用钢管拼装剪刀撑，见图1、图2所示。拉索采用Φ15.2低松弛钢绞线,采用OVM250 型平行钢绞线拉索群锚体系。

图1　扣塔系统总体布置

图2　扣塔系统侧面布置

扣塔与主桁施工同时进行,基本步骤如下：

(1)扣塔采用塔吊安装：在主墩顶上下游两侧各安装一台塔吊,塔吊在扣塔上设置附墙杆；

(2)脱空3#临时墩后,开始安装扣塔，扣塔安装过程中用三对临时风缆固定；

(3)扣塔安装至19m高后挂第一层风缆，扣塔安装至43m高后挂第二层风缆；

(4)扣塔安装至67m高后挂第三层风缆；

(5)扣塔完成后拆除塔吊,架梁吊机移至15#节间后挂第1#背扣索,拆除风缆,并完成初张拉；

(6)主桁安装至19#节间,架梁吊机移至19#节间后挂第2#背、扣索,并完成初张拉；

(7)主桁安装至合拢,继续安装钢系杆等构件至合龙,拆除部分配重后扣塔拆除。

2　计算模型

本计算采用MIDAS计算软件进行扣塔各施工阶段正装计算分析,并对计算结果进行分析。模型中各项材料弹模、强度等参数均根据设计图纸按相关规范标准取值。扣塔钢管立柱、腹杆、平联、剪力撑均按梁单元考虑,扣索、风缆按索单元考虑,铰梁、锚箱、顶部分配梁、底部分配梁均按照板单元进行,拉索与主桥主桁架连接处均采用固定绞支座[3-4]。MIDAS计算模型见图3～图5所示,共计23829个节点,26911个单元。

图3　扣塔系统MIDAS计算模型

图4　铰梁和底部分配梁计算模型图

图5　锚梁和顶部分配梁模型图

3　计算结果分析

3.1　纵横风荷载作用下荷载效应

按上述施工步骤进行前进计算分析,得到各个施工阶段的受力状态。以此作为结构的初始状态,施加纵横向静风荷载(百年一遇最大基本风速38.4m/s),计算分析其荷载效应,并与允许值进行比较分析。

在纵风荷载下工况(张拉上层风缆前),扣塔纵桥向偏位达到最大值208mm(如图6所示)。其中上横联跨中部位纵桥向最大绝对变形值为201mm,上横梁与立柱连接处纵桥向最大绝对变形值为194mm,上横联相对于立柱的最大纵桥向变形为7mm。在横风荷载作用下,风缆、扣索索力增量均较小,横风对缆索系统的影响极为有限；在纵风荷载作用下,风缆、扣索索力增量均较大,特别是上层风缆张拉后至1#扣索张拉前的该段期间,扣塔纵桥向支撑较为薄弱,在30m/s以上风速荷载作用下,背风侧缆索退出工作状态,迎风侧缆索拉力急剧增大,导致上层缆索索力安全系数降低。

图6　纵风荷载下(张拉上层风缆前)扣塔纵向偏位

图7　横风荷载下(张拉2#扣索后)扣塔纵桥向偏位

按照GB50017规范构件变形规定,桁架受弯挠度在可变荷载作用下不大于L/500,即为80/500=160mm。在横风荷载作用下扣塔纵向偏位很小,横向偏位最大为43.8mm,满足规范要求；在纵风荷载作用下扣塔横向偏位很小,纵向偏位最大为208mm,大于规范允许值。

3.2　塔吊附着力作用下荷载效应

塔吊附着力仅在扣塔安装阶段作用于扣塔上,其中塔吊工作状态下附着力荷载效应大于非工作状态,起控制作用。计算表明塔吊附着力产生的索力增量及扣塔位移量均很小,塔吊附着力仅对扶着点附近杆件产生较大的内力,对扣塔整体结构受力影响较小,其荷载效应值小于静风荷载效应值。

3.3　温度作用下荷载效应

考虑结构整体降温15°C和升温20°C对扣塔结构体系的影响,由计算结果可见,升温降温对扣塔整体结构变形影响很小,对索力增量有一定影响。对风缆,升降温产生的索力变化幅度与其自身张拉初始力相比在-13.4%～10.8%之间；对扣索,升降温产生的索力变化幅度与其自身张拉初始力相比在-5.8%～5.4%之间。

3.4　扣塔结构受力分析

对扣塔各个施工阶段,扣塔自重及索张拉,称为恒载效应,均为逐阶段累计值。纵横桥向风荷载、塔吊附着力、温升降均为可变活载。塔吊附着力引起的构件内力较小,其产生的荷载效应值小于静风荷载效应值,并且风速较大时塔吊不参与工作,扣塔拼装好后拆除,因此在考虑静风荷载作用后,荷载组合时不考虑塔吊附着力。对扣塔构件验算考虑如下承载能力极限状态和正常使用极限状态两种组合。

(1)钢管立柱强度

考虑横风作用荷载组合下钢管立柱最大应力为243.1MPa,考虑纵风作用荷载组合下钢管立柱最大应力为202.4MPa,均出现在主拱合龙前工况。在整个扣塔施工过程中立柱应力小于规范允许值295MPa,强度满足要求。

(2)立柱平联、腹杆、斜杆强度

对立柱平联、腹杆、斜杆,截面高度与几何长度之比小于1/15,按照轴心受压(拉)构件进行验算。横风作用荷载组合下最大压应力为134.1MPa,最大拉应力为136.5MPa；纵风作用荷载组合下最大压应力为108.5MPa,最大拉应力为102.1MPa,均出现在主拱合龙前工况。在整个扣塔施工过程中立柱平联、腹杆、斜杆应力小于规范允许值215.0MPa,强度满足要求。

(3)铰梁、锚箱、顶底部分配梁强度

对铰梁、锚箱、顶底部分配梁,其构造及受力比较复杂,采用板单元进行模拟其受力行为,强度验算采用钢板最大Von Mises应力与屈服强度对比进行。铰梁、锚箱、分配梁应力验算结果见表1所示。纵横风作用荷载组合下绞梁、分配梁及锚梁最大应力小于Q345钢材屈服强度345(335/325) MPa,材料未进入屈服状态,处于弹性受力阶段,强度满足要求。

表1　铰梁、锚箱、分配梁应力验算结果

扣塔构件最大应力(MPa)横风荷载组合纵风荷载组合Q345屈服强度(MPa)绞梁188．5218．8345底部分配梁327．4269．4345顶部分配梁329．6311．1345锚梁318．8303．5345

由计算结果可知,铰梁、锚箱、顶底部分配梁在主拱合龙前受力最大,部分应力分布图中存在应力集中值,主要是由于腹板、横隔板、纵横加劲板连接区域受力复杂,存在应力集中点；另外模型网格划分尺寸大小及节点结果平均对其也有一定的影响。对钢结构设计而言,一般允许材料进入塑性状态,钢板局部小范围的应力集中对结构整体受力影响不大,应力集中点即使超过屈服点(进入塑性状态),其承载力仍然可以得到发挥。

图8　主拱合龙前顶部分配梁(恒载+横风+降温)应力

图9　主拱合龙前锚箱(恒载+横风+降温)应力分布

(4)扣塔底铰轴强度

扣塔底部铰轴直径Φ650mm,材料为45#钢,屈服强度为355MPa,是极其重要的承力构件,计算采用实体单元模拟其受力行为。强度验算可采用Von Mises应力与屈服强度对比进行。考虑纵风作用荷载组合下铰轴最大应力为276.0MPa,考虑横风作用荷载组合下铰轴最大应力为302.1MPa,均小于45#钢屈服强度355MPa,强度满足要求。