倾斜双钢拱塔节段悬臂拼装可行性研究

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  【摘 要】在介绍倾斜双钢拱塔的阶段悬臂拼装方案之后,建立了对倾斜双钢拱塔节段悬臂拼装的有限元模拟计算分析模型,并得到了拼装过程及其成塔各步骤塔身的变形和应力,通过对水平拉索和临时拉索索力的调整,实现了成塔变形和应力的控制,为该塔的施工控制、成塔提供了理论依据和指导。
  【关键词】斜拉桥;钢拱塔;悬臂拼装;有限元
  The tilt of double steel arch tower cantilever erection segments feasibility study
  Song Cheng-Wei,Zeng De-rong,Ren Yin
  (Chongqing transportation university Chongqing 400074)
  【Abstract】Introducing the tilt of the double steel arch tower cantilever erection programs, the establishment of a steel arch tower tilt cantilever segments assembled finite element simulation model, and has been assembled into a column process and the steps the deformation and stress of the tower, through the horizontal cables and temporary cable tension adjustment, to achieve the deformation and stress into the control tower, the tower's construction control, into the tower provides a theoretical basis and guidance.
  【Key words】Cable-stayed bridge;Steel arch tower;Cantilever erection ;Finite element
  
  1. 前言
  1.1 工程背景。
  官塘大桥是一座跨径布置为85+85m双拱式独塔双索面PC双主梁式斜拉桥(无引桥),两拱呈43.6°斜交,主拱塔与竖直方向立面呈1:2.5倾斜角。该桥桥塔由两个钢箱拱构成,塔高近46m(桥面至拱顶)。主塔为Q345D级钢结构,截面轮廓尺寸为3200×2500mm(横桥向×顺桥向),钢箱壁厚J0-J2段为40mm,其余段均为30mm。主拱钢箱每8米设置一道带镶边的横隔板,顶板及腹板设置纵向加劲肋,加劲肋间距0.2m。主塔固结于塔座上,与混凝土塔座的连接采用钢混结合段的方式,受拉侧以预加力的方式来保证钢拱内力平顺地传到基座上。
  1.2 钢箱拱塔施工方法。
  根据钢塔的结构特点,钢塔的拼装方案拟采用节段悬臂拼装方案。每个钢箱塔设计分为27段,拱塔各节段之间先通过拼接板螺栓连接后焊接。每个拱塔分成13个节段分段,采用履带吊装拼装。节段拼装时,纵桥向采用主桥拉索辅助对称悬臂架设,横向每个拱塔从下至上对称安装,并增设临时拉索和塔上部的临时横向连接桁架。分段情况及增设的临时拉索、桁架如图1。
  官塘大桥是全国第二座在建双环斜拉桥,与已建成的沈阳三好斜拉桥桥属于同种结构桥型。沈阳三好斜拉桥主桥钢拱塔采用竖转施工方法,竖转施工技术用“超大型液压同步提升技术”,将两片大型拱肋同步提升竖转到位,形成斜拉桥主拱塔。该施工方法的主要控制因数:(1)转动铰铰轴(四点)的同心度、平行度的控制;(2)转动铰铰轴转动的灵活性;(3)提升门架的结构稳定性控制;(4)提升上、下吊点的结构安全性;(5)提升过程的同步控制;(6)提升过程的防突发事件的应急控制措施[4]。由于该施工方法控制因素众多、需要设备大型的提拉设备、施工工期长等,所以官塘大桥钢拱塔拟采用阶段悬臂拼装的施工方法。本篇特针对官塘大桥钢拱塔阶段悬臂拼装的可行性进行研究。
  图1 单拱塔悬臂拼装分段及临时拉索布置图
  2. 模型的建立及其计算工况
  2.1 模型的建立。
  本计算模型采用有限元软件MIDAS7.0版进行计算。模型离散为307个单元,有限元模型(见图1)。建立如图所示的塔座和钢塔计算模型,塔座、钢塔、临时横撑采用梁单元模拟,主桥水平拉索、临时拉索采用桁架单元中的索单元模拟,模型中临时横撑按实际施工模拟,采用双桁片模拟。模型中,塔座根部固结。
  2.2 计算工况及荷载组合。
  模拟计算了悬拼过程中的每一步,计算工况包括钢塔吊装完成阶段和最后成塔阶;计算荷载包括钢塔自重、索力和风力;荷载组合包括:荷载组合一(自重+索力)、荷载组合二(自重+索力+纵桥向风)、荷载组合三(自重+索力+横桥向风);临时索及永久水平索在悬拼时的初张力通过试算确定如表1:
  
  
  图2 塔座和钢塔有限元模型
  表1 拱塔水平索初张力
  
  3. 计算结果
  3.1 钢塔吊装完成阶段(荷载组合一)。
  经计算得到钢拱塔的组合应力图(见图3),由应力图可以看出钢拱塔在吊装完成后最大压应力出现在Jc顶部,其值为-22.5 MPa;由临时横撑组合应力图(见图4)可以看出,临时横撑最大应力为96.7MPa,位于临时横撑和钢拱塔连接的位置。通过数据得知,在吊装完成后钢拱塔的应力较小,临时横撑应力偏大但都小于强度设计值200MPa。因此钢拱塔及临时横撑应力满足要求,是安全的。现查看荷载组合一情况下钢拱塔及临时横撑的位移情况。
  图3 钢塔及临时横撑组合应力图
  经过计算得到钢拱塔特征截面的位移(见表2)。由位移表可知钢塔拼装完成后纵向最大位移位于塔顶其值为-39.3mm,横向最大位移Y=-5.43mm,竖向最大位移Z=-26.5 mm,临时横撑最大位移DX发生在144节点,其值为-68mm,DY发生在 76节点,其值为4.3mm,DZ发生在144节点,其值为 -38mm.从三向的位移可见钢拱塔竖直方向的位移和横向的位移均较小,不影响结构的线形,纵向最大位移出现在临时横撑的中间节点是由于临时拉索的初拉力对临时横撑存在挤压作用而使临时横撑产生较大的纵向位移。由于钢拱塔的横向位移较小,纵向位移和竖向位移可以通过预偏来控制,因此临时横撑较大的纵向位移对钢塔的线形影响很小,为了进一步减小临时横撑变形对钢拱塔的影响可以在临时横撑之间采用拉索对拉来控制临时横撑的纵向变形。
  
  图4 临时横撑组合应力图
  表2 钢拱塔特征截面位移表
  
  
  注:表中DX表示顺桥方向位移、DY表示横桥方向位移、DZ表示铅垂方向位移。表中纵向位移以向大里程方向为正,竖向位移以向上为正,横向位移值以向桥中心线方向为正。
  3.2 最后成塔阶段(荷载组合一)。
  最后成塔阶段既要考虑临时横撑及临时拉索拆除之后对钢塔的应力及位移的影响,又要满足钢拱塔最后的线形满足设计要求。经过计算得到钢拱塔的组合应力图(见图5)由应力图可以看到钢拱塔在最后成塔阶段,最大的压应力出现在Jd节段根部其值为-22.5MPa。通过数据得知钢拱塔在最后的成塔阶段应力较小,远小于钢箱的强度设计值200MPa,因此钢拱塔的应力情况满足要求,是安全的。现在查看钢拱塔的位移情况。
  经过计算得到特征截面的位移(见表3)。由位移表得知X方向的位移最大出现在钢拱塔的塔顶其值为 X=16.66mm,横向和竖向的最大位移出现在Jf2顶部,横向最大位移Y=4.25mm,竖向最大位移Z=-21.81mm从三向的位移可见钢拱塔横向位移较小,不影响结构的线形,X方向和Z方向的位移较大,在拼装过程中采取预偏从而与设计线性相吻合。
  图5 临时横撑组合应力图
  表3 钢拱塔特征截面位移表
  
  
  
  3.3 钢塔吊装完成阶段(荷载组合二)。
  经计算得到拱塔的组合应力图(见图6),由应力图可以看出钢拱塔在吊装完成后最大压应力出现在Ja底部,其值为-40MPa;由临时横撑组合应力图(见图7)可以看出,临时横撑最大应力为157MPa,位于临时横撑和钢拱塔连接的位置。通过数据得知,在吊装完成后钢拱塔的应力较小,临时横撑应力偏大但都小于强度设计值200MPa。因此钢拱塔及临时横撑应力满足要求,是安全的。现查看荷载组合二情况下钢箱拱塔的位移情况。
  图6 钢塔及临时横撑组合应力
  经过计算得到荷载组合二情况下钢拱塔特征截面的位移(见表4)。由位移表得知钢塔拼装完成后钢塔纵向最大位移发生在钢塔顶部,其值为-107mm,横向最大位移为4.4mm,竖向最大位移位为-51.5 mm,临时横撑最大位移DX发生在191节点,其值为-142mm,DY发生在92节点,其值为3.6mm,DZ发生在145节点,其值为 -65mm,从三向的位移可见钢拱塔及临时横撑的横向位移均较小,竖直方向的位移和纵向的位移均较大,对钢拱塔的线形控制不利。
  3.4 最后成塔阶段(荷载组合二)。
  经计算得到钢拱塔的组合应力图(见图8),由应力图可以看出钢拱塔在吊装完成后最大压应力出现在Ja底部,其值为-32.4MPa;通过数据得知,在吊装完成后钢拱塔的应力较小,因此钢拱塔应力满足要求,是安全的。现查看荷载组合二情况下钢箱拱塔的位移情况。
  经过计算得到荷载组合二情况下钢拱塔特征截面的位移(见表5)。由位移表得知钢塔拼装完成后钢塔纵向最大位移发生在钢塔顶部,其值为-69mm,横向最大位移为5.4mm,竖向最大位移位于211节点其值为-38.6 mm,从三向的位移可见钢拱塔横向位移较小,竖直方向的位移和纵向的位移均较大。
  
  图7 临时横撑组合应力图
  表4 钢拱塔特征截面位移表
  
  
  3.5 钢塔吊装完成阶段(荷载组合三)。
  经计算得到钢拱塔及临时横撑组合应力图(见图9),由应力图可以看出钢拱塔在吊装完成后最大压应力出现在Ja底部,其值为-27.2MPa;由临时横撑组合应力图(见图10)可以看出,临时横撑最大应力为94.4Mpa,位置在110节点,临时横撑和钢拱塔连接的位置。通过数据得知,在吊装完成后钢拱塔的应力较小,临时横撑应力偏大但都小于强度设计值200MPa。因此钢拱塔及临时横撑应力满足要求,是安全的。现查看荷载组合三情况下钢箱拱塔的位移情况。
  
  图8 钢塔组合应力图
  
  表5 钢拱塔特征截面位移表
  
   图9 钢塔及临时横撑组合应力
  
  经过计算得到荷载组合三情况下钢拱塔特征截面的位移(见表6)。由位移表得知钢塔拼装完成后钢塔纵向最大位移发生在钢塔顶部,其值为39.3mm,横向最大位移为13.3mm,竖向最大位移位于210节点其值为-29.4 mm,临时横撑最大位移DX发生在193节点,其值为-66.4mm,DY发生在190节点,其值为9.6mm,DZ发生在145节点,其值为 -37.3mm,从三向的位移可见钢拱塔及临时横撑的横向位移,竖直方向的位移和纵向的位移均较大。
  图10 临时横撑组合应力图
  表6 钢拱塔特征截面位移表
  
   图11 钢塔组合应力图
  
  表7 钢拱塔特征截面位移表
  
  3.6 最后成塔阶段(荷载组合三)。
  经计算得到拱塔的组合应力图(见图11),由应力图可以看出钢拱塔在吊装完成后最大压应力出现在Ja底部,其值为-26.5MPa;通过数据得知,在吊装完成后钢拱塔的应力较小,因此钢拱塔应力满足要求,是安全的。现查看荷载组合三情况下钢箱拱塔的位移情况。
  
  经过计算得到荷载组合三情况下钢拱塔特征截面的位移(见表7)。由位移表得知钢塔拼装完成后钢塔纵向最大位移发生在钢塔顶部,其值为39.3mm,横向最大位移为-14.7mm,竖向最大位移位于210节点其值为-29.4 mm,从三向的位移可见钢拱塔横向位移,竖直方向的位移和纵向的位移均较大。成塔后水平索索力如表8
  
  表8 Z0-Z8索索力
  
  
  4. 结论
  (1)由以上计算可知,钢塔在节段悬臂拼装过程中均满足主体结构受力要求,采用节段悬臂拼装的施工方案在受力上是可行的,线形可以在拼装过程中进行预偏控制,然后通过施加适当索力成塔线形可以满足设计及规范要求。
  (2)当有较大风力时钢拱塔会发生较大的位移,对于施工是不利的,应停止施工或通过增设风缆确保线形和安全。
  (3)采用节段悬臂拼装施工方法施工简便可以有效缩短施工工期,降低成本,希望本文能对今后类似桥梁的施工控制和计算提供一些理论依据和可行性参考。
  
  参考文献
  [1] 《钢结构设计规范》GB50017-2003.
  [2] 《铁路路桥涵设计基本规范》(TB10002. 1
  -2005)
  [3] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)
  [4] 王昕,沈阳三好斜拉桥主桥钢拱塔竖转施工技术[J].公路,2009年二月,第二期
  
  [文章编号]1619-2737(2010)10-01-207
  [作者简介] 宋成伟(1983.3-),男,在读硕士研究生,所学专业:土木与隧道工程,研究方向:桥梁设计理论与施工控制。
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