李學(xué)紅

(湖南順昌建筑有限公司，湖南 常德 415000)

隨著我國橋梁建造技術(shù)的飛速發(fā)展，鋼箱梁在拱橋中的應(yīng)用愈加廣泛。相比于混凝土拱橋，鋼箱梁拱橋具有自重輕、跨越能力大等優(yōu)勢。在鋼箱梁施工過程中，纜索吊裝是其最重要的一環(huán)，對纜索吊裝施工控制決定了整座橋梁的安全。國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，莫志強(qiáng)對纜索吊裝過程中纜索吊裝過程中主索滑移和塔偏的影響效應(yīng)進(jìn)行了分析，得到了主索滑移和塔偏位對主索和塔架影響的量化結(jié)果；馮四超對某大跨徑纜索吊裝鋼筋混凝土拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；宋剛、陶忠、李睿等對云南某系桿拱橋纜索吊裝過程進(jìn)行監(jiān)控，總結(jié)了一套切實(shí)可行的吊裝施工技術(shù)。為探究纜索吊裝過程中整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，本文以甬江大橋?yàn)檠芯勘尘埃褂脭?shù)值分析法對纜索吊裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

以甬江大橋鋼箱梁提籃拱為研究對象，橋跨布置為(100+450+100)m，主拱拱肋采用雙肢鋼箱梁的結(jié)構(gòu)形式。拱肋分為上下兩肢，邊跨下肢為2次拋物線，矢高4.5 m，主跨下肢為懸鏈線，矢跨比0.2，拱軸系數(shù)1.6，上肢拱為圓曲線和二次拋物線組合，主跨下肢拱截面寬度3.5 m，截面高度從6.5 m(拱座處)變至4.8 m(拱頂處上、下肢結(jié)合的凸形截面)，頂、底板厚度30～55 mm，腹板厚度25～30 mm；邊拱下肢拱截面寬度3.5 m，截面高度從6.0 m(拱座處)變至5.0 m(尾端處)，頂、底板厚度30～35 mm，腹板厚度20～30 mm；上肢拱截面寬度為2.8 m，高度為3.0 m，頂、底板厚度16～20 mm，腹板厚度16～20 mm。施工工藝為纜索吊裝施工，主索系統(tǒng)采用φ60 mm鋼絲繩，每一跨每組主索均設(shè)有二臺起吊小車，并設(shè)有獨(dú)立的牽引及起重系統(tǒng)。

2 分析工況確定及有限元模擬

根據(jù)施工過程及工藝，本文選取三個關(guān)鍵節(jié)段進(jìn)行分析，見表1。分別建立三種工況下ANSYS有限元模型，其中，工況1有限元模型中鋼管及附屬連接桿件均采用梁單元BEAM188模擬，塔腳使用固定約束；工況2有限元模型中鋼管及附屬連接桿件均采用梁單元BEAM188模擬，縱向風(fēng)攬用LINK10桿單元模擬，另一側(cè)扣塔采用等效法進(jìn)行模擬，塔腳使用固定約束，風(fēng)攬的初始張拉力根據(jù)設(shè)計(jì)文件及監(jiān)控報(bào)告確定；工況3建模方式與工況1和工況2相同，在此不做贅述，在工況2和工況3建模時，為模擬其施工過程，采用ANSYS中的“單元生死”功能模擬其施工階段，使用映射法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，有限元模型見圖3。

表1 分析工況表

3 計(jì)算結(jié)果分析

考慮結(jié)構(gòu)自重、施工期臨時荷載以及靜風(fēng)荷載三種荷載組合，其中結(jié)構(gòu)自重可以通過程序自動施加，施工期臨時荷載根據(jù)設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換為梁單元荷載施加，根據(jù)工況不同，確定不同的施工期臨時荷載，靜風(fēng)荷載按照以下公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

式中：FD，F(xiàn)L和FM分別為單位長度上的阻力、升力和升力矩；ρ為空氣密度；CD，CL和CM為阻力、升力和升力矩三分力系數(shù)，此處取阻力系數(shù)0.8，升力和升力矩系數(shù)均為0；D為截面參考寬度，此處取管柱直徑。

確定各荷載的計(jì)算方法和取值后，分別對比三種工況下鋼管樁的最大應(yīng)力、最大水平位移以及穩(wěn)定性。

3.1 工況1計(jì)算結(jié)果

扣塔在自重和靜風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)為13.25。計(jì)算結(jié)果表明，在工況1作用下，扣塔主要失穩(wěn)模態(tài)為橫向局部構(gòu)件失穩(wěn)，主要集中于扣塔中間位置。

表2 工況1吊塔最大應(yīng)力及變形結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，工況1作用下，應(yīng)力最大發(fā)生位置為吊塔中部斜腹桿位置，最大達(dá)113.5 MPa，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與發(fā)生位置驗(yàn)證了穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的正確性。

3.2 工況2計(jì)算結(jié)果

對于工況2，試吊最大節(jié)段時，通過應(yīng)力平衡法調(diào)整分別得到前后風(fēng)攬最大張拉應(yīng)力分別為226.35 MPa、264.18 MPa，將前后風(fēng)攬力沿水平和豎直方向分解，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時計(jì)入其影響。

吊塔在自重、靜風(fēng)荷載以及風(fēng)攬張拉力作用下的穩(wěn)定系數(shù)為9.32，失穩(wěn)模態(tài)見圖1?？鬯谧灾睾挽o風(fēng)荷載作用下的變形見圖2。計(jì)算結(jié)果表明，在工況2作用下，扣塔主要失穩(wěn)模態(tài)為中部豎桿失穩(wěn)，主要集中于吊塔中下位置。

圖1 工況2吊塔失穩(wěn)模態(tài)

圖2 工況2扣塔變形示意

表3 工況2吊塔最大應(yīng)力及變形結(jié)果

3.3 工況3計(jì)算結(jié)果

工況3為纜索吊裝至最大懸臂狀態(tài)，同時計(jì)入了橫向風(fēng)攬的的作用。根據(jù)應(yīng)力平衡法確定各吊裝節(jié)段的最大索力，并考慮其對吊塔穩(wěn)定性的影響。

吊塔在自重、靜風(fēng)荷載以及前后索張拉力作用下的穩(wěn)定系數(shù)為8.46，失穩(wěn)模態(tài)見圖3?？鬯谧灾睾挽o風(fēng)荷載作用下的變形見圖4。計(jì)算結(jié)果表明，在工況3作用下，扣塔主要失穩(wěn)模態(tài)為整體失穩(wěn)，由于橫向風(fēng)攬的作用，吊塔整體穩(wěn)定性大幅增強(qiáng)。

圖3 工況2吊塔失穩(wěn)模態(tài)

圖4 工況3扣塔變形示意

表3 工況3吊塔最大應(yīng)力及變形結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以某提籃拱為研究對象，對比分析了三種工況下吊塔的力學(xué)特征，可得到以下結(jié)論。

(1)吊塔拼裝完成后，穩(wěn)定性有較大幅度下降，橫向位移有較大幅度增加，此時需設(shè)置橫向風(fēng)攬。

(2)設(shè)置橫向風(fēng)攬后，吊塔穩(wěn)定性大幅增加，相比于工況2，工況3穩(wěn)定系數(shù)下降幅度較小，因此可認(rèn)為橫向風(fēng)攬可極大改善扣塔橫向失穩(wěn)的問題。