王智龍 錢(qián)棟棟 欒坤鵬

1 鋼塔柱門(mén)式吊裝塔架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

某斜拉橋索塔總高度為 97m。下塔柱和中塔柱為混凝土塔柱高54m，上塔柱為斜拉索錨固區(qū)高29.5m，塔冠13.5m，均采用鋼塔柱。鋼塔柱采用箱形斷面，共分為 7個(gè)節(jié)段，最大節(jié)段吊重為 65 t。結(jié)合大橋橋位所處實(shí)際情況，在專(zhuān)家評(píng)審會(huì)上，大家一致同意采用固定型門(mén)式吊架固結(jié)在混凝土塔柱上吊裝鋼塔柱，因?yàn)殚T(mén)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，一次成型，剛度大，變形小，重量不大，現(xiàn)場(chǎng)配合塔吊拼裝，安全可靠，對(duì)鋼塔自身結(jié)構(gòu)無(wú)影響。

本橋鋼塔柱吊裝塔架設(shè)施充分結(jié)合設(shè)計(jì)情況、吊裝重量，采用穩(wěn)妥、安全的萬(wàn)能桿件固定型門(mén)式吊機(jī)，設(shè)計(jì)吊裝重量 70 t，滿足設(shè)計(jì)要求，固定型門(mén)式吊機(jī)由附著在中塔柱上的吊機(jī)基礎(chǔ)、門(mén)式支架、縱向穩(wěn)定風(fēng)纜、頂部活動(dòng)起重小車(chē)組成。

門(mén)式吊裝塔架基礎(chǔ)采用型鋼支架，上部預(yù)埋型鋼及錨筋與中塔柱拉結(jié)，下部與中塔柱中預(yù)埋件焊接形成穩(wěn)定的支撐體系，基礎(chǔ)頂面設(shè)置水平聯(lián)系及斜桿，確保主桁架穩(wěn)定并形成操作平臺(tái)，以便安裝門(mén)吊支架。門(mén)式吊裝塔架采用萬(wàn)能桿件組拼而成，支承于門(mén)架型鋼基礎(chǔ)上，門(mén)架高度36m，縱向?qū)?m，橫向?qū)?m，間距6m。頂部設(shè)縱向加長(zhǎng)，邊跨方向加長(zhǎng) 6 m，滿足鋼索塔吊裝的懸臂距離和滿足支架頂部設(shè)置橫向聯(lián)系;中跨方向加長(zhǎng) 2m，設(shè)置橫向聯(lián)系。

門(mén)架所用材料包括:豎桿 2×L120×120×10，斜桿 2×L100× 100×10，橫桿 2×L75×75×8，Ⅰ50b;門(mén)架基礎(chǔ)所用材料包括:Ⅰ32b工字鋼、2×32b槽鋼、2×28b槽鋼。結(jié)構(gòu)鋼材均采用Q 235-A鋼。Q 235-A鋼彈性模量、泊松比、密度、許用應(yīng)力等均按 GB 50017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定取值，其中鋼材抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度:f=205MPa，鋼材抗剪強(qiáng)度:fv=120MPa。

2 有限元模型的建立

2.1 結(jié)構(gòu)空間幾何模型

門(mén)式吊裝塔架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算采用大型空間有限元分析軟件Midas/civil 2006對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元分析。

在模型建立過(guò)程中，門(mén)式吊架基礎(chǔ)的型鋼支架、水平聯(lián)系、斜桿等均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，萬(wàn)能桿件拼裝門(mén)式吊架用桁架單元模擬。

坐標(biāo)系約定為沿吊裝塔架長(zhǎng)度方向中跨側(cè)為 X軸正方向，沿高度方向向上為Z軸正方向，沿寬度方向向左為Y軸正方向，后面所提及的 X，Y，Z方向均與此一致。門(mén)式吊裝塔架整體幾何模型圖和吊裝塔架基礎(chǔ)如圖1，圖 2所示。

2.2 約束條件

在門(mén)式吊裝塔架的計(jì)算過(guò)程中，考慮到塔架在實(shí)際吊裝中的受力情況，取吊裝最大鋼塔柱節(jié)段(重量61 t)為受力最不利工況進(jìn)行約束條件限制。

2.2.1 邊界條件

門(mén)式吊裝塔架基礎(chǔ)與預(yù)埋在混凝土塔柱中的預(yù)埋件焊接，共12個(gè)節(jié)點(diǎn)，頂層6個(gè)點(diǎn)約束X，Y，Z三個(gè)方向的平動(dòng)，Y，Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放X方向轉(zhuǎn)動(dòng);底層6個(gè)點(diǎn)約束X，Y，Z三個(gè)方向的平動(dòng)，Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放X，Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)。偏安全考慮釋放托架水平聯(lián)系及斜桿聯(lián)系梁?jiǎn)卧D(zhuǎn)動(dòng)約束。

2.2.2 荷載情況

模型計(jì)算中考慮的荷載有:自重;吊裝載荷;人群及施工載荷取1.5 kN/m2;頂部吊裝移動(dòng)小車(chē)及設(shè)備。吊裝塔架自重為程序自動(dòng)加載;吊裝鋼塔柱節(jié)段最大荷載為 61 t，加上吊具及沖擊系數(shù)小計(jì)74 t;人群及施工荷載小計(jì)4 t;頂部吊裝移動(dòng)小車(chē)及設(shè)備小計(jì)20 t。吊裝荷載總計(jì)98 t，按最不利條件下，偏安全以偏載考慮加載到頂層桁架起吊小車(chē)能夠移動(dòng)到的懸臂最大距離處，一側(cè) 2× 26 t，一側(cè) 2×23 t，以節(jié)點(diǎn)荷載形式加載到桁架四個(gè)受力節(jié)點(diǎn)上。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)門(mén)式吊裝塔架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下的分析計(jì)算，得到如下結(jié)果。

3.1 應(yīng)力結(jié)果

由模型有限元計(jì)算結(jié)果可知在最不利荷載工況下門(mén)式吊裝塔架基礎(chǔ)托架桿件最大壓應(yīng)力為-116.0MPa，最大拉應(yīng)力為118.0MPa。萬(wàn)能桿件拼裝桁架最大壓應(yīng)力在桁架與托架交接處為-111.9MPa，最大拉應(yīng)力為45.9MPa，應(yīng)力較大部位主要集中在吊裝荷載一側(cè)的托架處和桁架豎桿上。

3.2 位移結(jié)果

吊裝荷載加載前后吊裝節(jié)點(diǎn)位移變化值為32-3=29mm，滿足剛度要求。

3.3 穩(wěn)定性分析

進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性分析時(shí)，外荷載類(lèi)型有:永久作用以及吊裝最大荷載。這種狀態(tài)下，門(mén)式吊裝塔架基礎(chǔ)荷載吊裝側(cè)外托架在第 1階發(fā)生側(cè)面向外失穩(wěn)，安全系數(shù)為 6.54。失穩(wěn)形態(tài)見(jiàn)圖 3。

4 結(jié)語(yǔ)

門(mén)式吊裝塔架結(jié)構(gòu)分析結(jié)論:1)在最不利工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊裝鋼塔柱一側(cè)的托架處和桁架豎桿上，其應(yīng)力值為117 MPa和 112 MPa，據(jù)此，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力170 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求;2)最不利工況下結(jié)構(gòu)的最大變形為29mm，小于L/500，滿足結(jié)構(gòu)的剛度要求;3)屈曲分析結(jié)果及屈曲模態(tài)特征表明，吊裝塔架局部最小穩(wěn)定安全系數(shù)為 6.5，大于第一類(lèi)穩(wěn)定安全系數(shù) 4.0，滿足穩(wěn)定安全性要求。

采用門(mén)式吊裝塔架很好的適應(yīng)了該斜拉橋主塔鋼塔柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有效的保證了施工安全和工期，節(jié)約投資成本，至現(xiàn)在已經(jīng)完成了全部鋼塔柱吊裝，見(jiàn)圖 4。同時(shí)也證明了該結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。

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