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        拱橋纜索吊裝施工塔架有限元仿真分析

        2020-06-21 15:17:53盧復(fù)昌
        西部交通科技 2020年2期

        摘要:文章以某鋼管混凝土拱橋纜索吊裝施工塔架為研究背景,根據(jù)塔架在各施工節(jié)段受力的最不利狀態(tài),對(duì)高聳塔架鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析計(jì)算,結(jié)果表明該塔架整體受力性能滿足使用要求。

        關(guān)鍵詞:拱橋;纜索吊裝塔架;穩(wěn)定性;有限元分析

        0 引言

        拱橋的施工方法分為自架設(shè)方法和非自架設(shè)方法。非自架設(shè)方法主要有支架法、吊裝法和轉(zhuǎn)體法等;自架設(shè)方法又稱無支架法,主要有轉(zhuǎn)體施工、纜索吊裝、勁性骨架及懸臂拼裝等[1]。纜索吊裝施工方法由于具有經(jīng)濟(jì)、安全、適用范圍廣等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于大跨徑拱橋施工中,目前,70%以上的鋼管混凝土拱橋拱肋架設(shè)方法采用纜索吊裝施工技術(shù)[2-3]。纜索吊裝塔架主要承受主纜索、扣索、纜風(fēng)傳遞的壓力及風(fēng)荷載作用,塔架屬于大型高聳結(jié)構(gòu)物,他的穩(wěn)定性問題在結(jié)構(gòu)分析中顯得尤為重要[4]。因此,對(duì)塔架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析具有重要的意義。

        1 工程概況

        廣西平果縣某大橋全長294 m,主橋?yàn)閮艨?80 m鋼管混凝土中承式拱橋,引橋?yàn)?0 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁,全橋?qū)挒?0 m。主橋矢跨比為1/4,拱軸系數(shù)m=1.2,拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu),拱肋橫向中心間距為24.5 m, 單片拱肋采用等高度四根鋼管桁架式截面,拱肋高度為4.2 m,寬度為2.4 m,單根拱肋分8個(gè)節(jié)段加工制作及安裝,單節(jié)段拱肋最大重量為80 t。

        2 塔架結(jié)構(gòu)布置

        纜索吊裝塔架采用主扣塔一體化形式,塔架總高度為78 m,橫橋向總寬度為44 m,順橋向?qū)挾葹? m。塔架采用N型萬能桿件拼裝組成,豎向桿件由4∠120×10 mm組成,順橋向與橫橋向橫桿分別由2∠75×8 mm組成,順橋向和橫橋向豎聯(lián)斜桿由2∠100×8 mm組成。塔架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        3 塔架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

        3.1 模型建立

        塔架采用Midas Civil軟件進(jìn)行計(jì)算分析,采用空間梁單元模擬萬能桿件,塔底固結(jié),塔架頂部前、后風(fēng)纜均采用30根15.24 mm鋼絞線,單根風(fēng)纜初始張拉力為60 kN,進(jìn)行非線性分析。塔架模型如圖2所示。

        3.2 荷載分析及荷載工況

        施工過程中,作用于塔架的荷載包括塔架自重和主纜索、工作索、扣索傳遞的壓力及風(fēng)荷載。

        根據(jù)塔架各施工節(jié)段受力的最不利狀態(tài),按照以下四個(gè)荷載工況進(jìn)行加載:

        工況一:吊裝第2節(jié)段時(shí),最大吊重80 t;

        工況二:吊裝第4節(jié)段時(shí),塔架扣索總壓力最大;

        工況三:吊裝第2節(jié)段時(shí),最大吊重80 t,工作狀態(tài)風(fēng)荷載(六級(jí)風(fēng)荷載);

        工況四:第4節(jié)段吊裝完成后,塔架扣索總壓力最大,非工作狀態(tài)風(fēng)荷載(十二級(jí)風(fēng)荷載)。

        3.3 計(jì)算結(jié)果

        (1) 塔架整體位移

        從表1可以看出,塔架結(jié)構(gòu)橫向及豎向的位移很小,變形以順橋向的位移為主;風(fēng)荷載作用對(duì)塔架位移有很大的影響,尤其是非工作風(fēng)荷載狀態(tài),塔架變形量增加約40%。塔架在最不利荷載工況荷載作用下最大位移為18.91 cm,塔架容許位移[δ]=78/400=19.50 cm,最大位移小于容許值,塔架剛度滿足要求。

        (2)豎向桿件應(yīng)力

        從表2可知,工況四荷載作用下,4N1豎向桿件最大壓應(yīng)力為180.3 MPa,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在塔架前端底部,主要是由于塔架承受的軸向應(yīng)力和順橋向彎曲應(yīng)力疊加造成的;在工況二荷載作用下,最大拉應(yīng)力為73.3 MPa。塔架豎向桿件應(yīng)力均小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,滿足要求。

        (3)橫向桿件應(yīng)力

        從表3可知,工況一荷載作用下,橫向桿件最大拉應(yīng)力為70.4 MPa;工況三荷載作用下,最大壓應(yīng)力為101.4 MPa,均滿足要求。

        (4)豎聯(lián)斜桿件應(yīng)力

        從表4可知,塔架在最不利荷載工況荷載作用下,豎聯(lián)斜桿件最大拉應(yīng)力為81.8 MPa,最大壓應(yīng)力為100.2 MPa,滿足要求。

        4 結(jié)語

        纜索吊裝施工主扣塔一體化的塔架屬于大型高聳超靜定鋼桁架結(jié)構(gòu),塔架強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性直接關(guān)系到施工安全,其施工過程受力分析十分重要。本文利用有限元軟件Midas Civil對(duì)纜索吊裝塔架進(jìn)行仿真分析,從計(jì)算結(jié)果可以看出:塔架系統(tǒng)整體受力性能符合規(guī)范要求;風(fēng)荷載對(duì)塔架的穩(wěn)定性影響非常明顯,在設(shè)計(jì)和施工中不能忽略。

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京:人民交通出版社,1999.

        [2]陳寶春,楊亞林.鋼管混凝土拱橋調(diào)查與分析[J].世界橋梁,2006(2):73-77.

        [3]陳寶春,陳康明,趙 秋.中國鋼拱橋發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].中外公路,2011,31(2):121-127.

        [4]鄧雪濤,曾德榮,周燕其.大跨度拱橋纜索吊裝系統(tǒng)的穩(wěn)定性有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,26(Z1):3-7.

        作者簡介:盧復(fù)昌(1985—),碩士研究生,工程師,研究方向:道路與橋梁工程。

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