魏 崗，秦利升，卞北平，曾健賓

（1.中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司基礎(chǔ)事業(yè)部，江蘇南京210019；2.上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司開發(fā)部，上海200949；3.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

豎提施工方法是指施工過程中采用大節(jié)段吊裝與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法[1]。當(dāng)橋位處無水或水很少時(shí)，可以將拱肋在橋位進(jìn)行拼裝成半跨，然后用扒桿起吊安裝。當(dāng)橋位處水較深時(shí)，可以在橋位附近進(jìn)行拼裝成半跨，浮運(yùn)至橋軸線位置，再用扒桿起吊安裝[5]。

港珠澳大橋九洲航道橋采用雙塔中央雙索而鋼一混組合梁斜拉橋，主跨單孔雙向通航，全長693 m，塔梁固結(jié)，輔助墩和邊墩均為活動(dòng)支承[1]。港珠澳大橋港珠澳九州橋鋼塔豎轉(zhuǎn)項(xiàng)目，鋼塔質(zhì)量1 400 t，豎轉(zhuǎn)角度為90°。而本文研究對(duì)象——陜西省韓城市太史大街西延橋梁鋼索塔，質(zhì)量達(dá)2 100 t，豎轉(zhuǎn)角度90°為目前同類型轉(zhuǎn)體施工鋼索塔質(zhì)量之最。

1 工程概述

太史大街西延橋梁為跨徑108+128 m的獨(dú)塔雙索面鋼拱鋼梁斜拉橋，如圖1所示。

圖1 西延橋與鋼索塔主視圖Fig.1 Main view of the Xiyan Bridge and the cable tower

主塔采用拱形塔結(jié)構(gòu)，全塔采用鋼結(jié)構(gòu)，塔高為117.5 m，橋面以上塔高76.5 m，橋面以下為41 m。索塔截面尺寸縱橋向由拱腳向拱頂逐漸變化，拱腳截面尺寸為6 000 mm（縱橋向）×5 312 mm（橫橋向），拱頂截面尺寸為3 500 mm（縱橋向）×4 000 mm（橫橋向）。豎向采用板肋加勁，沿拱軸線每隔2 000～3 000 mm（高度方向）設(shè)置一道橫隔板，橫隔板板厚16～25 mm。索塔采用箱型截面，壁板厚25～35 mm。

主塔提升質(zhì)量約2 100 t，采用邊提升、邊轉(zhuǎn)體的方式施工。在主塔承臺(tái)中間設(shè)置4個(gè)79.5 m高、4 m×4 m塔架作為提升支架，并在塔頂設(shè)置提升梁，布置6臺(tái)560 t提升油缸。在主塔約70 m處設(shè)置錨固橫梁，作為鋼絞線錨固結(jié)構(gòu)。在塔底設(shè)置4條滑移軌道，并設(shè)置4臺(tái)100 t牽引油缸。順橋向設(shè)置4組纜風(fēng)繩，每組纜風(fēng)繩設(shè)置2臺(tái)200 t油缸。

鋼索塔豎提過程如圖2所示。由于提升拱塔高度非常高，為降低提升塔架高度，在提升過程中，纜風(fēng)繩與提升拱塔端部會(huì)發(fā)生干涉。因此，需要在提升過程中，更換一次纜風(fēng)繩[2]。

2 總體計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

在索塔豎轉(zhuǎn)過程中，豎轉(zhuǎn)提升支架為主要受力構(gòu)件，提升支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全直接決定著整個(gè)豎轉(zhuǎn)提升能否順利完成。因此，對(duì)豎轉(zhuǎn)提升支架必須進(jìn)行全面詳細(xì)的仿真分析[3]。

圖2 鋼索塔豎提過程示意圖Fig.2 A sketch map of the vertical lifting process of a steel cable tower

提升塔架如圖3所示，采用4 m×4 m格構(gòu)式塔架，共4組，79.5 m高，標(biāo)準(zhǔn)段高度6 m，頂節(jié)高8.5 m，底節(jié)高6 m。立桿截面為工字型截面，截面尺寸為428 mm×407 mm×20 mm×35 mm，斜腹桿截面為圓形截面，直徑為159 mm。4組塔架橫橋向間距13 m，順橋向間距14 m，整體偏P24側(cè)1 m，為錨梁在提升過程中預(yù)留空間。順橋向設(shè)置4組纜風(fēng)（至少2組同時(shí)工作），橫橋向設(shè)置3道聯(lián)系桁架，保證塔架在側(cè)向力作用下的穩(wěn)定。

提升塔架采用樁基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)塔架立柱位置布置16根直徑1 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度1.5 m，單樁承載力約400 t。

為弄清豎轉(zhuǎn)過程中鋼索塔受力情況，在Midas civil（v8.32）中建立鋼索塔的模型，如圖4所示。

2.2 不同工況下的最大應(yīng)力與最大變形仿真分析

在豎轉(zhuǎn)提升的過程中，支架主要受到結(jié)構(gòu)自重和索塔載荷的作用，同時(shí)計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)載荷（按照陜西韓城10年一遇基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2）。鋼索塔主要受到結(jié)構(gòu)自重、油缸提升力、風(fēng)載荷和滑靴摩擦力（按照滑靴豎向反力的15%，施加到提升梁位置）[4]。計(jì)算參數(shù)及設(shè)計(jì)工況如表1和表2所示。

表2 塔架荷載組合工況表Tab.2 Load combination table of tower frame

考查豎轉(zhuǎn)過程中初始狀態(tài)、主塔提升45°狀態(tài)、主塔提升豎直狀態(tài)、纜風(fēng)繩替換狀態(tài)等載荷工況下結(jié)構(gòu)最大變形和應(yīng)力，以及塔架在豎提過程中的最大變形和結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比，計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。

2.3 纜風(fēng)繩2，4替換纜風(fēng)繩1，3后塔架受力分析

為了避免提升過程中鋼索塔頂部與纜風(fēng)繩3發(fā)生干涉，需要用纜風(fēng)繩2，4替換纜風(fēng)繩1，3，這給提升施工帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)這一載荷工況做詳細(xì)說明。

仿真結(jié)果如圖5所示，纜風(fēng)繩2，4替換纜風(fēng)繩1，3之后工況下，結(jié)構(gòu)最大變形為60.5 mm，桿件最大應(yīng)力比為0.819。綜上，該工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

表3 塔架不同工況下仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of tower frame under different working conditions

表4 索塔不同工況下仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of cable tower under different working conditions

圖5 纜風(fēng)繩2，4替換纜風(fēng)繩1，3之后塔架受力分析結(jié)果Fig.5 Force analysis results of cable wind rope 2，4 replacement of cable wind rope 1，3

2.4 計(jì)算結(jié)論

（1）鋼索塔變形及應(yīng)力滿足要求。

（2）單側(cè)提升力最大10 711 kN，單臺(tái)油缸3 570 kN，滑靴反力單側(cè)2 120 kN。

（3）提升塔架變形及應(yīng)力滿足要求。

3 局部計(jì)算

3.1 局部結(jié)構(gòu)不同工況下最大應(yīng)力與最大變形仿真分析

整體計(jì)算中不能明確反應(yīng)局部真實(shí)受力狀態(tài)，對(duì)整體提升非常重要的部位，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行局部承載力校核[5]。本工程中很多局部部位結(jié)構(gòu)相似，選取最不利局部計(jì)算，鋼索塔受到由滑靴和錨梁傳遞的載荷，這是豎提過程中最不利的地位，所以選取滑靴和錨梁用ANSYS做局部仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 局部結(jié)構(gòu)不同工況下最大應(yīng)力與最大變形仿真分析Tab.5 Simulation analysis of maximum stress and maximum deformation under different conditions of local structure

3.2 主塔提升45°狀態(tài)滑靴結(jié)構(gòu)受力分析

以主塔提升45°為工況介紹滑靴結(jié)構(gòu)詳細(xì)的受力分析過程。主塔總質(zhì)量2 100 t，單側(cè)滑靴反力為1 750 kN。局部驗(yàn)算運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，采用實(shí)體單元模擬結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖幾何尺寸，利用ANSYS有限元軟件，建立結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 滑靴ANSYS模型Fig.6 ANSYS model of slipper

滑靴位置在y軸45°角方向上施加提升力1 750 kN，主塔節(jié)段上部施加三向約束。荷載及邊界條件如圖7所示。

圖7 荷載及約束Fig.7 Load and constraint

按照上述模型荷載及邊界條件進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力分布如圖8所示，變形情況如圖9所示。由仿真結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為259 MPa，結(jié)構(gòu)的最大變形為8 mm，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及變形要求。

圖8 應(yīng)力云圖Fig.8 Cloud diagrams of stress

圖9 位移云圖Fig.9 Cloud diagrams of deformation

3.3 計(jì)算結(jié)論

（1）錨梁的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）滑靴的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

韓城太史街西延橋工程規(guī)模巨大，技術(shù)難度大，施工周期長。對(duì)太史街西延橋上的塔柱整體豎轉(zhuǎn)提升支架和鋼索塔的放假行仿真計(jì)算，并對(duì)構(gòu)件的受力狀態(tài)及提升過程的穩(wěn)定性能分析，可以看出，錨梁、滑靴、塔架、鋼索塔的受力滿足相應(yīng)的要求。