新建常益長鐵路沅江特大橋(32+90+90+32) m拱承斜拉橋主塔采用豎轉(zhuǎn)方式施工,其轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是是影響施工安全的重要因素。文章介紹利用Ansys軟件對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)下的受力進(jìn)行了驗(yàn)算,同時(shí)還分析了在側(cè)向風(fēng)荷載作用下的安全性,證明所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)滿足了施工要求,以期為類似施工方案提供參考。
特大橋; 鋼箱主塔; 豎轉(zhuǎn); 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)
U445.465?? A
[定稿日期]2021-03-12
[作者簡介]韓若愚(1995~),男,本科,研究方向?yàn)闃蛄汗こ獭?/p>
1 工程概述
沅江特大橋跨石長鐵路(32+90×2+32) m拱承斜拉橋位于位于湖南省常德市武陵區(qū),橋梁起點(diǎn)里程為DK9+335.49(對(duì)應(yīng)石長線里程為K88+916.49),終點(diǎn)里程為DK9+581.19(對(duì)應(yīng)石長線里程為K89+162.19),全長245.7 m,處曲線半徑R=2800 m圓曲線上。主塔采用拱型橋塔,塔底以上橋塔全高為66 m,橋面以上塔高45 m,橋面以下塔高21 m。拱軸線線型采用橢圓形。主梁在橋塔處與橫梁剛性連接。拱塔截面尺寸為:順橋向3.0 m×橫橋向4.0 m,板厚為24~36 mm,拱塔單側(cè)分為8段。橋塔橫梁截面尺寸為:梁高2.8 m,梁寬3.0 m,頂板厚14 mm,底板和腹板厚16 mm。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
2 豎轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況
主橋橋塔為全鋼箱結(jié)構(gòu)拼裝而成,采用工廠加工、試拼接,現(xiàn)場臥式拼裝、豎向轉(zhuǎn)體、與合攏。根據(jù)圖2中所示,橋塔整體結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)[1-2]分為以下幾個(gè)構(gòu)件:
(1)橋塔結(jié)構(gòu):包括承臺(tái)預(yù)埋段鋼箱、轉(zhuǎn)體鋼箱與合龍段;
(2)豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu):支撐桿桿件(BM段),拉桿桿件1(BC段)與拉桿桿件2(BD段);
(3)牽引機(jī)構(gòu)與軌道:水平作用在支撐桿桿件(BM段)上的牽引鋼絞線與電機(jī)以及支撐桿桿件BM的輔助軌道;
(4)定位機(jī)構(gòu):支撐桿桿件BM作用到鋼轉(zhuǎn)盤上時(shí)的輔助定位機(jī)構(gòu);
(5)保護(hù)機(jī)構(gòu):支撐桿桿件BM在牽引移動(dòng)過程中發(fā)生失效時(shí)可以與軌道鎖定的機(jī)構(gòu)。
3 豎轉(zhuǎn)過程有限元分析
3.1 初始位置分析
如圖3所示,在初始狀態(tài)下橋塔OA段為水平放置,BM桿牽引端M距離最終位置距離最遠(yuǎn),分別計(jì)算M在初始位置,距離最終位置47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m以及5 m時(shí)候整個(gè)模型的受力情況。
按照豎轉(zhuǎn)過程的施工過程,設(shè)置合適的邊界條件,即在A處整體施加標(biāo)準(zhǔn)加速度,在B處采用鉸接約束,在C處釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束,并固結(jié)其他方向約束。
根據(jù)圖4的計(jì)算結(jié)果,B處的反力為FY方向(豎向)為2 712 kN,F(xiàn)Z方向(水平)為2 587 kN,豎轉(zhuǎn)鉸處反力FY方向(豎向)為1 900 kN,F(xiàn)Z方向(水平)為2 641 kN,牽引荷載為2 723 kN。
頂推桿(BM)所受軸向力:
F=FY2+FZ2=3748kN
根據(jù)歐拉公式[3-4]計(jì)算臨界荷載
Pcr=π2EIl2=π2E1-0.994412l2=19000kN
根據(jù)以上結(jié)果,可得到安全系數(shù)f=10.13,滿足規(guī)范要求。
3.2 滑移過程受力分析
按照施工方案在模型中施加合理的邊界條件,即在B、C兩處施加鉸接邊界條件,僅允許軸向轉(zhuǎn)動(dòng),整體施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。然后計(jì)算施工過程中支撐鉸(M處)距豎轉(zhuǎn)鉸47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m時(shí)的工況,其結(jié)果如表1所示。
3.3 支撐鉸(M處)距豎轉(zhuǎn)鉸5m工況計(jì)算分析
當(dāng)豎轉(zhuǎn)體系撐腳據(jù)橋塔中心5 m,T0與T1鋼箱尚未安裝封板,其整個(gè)體系的受力和前者有所不同,需要另行建模分析(圖5)。
按照施工方案,模型的邊界條件可按照如下要求設(shè)置:橋塔仍由支撐桁架BM支撐,B處銷軸孔鉸接,沿銷軸可轉(zhuǎn)動(dòng),其他方向約束,C處銷軸孔鉸接,沿銷軸可轉(zhuǎn)動(dòng),其他方向約束,整體施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。模型的計(jì)算結(jié)果如下所示。
撐鉸M處反力:FY方向(豎向)為4 978 kN,F(xiàn)Z方向(水平)為1 710 kN。
單根支撐鋼箱受力:
F= FY2+FZ2/2=2631kN
屈曲安全系數(shù):
S=PcrF=190002631=7.22
其值滿足規(guī)范要求。
豎轉(zhuǎn)鉸C處反力:FY方向(豎向)為-922 kN,F(xiàn)Z方向(水平)為-1 710 kN。
除此之外,通過圖5可知,應(yīng)力最大值為129 MPa,頂端Z方向(水平)位移最大119 mm,頂端最大豎向位移69 mm,滿足實(shí)際施工要求。
3.4 側(cè)風(fēng)分析
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式[5]:Wp=0.5 V2/g,其中,空氣重度r=0.01225 kN/m3,g=9.8 m/s2,v為風(fēng)速。考慮10級(jí)大風(fēng),取風(fēng)速上限28.4 m/s,得到風(fēng)荷載Wp=0.51kN/m2。
由于模型為梁單元模型,因此施加線荷載。塔單元施加2.04 kN/m,拉板BC,BD施加0.408 kN/m,撐桿BM施加0.51 kN/m,如圖6所示。
在考慮上轉(zhuǎn)盤自重荷載下,豎轉(zhuǎn)體系撐腳處一側(cè)反力為2 894 kN,另一側(cè)為3 380 kN,都沒有出現(xiàn)負(fù)反力,滿足施工要求。
4 結(jié)論
新建常益長鐵路沅江特大橋(32+90+90+32)m拱承斜拉橋鋼箱主塔采用豎轉(zhuǎn)方式施工,其轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與使用是施工安全的重要因素。本文通過數(shù)值分析,對(duì)豎轉(zhuǎn)施工的整個(gè)過程中的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了驗(yàn)算,發(fā)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力、變形均滿足施工需要。最后文章還對(duì)整個(gè)體系在側(cè)向風(fēng)載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,豎轉(zhuǎn)體系撐腳均沒有出現(xiàn)負(fù)反力,滿足施工安全要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 高興贊, 游德泉, 李瓊慧. 基于有限元模型的獨(dú)塔斜拉橋鋼塔豎轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體過程靜力分析研究[J]. 福建交通科技, 2018(1):28-29.
[2] 張國臣. 轉(zhuǎn)體橋施工控制要點(diǎn)分析[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì), 2015(7).
[3] 孫潮, 陳寶春, 謝云舉.徐州京杭運(yùn)河特大橋豎轉(zhuǎn)受力分析[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002, 30(3):358-361..
[4] 何敏娟, 鄭元, 呂兆華. 鋼拱塔斜拉橋豎轉(zhuǎn)施工方案分析[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2010, 027(1):76-79.
[5] 嚴(yán)國敏. 法國伊澤爾河的吉利橋——塔豎轉(zhuǎn)與梁平轉(zhuǎn)的斜拉橋[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 1993,(12):40-42.
3825501908275