大跨钢箱拱桥索塔扣塔一体化施工仿真分析

邓 可

0 引言

大跨拱桥常用缆索吊装斜拉扣挂法来施工建设。为了提高拱肋节段拼装精度和增强主拱吊运及拼装过程中的安全性，通常将索塔与扣塔分开布置，使索塔、扣塔系统能独立工作。但是考虑成本、工期或索、扣塔锚碇布置受地形影响等，索塔、扣塔一体化施工技术受到重视。本文结合工程实例，用ANSYS程序建立索塔、扣塔、主桥有限元模型，对大跨钢箱拱桥施工过程中的索、扣塔一体化技术进行施工仿真分析。

1 索塔、扣塔一体化的结构特点

扣塔承载能力和刚度是索、扣塔一体化系统的设计重点。索、扣塔一体化后，扣塔得承受扣索力外的其他荷载，为减小扣塔塔底弯矩，降低索塔塔顶位移对拱肋安装精度的影响，应在索塔底部和扣塔顶部设置铰支座，使索塔在理论上传递极少水平推力给扣塔，同时适当增大扣塔截面尺寸，增加扣塔承载力与刚度。索塔、扣塔一体化后的结构体系应包含缆索塔架、铰支座和扣索塔架。

1)索塔。主要承受主索及缆风传递来的荷载，并通过铰支座传递至扣塔。2)铰支座。主要功能是将来自索塔的荷载传递给扣塔，使索塔在理论上传递极少水平推力给扣塔。3)扣塔。塔底固结。主要承受扣塔塔顶传递的荷载，并将荷载传递给塔底基础。

吊、扣塔一体化后，塔架成为拱肋拼装施工的主要结构体系，承受着自重、缆索、扣索、风缆及风等荷载，其强度、刚度和稳定性关系到钢箱拱肋吊拼的施工安全，同时对拱肋拼装线形也有一定影响。

2 工程概况

主桥为双肢拱中承式钢箱系杆拱桥，主跨450 m，矢跨比f/L=1/5，边跨拱肋与中跨拱肋在一个平面内，横向倾斜度为1∶5。拱肋分为上、下两肢，边跨下肢拱采用二次抛物线，净矢高为4.5 m;主跨下肢拱采用悬链线，矢跨比为1/5，拱轴系数为1.6;上肢拱采用两端圆曲线和中间二次抛物线组合，中间二次抛物线部分矢跨比为1/11.5，上、下肢拱肋均选用全焊钢箱型截面。

在大桥两岸分别设置一座高为152 m的塔架，塔架横向中心宽度22 m，两塔相距450 m，塔底均为固结，索塔与扣塔间用单肢单铰联结，上端可以通过风缆调控塔顶位移。主索设置2组，每组主索由12根φ60 mm钢丝绳组成，最大设计吊重250 t(见图1)。

图1 拱肋节段斜拉扣挂拼装施工（示半跨）

3 索塔、扣塔一体化结构分析

3.1 索塔受力分析

索塔的荷载主要有结构自重、塔顶竖向力、塔顶不平衡水平力和前后缆风初张力。由索塔的受力状态，计算出索塔底部铰支座的水平力和竖直力，并反向作用在扣塔塔顶。

用ANSYS通用有限元程序对索塔进行建模分析，索塔塔底铰接。图2为索塔的有限元模型。

当最大吊重在跨中时，索塔受力最为不利。对缆索系统的一组主索而言，有:

水平力: HA=103.25 kN，

竖直力: VA=7 641.15 kN。

将缆索吊装系统产生的力施加到索塔上，通过计算分析可以得到索塔和扣塔铰接处的竖向反力和水平反力。

3.2 扣塔受力分析

由于已计算出索塔底部铰支座的支反力，将支反力反向按节点荷载施加到扣塔顶部，此时扣塔底部固结。GB J135-90静风荷载参考高耸结构设计规范和JTG/T D60-01-2004公路桥梁抗风设计规范计算，选取扣塔的重要部位斜腿转向处、塔底的内力和应力。计算模型如图3所示。

图2 索塔有限元计算模型

图3 扣、锚索作用下整体有限元模型

扣塔计算分别考虑两种工况:

工况一:塔架拼装完成，并试吊最重节段时;工况二:拱肋最大悬臂状态(合龙前)。

表1 扣塔内力、应力值

从表1可以看出，两种工况下，扣塔最大压力为8 214 kN，最大压弯压力132.7 MPa，与允许压力和压弯应力相比，扣塔受力有一定富余，故其强度满足施工要求。

缆索吊装系统在吊装钢箱拱肋时，整个扣塔上端自由，扣塔下端固结，而塔顶可产生较大的横向位移，故整个塔架易发生弯、压组合变形，其根部应力可以表示为:

其中，N，P分别为轴向力和水平横向力;Wy为抗弯截面模量。

一方面，水平力使塔架结构发生横向弯曲，在塔架根部产生相应的弯曲应力;另一方面，扣索、风缆和主索系统沿塔架轴向的作用力和塔架的自重，又进一步加大了塔架的横向弯曲变形在塔架根部产生附加的弯曲应力，使结构趋于不稳定。所以在吊装过程中，应适时地调整风缆，控制好塔顶水平位移，避免塔架底部应力过大而屈服。

在扣锚索、风缆和主索等组合荷载作用下，考虑到塔架稳定性，塔顶的允许位移为20 cm。所以，在钢箱拱肋的吊装过程中，为避免塔顶的水平位移过大，必须对塔顶位移跟踪观测，适时调整风缆，将水平位移控制在允许值内。

3.3 整体稳定性分析

采用ANSYS通用有限元程序对吊扣一体化施工体系进行稳定分析，将吊扣一体化系统整体建模分析，考虑扣塔、拱肋、扣锚索的协同工作，按第一类稳定性进行计算。

图4 工况一失稳模态

图5 工况二失稳模态

对吊扣一体化的三个工况进行稳定性分析，三个工况分别为:

工况一:塔架拼装完成，并试吊最大节段时，考虑风荷载;工况二:拱肋最大悬臂状态(合龙前)，考虑风荷载;工况三:拱肋最大悬臂状态(合龙前)，不考虑风荷载。

其分析结果如下:

1)工况一下的弹性稳定系数为10.528，图4为第一工况失稳模态;2)工况二下的弹性稳定系数为8.536，工况三下的弹性稳定系数为11.381，图5为第二工况失稳模态。

4 结语

1)索塔、扣塔一体化施工仿真分析表明，本桥采用的缆索吊装吊扣一体化施工方案是可行的，满足拱肋拼装精度和施工安全性要求。

2)索塔、扣塔一体化结构为高耸的大型钢桁架结构，稳定性分析结果表明，风荷载对该体系的稳定性影响较明显，拱肋为最大悬臂状态时在风荷载作用下，其弹性稳定系数降低了25%左右。因此，在设计和施工控制中应当引起高度重视。

3)索塔、扣塔一体化系统稳定性计算分析表明，索塔塔顶最大容许水平偏位为20 cm，调整风缆索力能有效增强索塔、扣塔一体化系统的稳定性。

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