2100t钢索塔竖提施工结构受力分析

魏 岗，秦利升，卞北平，曾健宾

（1.中国核工业华兴建设有限公司基础事业部，江苏南京210019；2.上海同新机电控制技术有限公司开发部，上海200949；3.同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

竖提施工方法是指施工过程中采用大节段吊装与竖转相结合的方法[1]。当桥位处无水或水很少时，可以将拱肋在桥位进行拼装成半跨，然后用扒杆起吊安装。当桥位处水较深时，可以在桥位附近进行拼装成半跨，浮运至桥轴线位置，再用扒杆起吊安装[5]。

港珠澳大桥九洲航道桥采用双塔中央双索而钢一混组合梁斜拉桥，主跨单孔双向通航，全长693 m，塔梁固结，辅助墩和边墩均为活动支承[1]。港珠澳大桥港珠澳九州桥钢塔竖转项目，钢塔质量1 400 t，竖转角度为90°。而本文研究对象——陕西省韩城市太史大街西延桥梁钢索塔，质量达2 100 t，竖转角度90°为目前同类型转体施工钢索塔质量之最。

1 工程概述

太史大街西延桥梁为跨径108+128 m的独塔双索面钢拱钢梁斜拉桥，如图1所示。

图1 西延桥与钢索塔主视图Fig.1 Main view of the Xiyan Bridge and the cable tower

主塔采用拱形塔结构，全塔采用钢结构，塔高为117.5 m，桥面以上塔高76.5 m，桥面以下为41 m。索塔截面尺寸纵桥向由拱脚向拱顶逐渐变化，拱脚截面尺寸为6 000 mm（纵桥向）×5 312 mm（横桥向），拱顶截面尺寸为3 500 mm（纵桥向）×4 000 mm（横桥向）。竖向采用板肋加劲，沿拱轴线每隔2 000～3 000 mm（高度方向）设置一道横隔板，横隔板板厚16～25 mm。索塔采用箱型截面，壁板厚25～35 mm。

主塔提升质量约2 100 t，采用边提升、边转体的方式施工。在主塔承台中间设置4个79.5 m高、4 m×4 m塔架作为提升支架，并在塔顶设置提升梁，布置6台560 t提升油缸。在主塔约70 m处设置锚固横梁，作为钢绞线锚固结构。在塔底设置4条滑移轨道，并设置4台100 t牵引油缸。顺桥向设置4组缆风绳，每组缆风绳设置2台200 t油缸。

钢索塔竖提过程如图2所示。由于提升拱塔高度非常高，为降低提升塔架高度，在提升过程中，缆风绳与提升拱塔端部会发生干涉。因此，需要在提升过程中，更换一次缆风绳[2]。

2 总体计算

2.1 计算模型

在索塔竖转过程中，竖转提升支架为主要受力构件，提升支架系统的结构安全直接决定着整个竖转提升能否顺利完成。因此，对竖转提升支架必须进行全面详细的仿真分析[3]。

图2 钢索塔竖提过程示意图Fig.2 A sketch map of the vertical lifting process of a steel cable tower

提升塔架如图3所示，采用4 m×4 m格构式塔架，共4组，79.5 m高，标准段高度6 m，顶节高8.5 m，底节高6 m。立杆截面为工字型截面，截面尺寸为428 mm×407 mm×20 mm×35 mm，斜腹杆截面为圆形截面，直径为159 mm。4组塔架横桥向间距13 m，顺桥向间距14 m，整体偏P24侧1 m，为锚梁在提升过程中预留空间。顺桥向设置4组缆风（至少2组同时工作），横桥向设置3道联系桁架，保证塔架在侧向力作用下的稳定。

提升塔架采用桩基础，对应塔架立柱位置布置16根直径1 m钻孔灌注桩，承台厚度1.5 m，单桩承载力约400 t。

为弄清竖转过程中钢索塔受力情况，在Midas civil（v8.32）中建立钢索塔的模型，如图4所示。

2.2 不同工况下的最大应力与最大变形仿真分析

在竖转提升的过程中，支架主要受到结构自重和索塔载荷的作用，同时计算时考虑风载荷（按照陕西韩城10年一遇基本风压为0.3 kN/m2）。钢索塔主要受到结构自重、油缸提升力、风载荷和滑靴摩擦力（按照滑靴竖向反力的15%，施加到提升梁位置）[4]。计算参数及设计工况如表1和表2所示。

表2 塔架荷载组合工况表Tab.2 Load combination table of tower frame

考查竖转过程中初始状态、主塔提升45°状态、主塔提升竖直状态、缆风绳替换状态等载荷工况下结构最大变形和应力，以及塔架在竖提过程中的最大变形和结构最大应力比，计算结果如表3和表4所示。

2.3 缆风绳2，4替换缆风绳1，3后塔架受力分析

为了避免提升过程中钢索塔顶部与缆风绳3发生干涉，需要用缆风绳2，4替换缆风绳1，3，这给提升施工带来了很大的风险。因此，对这一载荷工况做详细说明。

仿真结果如图5所示，缆风绳2，4替换缆风绳1，3之后工况下，结构最大变形为60.5 mm，杆件最大应力比为0.819。综上，该工况下结构强度和刚度均满足要求。

表3 塔架不同工况下仿真结果Tab.3 Simulation results of tower frame under different working conditions

表4 索塔不同工况下仿真结果Tab.4 Simulation results of cable tower under different working conditions

图5 缆风绳2，4替换缆风绳1，3之后塔架受力分析结果Fig.5 Force analysis results of cable wind rope 2，4 replacement of cable wind rope 1，3

2.4 计算结论

（1）钢索塔变形及应力满足要求。

（2）单侧提升力最大10 711 kN，单台油缸3 570 kN，滑靴反力单侧2 120 kN。

（3）提升塔架变形及应力满足要求。

3 局部计算

3.1 局部结构不同工况下最大应力与最大变形仿真分析

整体计算中不能明确反应局部真实受力状态，对整体提升非常重要的部位，应根据相应的规范进行局部承载力校核[5]。本工程中很多局部部位结构相似，选取最不利局部计算，钢索塔受到由滑靴和锚梁传递的载荷，这是竖提过程中最不利的地位，所以选取滑靴和锚梁用ANSYS做局部仿真计算。计算结果如表5所示。

表5 局部结构不同工况下最大应力与最大变形仿真分析Tab.5 Simulation analysis of maximum stress and maximum deformation under different conditions of local structure

3.2 主塔提升45°状态滑靴结构受力分析

以主塔提升45°为工况介绍滑靴结构详细的受力分析过程。主塔总质量2 100 t，单侧滑靴反力为1 750 kN。局部验算运用ANSYS软件对其结构进行强度分析，采用实体单元模拟结构。根据设计图几何尺寸，利用ANSYS有限元软件，建立结构模型如图6所示。

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

滑靴位置在y轴45°角方向上施加提升力1 750 kN，主塔节段上部施加三向约束。荷载及边界条件如图7所示。

图7 荷载及约束Fig.7 Load and constraint

按照上述模型荷载及边界条件进行计算，应力分布如图8所示，变形情况如图9所示。由仿真结果可知，结构最大应力为259 MPa，结构的最大变形为8 mm，结构满足强度及变形要求。

图8 应力云图Fig.8 Cloud diagrams of stress

图9 位移云图Fig.9 Cloud diagrams of deformation

3.3 计算结论

（1）锚梁的强度和刚度满足设计要求。

（2）滑靴的强度和刚度满足设计要求。

4 结语

韩城太史街西延桥工程规模巨大，技术难度大，施工周期长。对太史街西延桥上的塔柱整体竖转提升支架和钢索塔的放假行仿真计算，并对构件的受力状态及提升过程的稳定性能分析，可以看出，锚梁、滑靴、塔架、钢索塔的受力满足相应的要求。