铁路拱承斜拉桥竖转转体结构设计研究

新建常益长铁路沅江特大桥（32+90+90+32） m拱承斜拉桥主塔采用竖转方式施工，其转体结构的设计是是影响施工安全的重要因素。文章介绍利用Ansys软件对转体结构施工状态下的受力进行了验算，同时还分析了在侧向风荷载作用下的安全性，证明所设计的转体结构满足了施工要求，以期为类似施工方案提供参考。

特大桥; 钢箱主塔; 竖转; 转体结构

U445.465   A

[定稿日期]2021-03-12

[作者简介]韩若愚（1995～），男，本科，研究方向为桥梁工程。

1 工程概述

沅江特大桥跨石长铁路（32+90×2+32） m拱承斜拉桥位于位于湖南省常德市武陵区，桥梁起点里程为DK9+335.49（对应石长线里程为K88+916.49），终点里程为DK9+581.19（对应石长线里程为K89+162.19），全长245.7 m，处曲线半径R=2800 m圆曲线上。主塔采用拱型桥塔，塔底以上桥塔全高为66 m，桥面以上塔高45 m，桥面以下塔高21 m。拱轴线线型采用椭圆形。主梁在桥塔处与横梁刚性连接。拱塔截面尺寸为：顺桥向3.0 m×横桥向4.0 m，板厚为24～36 mm，拱塔单侧分为8段。桥塔横梁截面尺寸为：梁高2.8 m，梁宽3.0 m，顶板厚14 mm，底板和腹板厚16 mm。其结构示意如图1所示。

2 竖转转体结构设计概况

主桥桥塔为全钢箱结构拼装而成，采用工厂加工、试拼接，现场卧式拼装、竖向转体、与合拢。根据图2中所示，桥塔整体结构与转体机构[1-2]分为以下几个构件：

（1）桥塔结构：包括承台预埋段钢箱、转体钢箱与合龙段;

（2）竖转结构：支撑杆杆件（BM段），拉杆杆件1（BC段）与拉杆杆件2（BD段）;

（3）牵引机构与轨道：水平作用在支撑杆杆件（BM段）上的牵引钢绞线与电机以及支撑杆杆件BM的辅助轨道;

（4）定位机构：支撑杆杆件BM作用到钢转盘上时的辅助定位机构;

（5）保护机构：支撑杆杆件BM在牵引移动过程中发生失效时可以与轨道锁定的机构。

3 竖转过程有限元分析

3.1 初始位置分析

如图3所示，在初始状态下桥塔OA段为水平放置，BM杆牵引端M距离最终位置距离最远，分别计算M在初始位置，距离最终位置47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m以及5 m时候整个模型的受力情况。

按照豎转过程的施工过程，设置合适的边界条件，即在A处整体施加标准加速度，在B处采用铰接约束，在C处释放转动约束，并固结其他方向约束。

根据图4的计算结果，B处的反力为FY方向（竖向）为2 712 kN，FZ方向（水平）为2 587 kN，竖转铰处反力FY方向（竖向）为1 900 kN，FZ方向（水平）为2 641 kN，牵引荷载为2 723 kN。

顶推杆（BM）所受轴向力：

F=FY2+FZ2=3748kN

根据欧拉公式[3-4]计算临界荷载

Pcr=π2EIl2=π2E1-0.994412l2=19000kN

根据以上结果，可得到安全系数f=10.13，满足规范要求。

3.2 滑移过程受力分析

按照施工方案在模型中施加合理的边界条件，即在B、C两处施加铰接边界条件，仅允许轴向转动，整体施加标准重力加速度。然后计算施工过程中支撑铰（M处）距竖转铰47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m时的工况，其结果如表1所示。

3.3 支撑铰（M处）距竖转铰5m工况计算分析

当竖转体系撑脚据桥塔中心5 m，T0与T1钢箱尚未安装封板，其整个体系的受力和前者有所不同，需要另行建模分析（图5）。

按照施工方案，模型的边界条件可按照如下要求设置：桥塔仍由支撑桁架BM支撑，B处销轴孔铰接，沿销轴可转动，其他方向约束，C处销轴孔铰接，沿销轴可转动，其他方向约束，整体施加标准重力加速度。模型的计算结果如下所示。

撑铰M处反力：FY方向（竖向）为4 978 kN，FZ方向（水平）为1 710 kN。

单根支撑钢箱受力：

F= FY2+FZ2/2=2631kN

屈曲安全系数：

S=PcrF=190002631=7.22

其值满足规范要求。

竖转铰C处反力：FY方向（竖向）为-922 kN，FZ方向（水平）为-1 710 kN。

除此之外，通过图5可知，应力最大值为129 MPa，顶端Z方向（水平）位移最大119 mm，顶端最大竖向位移69 mm，满足实际施工要求。

3.4 侧风分析

根据标准风压公式[5]：Wp=0.5 V2/g，其中，空气重度r=0.01225 kN/m3，g=9.8 m/s2，v为风速。考虑10级大风，取风速上限28.4 m/s，得到风荷载Wp=0.51kN/m2。

由于模型为梁单元模型，因此施加线荷载。塔单元施加2.04 kN/m，拉板BC，BD施加0.408 kN/m，撑杆BM施加0.51 kN/m，如图6所示。

在考虑上转盘自重荷载下，竖转体系撑脚处一侧反力为2 894 kN，另一侧为3 380 kN，都没有出现负反力，满足施工要求。

4 结论

新建常益长铁路沅江特大桥（32+90+90+32）m拱承斜拉桥钢箱主塔采用竖转方式施工，其转体结构的设计与使用是施工安全的重要因素。本文通过数值分析，对竖转施工的整个过程中的转体结构的受力进行了验算，发现整个结构的受力、变形均满足施工需要。最后文章还对整个体系在侧向风载作用下的稳定性进行了分析，竖转体系撑脚均没有出现负反力，满足施工安全要求。

参考文献

[1] 高兴赞， 游德泉， 李琼慧. 基于有限元模型的独塔斜拉桥钢塔竖转转体过程静力分析研究[J]. 福建交通科技， 2018（1）：28-29.

[2] 张国臣. 转体桥施工控制要点分析[J]. 建筑工程技术与设计， 2015（7）.

[3] 孙潮， 陈宝春， 谢云举.徐州京杭运河特大桥竖转受力分析[J]. 福州大学学报（自然科学版）， 2002， 30（3）：358-361..

[4] 何敏娟， 郑元， 吕兆华. 钢拱塔斜拉桥竖转施工方案分析[J]. 特种结构， 2010， 027（1）：76-79.

[5] 严国敏. 法国伊泽尔河的吉利桥——塔竖转与梁平转的斜拉桥[J]. 铁道标准设计， 1993，（12）：40-42.

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