基于有限元分析的不平衡钢箱梁转体临时塔设计

杨光宇

摘 要：桥梁转体技术在我国交通建设中得到了广泛的应用，施工技术逐渐成熟。其中不平衡钢箱梁转体技术难度大、风险高，往往需要临时塔的辅助，因此转体临时塔设计成为了一项关键技术。本文结合武汉市常青路（三环线～青年路 ）工程跨京广铁路（95+105）m转体钢箱梁桥转体临时塔的设计，介绍了不平衡钢箱梁转体临时塔的结构设计、有限元整体分析、有限元细部分析等相关内容，并对分析结果做了分析总结。为同类工程施工提供借鉴。

关键词：不平衡;转体桥;临时塔;有限元;钢箱梁

中图分类号：U445            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）07-0154-03

近年来，随着国民经济的持续发展，国家和各省市加快了对公路、铁路等交通运输行业的投资建设力度。根据交通运输部数据，截至2017年末，全国铁路营业里程达到12.7万公里，全国公路总里程477.35万公里。公路与公路、公路与铁路的立体交叉越来越常见，为保证桥梁的正常施工，同时不影响跨越的铁路或公路，橋梁转体技术得到了大力推广。

在众多的转体桥梁中，平衡转体占大多数，不平衡转体技术难度高，较为少见。在不平衡转体中，为防止墩顶横梁挠度过大，增加不平衡转体稳定性，通常需要设计辅助转体的临时塔，因此临时塔设计成为转体的关键技术。

1工程概况

本工程位于武汉市常青路，跨越汉口火车站西咽喉区，主跨桥梁全长200m，与南北侧的常青路高架桥顺接;桥跨采用（95+105）m转体连续钢箱梁，桥面总宽51m，钢箱梁端部梁高3.0m，主墩处根部梁高6.5m，直腹板梁高按二次抛物线变化。钢箱梁单幅顶宽25.25m，底宽16.5m。

本桥上部结构为分幅钢箱梁，在墩顶用大横梁连接左右双幅桥，完成钢箱梁与转体系统的固定后，进行（91.4+43.8）m不等跨钢箱梁水平转体施工，转体重量高达8600吨，是国内最大规模的不平衡转体桥。

2 临时塔结构设计

临时塔立柱采用1200×24mm无缝钢管，横撑腹杆、斜腹杆采用426×12mm无缝钢管，锚点处横撑腹杆加强采用560×16mm无缝钢管，水平连接腹杆采用325×12mm无缝钢管。钢塔分节段制造安装，立柱钢管间采用剖口对接熔透焊，腹杆与立柱钢管间采用剖口相贯熔透焊，柱顶5m范围内填充C50微膨胀混凝土，以增强立柱的局部抗压强度。斜拉索采用热镀锌平行钢丝拉索，拉索型号PES7-253，斜拉索一端锚固在钢塔立柱上，另一端通过异形锚头配合锚栓与桥面板预留吊耳相连，在塔端张拉。临时塔结构形式如图1所示。

3 计算分析

3.1 荷载参数

（1）钢材自重荷载G1，其容重取78.5kN/m3。

（2） 混凝土自重荷载G2，其容重取23kN/m3，每根立柱柱顶5m范围内的混凝土自重为119.9 kN。

（3）拉索力Q1。临时拉索的张拉索力为4000 kN，最大索力为6000 kN。

（4）风荷载Q2。

风荷载强度W=K1K2K3W0

式中： W——风荷载强度（Pa）;

W0——基本风压值（Pa），查规范取值400Pa;

K1——风载体形系数，查规范取值0.8;

K2——风压高度变化系数，查规范取值1.0;

K3——地形、地理条件系数，查规范取值0.9;

其中风荷载强度按地面以上0.65倍钢塔高度处取值。

3.2 荷载组合

3.3 有限元整体分析

（1） 临时塔的整体分析用midas civil进行建模。

（2） 立柱、腹杆均为杆系单元，结构自重按程序自动计算。

（3）斜拉索采用仅受拉单元模拟。计算模型见图2～4。

根据计算模型提取结构内力，对各杆件进行计算分析，结果汇总如表2～3。

3.4 有限元细部分析

（1）临时塔的细部分析用midas FEA进行建模。

（2） 锚垫板、加劲肋、预埋导管等采用实体单元，内部填充的C50微膨胀混凝土采用实体单元。

（3） 网格划分采用六面体主导网格。计算模型见图5～6。

根据细部分析模型提取各构件的应力、变形分析结果，结果汇总如表4所示。

3.5稳定性分析

临时塔立柱为压弯构件，应进行受压稳定性计算，由于钢管宽厚比满足规范S3级截面要求，故无需验算其局部稳定性，此处做整体稳定性分析如下：

4结论

（1）通过midas civil建立有限元模型，对临时塔进行整体分析，结合手工计算，临时塔的应力及变形满足规范要求。临时塔的强度、刚度、稳定性均满足相关规范及转体的要求。

（2）由于自重影响斜拉索的等效弹性模量，斜拉索的有效索力以及斜拉索的倾角都会发生变化。本设计模型采用仅受拉单元模拟斜拉索，根据计算结果分析，以Z-1斜拉索为例，塔端应力464.2MPa>梁端应力462.3MPa，模型简化合理。

（3）通过midas FEA对塔端锚固进行细部分析，锚垫板、预埋导管、加劲肋等钢结构构件应力均小于200 MPa，应力和变形均满足规范要求。

（4）根据钢管立柱和填充混凝土的应力、变形结果，混凝土整体呈受压状态，钢管立柱与填充混凝土的变形是一致的，说明填充C50微膨胀混凝土对钢管立柱的变形起到了有效的支撑约束，局部填充混凝的设计实践效果良好。

（5）根据本项目实施中反馈的数据，对比计算分析结果，两者吻合良好，说明本设计是合理可行的，值得同类设计参考。

参考文献：

[1] GB 50017-2017，钢结构设计标准[S].

[2] JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].

[3] GB/T 18365-2018，斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索[S].

[4] 周水兴.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版杜，2001.

[5] 李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.