新型缆索吊塔架结构设计与受力分析

陆宁荣，郑 健

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

大跨径拱桥多采用缆索吊运斜拉扣挂施工技术，塔架作为拱圈施工重要的受力构件，其安全性直接决定整个工程的成败。传统缆索吊塔架结构主要有万能杆件塔架、钢管混凝土立柱塔架或型钢结构塔架。万能杆件塔架[1-2]结构通过固定规格的细小构件搭积木的方式进行快速拼装，具有施工成本低、杆件安拆方便快捷等优点，但是由于杆件数量多、杆件细小、结构刚度低等特点，导致施工工期长、安全风险大。因此，该种塔架结构类型多适应于中小跨径的拱桥施工。以主跨530 m钢管混凝土拱桥-合江长江一桥为例，其缆索吊运施工采用钢管混凝土立柱塔架结构，该塔架结构刚度大，具有结构变形小、拱圈线形方便控制等特点。然而，钢管混凝土塔架立柱不能周转，且切割拆除工作量较大，导致施工成本高[3]。基于此，文献[4-5]提出采用型钢立柱和万能杆件相结合的塔架结构形式，在一定程度上弥补了万能杆件刚度低、杆件数量多的特点，然而也存在结构装配化施工难度大、结构受力不均、材料用量大等问题。

基于此，本文提出一种装配式重型钢管塔架结构类型。该塔架主要由标准单元段、索鞍单元段、横联、塔顶钢梁四部分组成，采用格构式结构设计，杆件均为标准件，圆形截面，通过螺栓连接，标准单元段与索鞍单元段以搭积木的形式进行组合安装，100 m高塔架能在50 d内搭设完成，较传统万能杆件塔架结构可节省钢材21.4%，杆件数量减少80%以上，缩减了20%以上施工工期，操作简单高效、周转率高。

1 工程概况

1.1 项目概况

某大桥为跨径185 m下承式钢箱拱桥，桥跨布置为30 m+185 m+30 m。主跨185 m钢箱拱桥拱轴线为二次抛物线，理论跨径为185 m，矢高为46.25 m，矢跨比为1∶4。拱肋采用单室箱型截面，截面尺寸由拱顶4.5 m×4.5 m线性渐变至拱底6.0 m×6.0 m。

单侧主拱肋共分为10节段，以桥梁中心线对称布置，两岸以跨径中心对称，全桥共计10节段。各节段划分见图1。拱圈总重量为1 420 t，节段最大重量为217.8 t，桥面梁拱座及边跨段采用支架支撑，横向分5段(吊重控制在220 t以内)。

图1 拱桥节段划分图(mm)

1.2 缆索吊塔架结构设计

采用缆索吊运斜拉扣挂施工工艺，斜拉扣挂系统由锚拉板扣点、分配梁、前锚点、扣索、扣索鞍、后张拉锚固点等组成。

缆索吊装系统塔架可采用装配式重型钢管塔架搭设，竖向主承重管采用φ610 mm×14 mm钢管，立面斜杆采用φ219 mm×6 mm钢管，水平横杆和斜杆采用φ168 mm×5 mm钢管，横联采用φ168 mm×6.5 mm水平钢管和斜撑钢管。立柱主管的横向间距为4 m，纵向间距为4.9 m，竖向每个节间的高度也为4 m。

总体尺寸为：两岸塔架高度均为105.05 m，横桥向塔底总宽12 m，塔顶总宽17.5 m，顺桥向塔底总宽4.9 m，塔顶总宽4.9 m。塔架构造如图2所示。

2 塔架结构有限元分析

2.1 结构建模

通过Midas Civil软件建模，对塔架进行力学计算，所需各单元类型、材料名称和截面形状尺寸如表1所示。

2.2 结构荷载

塔架在结构重力、主索力、扣索力、缆风索力以及风力的组合荷载作用下，重点考察最不利荷载组合作用下塔架的内力、应力、位移、反力、张力情况，分析结果是否符合行业现行有关标准要求，并提出改进建议。Midas Civil

图2 塔架结构布置图(m)

软件用单元的体积和密度自动计算模型的自重，桁架、只受拉、只受压或梁单元的自重等于“截面”和“材料”输入的截面面积和比重乘以单元长度；主索力主要参考文献[6]开展结构计算，扣索力按照文献[7]方法计算。风荷载依据《起重机设计规范》(GB/T 3811-2008)计算，工作状态风荷载取六级风对应的10 min时距平均风速为13.8 m/s，非工作状态风荷载取十二级风对应的10 min时距平均风速为32.7 m/s。

表1 材料及杆件截面形状尺寸一览表

2.3 荷载组合

塔架在结构重力、主索力、扣索力、缆风索力以及风力的组合荷载作用下，重点考察最不利荷载组合作用下塔架的内力、应力、位移、反力、张力情况，分析结果是否符合行业现行有关标准要求，并提出改进建议。如表2所示。

表2 荷载组合说明表

2.4 计算结果

2.4.1 强度计算(表3)

由表3分析可知，整个施工过程中结构应力均在允许范围内，且最大应力为130.14 MPa，小于规范限值210 MPa，有较大的安全富余。

表3 塔架应力计算结果表(MPa)

2.4.2 位移计算

塔架塔顶位移所有荷载组合分析结果如表4所示。

由表4可知，100 m高塔架最大偏位为69.42 mm，小于规范限值250 mm，整个施工过程中结构刚度良好，且具有较大安全富余。

表4 塔架的位移计算结果表(mm)

2.4.3 稳定性计算

在最大悬臂阶段，运用Midas Civil软件进行屈曲分析计算程序，分别开展各个荷载组合作用下的稳定性验算，计算结果如表5所示。由表5可知，6种荷载组合工况下，最小稳定性系数为49.8，大于规范限值4.0，结构稳定性良好。

表5 各屈曲模态下不同荷载工况的稳定性系数计算结果表

3 结语

本文以某主跨185 m钢箱截面单肋拱为依托工程，采用装配式重型钢管塔架进行结构设计，采用Midas Civil软件对结构强度、刚度和稳定性进行计算分析，结果表明该方案设计合理且安全可靠，可为类似工程提供参考。