某斜拉桥钢塔柱门式吊装塔架仿真分析

王智龙 钱栋栋 栾坤鹏

1 钢塔柱门式吊装塔架结构简介

某斜拉桥索塔总高度为 97m。下塔柱和中塔柱为混凝土塔柱高54m，上塔柱为斜拉索锚固区高29.5m，塔冠13.5m，均采用钢塔柱。钢塔柱采用箱形断面，共分为 7个节段，最大节段吊重为 65 t。结合大桥桥位所处实际情况，在专家评审会上，大家一致同意采用固定型门式吊架固结在混凝土塔柱上吊装钢塔柱，因为门架结构稳定，一次成型，刚度大，变形小，重量不大，现场配合塔吊拼装，安全可靠，对钢塔自身结构无影响。

本桥钢塔柱吊装塔架设施充分结合设计情况、吊装重量，采用稳妥、安全的万能杆件固定型门式吊机，设计吊装重量 70 t，满足设计要求，固定型门式吊机由附着在中塔柱上的吊机基础、门式支架、纵向稳定风缆、顶部活动起重小车组成。

门式吊装塔架基础采用型钢支架，上部预埋型钢及锚筋与中塔柱拉结，下部与中塔柱中预埋件焊接形成稳定的支撑体系，基础顶面设置水平联系及斜杆，确保主桁架稳定并形成操作平台，以便安装门吊支架。门式吊装塔架采用万能杆件组拼而成，支承于门架型钢基础上，门架高度36m，纵向宽4m，横向宽2m，间距6m。顶部设纵向加长，边跨方向加长 6 m，满足钢索塔吊装的悬臂距离和满足支架顶部设置横向联系;中跨方向加长 2m，设置横向联系。

门架所用材料包括:竖杆 2×L120×120×10，斜杆 2×L100× 100×10，横杆 2×L75×75×8，Ⅰ50b;门架基础所用材料包括:Ⅰ32b工字钢、2×32b槽钢、2×28b槽钢。结构钢材均采用Q 235-A钢。Q 235-A钢弹性模量、泊松比、密度、许用应力等均按 GB 50017钢结构设计规范的规定取值，其中钢材抗拉、抗压、抗弯强度:f=205MPa，钢材抗剪强度:fv=120MPa。

2 有限元模型的建立

2.1 结构空间几何模型

门式吊装塔架结构的强度计算采用大型空间有限元分析软件Midas/civil 2006对整个结构进行整体有限元分析。

在模型建立过程中，门式吊架基础的型钢支架、水平联系、斜杆等均采用梁单元进行模拟，万能杆件拼装门式吊架用桁架单元模拟。

坐标系约定为沿吊装塔架长度方向中跨侧为 X轴正方向，沿高度方向向上为Z轴正方向，沿宽度方向向左为Y轴正方向，后面所提及的 X，Y，Z方向均与此一致。门式吊装塔架整体几何模型图和吊装塔架基础如图1，图 2所示。

2.2 约束条件

在门式吊装塔架的计算过程中，考虑到塔架在实际吊装中的受力情况，取吊装最大钢塔柱节段(重量61 t)为受力最不利工况进行约束条件限制。

2.2.1 边界条件

门式吊装塔架基础与预埋在混凝土塔柱中的预埋件焊接，共12个节点，顶层6个点约束X，Y，Z三个方向的平动，Y，Z方向的转动，释放X方向转动;底层6个点约束X，Y，Z三个方向的平动，Y方向的转动，释放X，Z方向转动。偏安全考虑释放托架水平联系及斜杆联系梁单元转动约束。

2.2.2 荷载情况

模型计算中考虑的荷载有:自重;吊装载荷;人群及施工载荷取1.5 kN/m2;顶部吊装移动小车及设备。吊装塔架自重为程序自动加载;吊装钢塔柱节段最大荷载为 61 t，加上吊具及冲击系数小计74 t;人群及施工荷载小计4 t;顶部吊装移动小车及设备小计20 t。吊装荷载总计98 t，按最不利条件下，偏安全以偏载考虑加载到顶层桁架起吊小车能够移动到的悬臂最大距离处，一侧 2× 26 t，一侧 2×23 t，以节点荷载形式加载到桁架四个受力节点上。

3 有限元计算结果分析

对门式吊装塔架结构进行承载能力极限状态下的分析计算，得到如下结果。

3.1 应力结果

由模型有限元计算结果可知在最不利荷载工况下门式吊装塔架基础托架杆件最大压应力为-116.0MPa，最大拉应力为118.0MPa。万能杆件拼装桁架最大压应力在桁架与托架交接处为-111.9MPa，最大拉应力为45.9MPa，应力较大部位主要集中在吊装荷载一侧的托架处和桁架竖杆上。

3.2 位移结果

吊装荷载加载前后吊装节点位移变化值为32-3=29mm，满足刚度要求。

3.3 稳定性分析

进行屈曲稳定性分析时，外荷载类型有:永久作用以及吊装最大荷载。这种状态下，门式吊装塔架基础荷载吊装侧外托架在第 1阶发生侧面向外失稳，安全系数为 6.54。失稳形态见图 3。

4 结语

门式吊装塔架结构分析结论:1)在最不利工况下结构的最大应力出现在吊装钢塔柱一侧的托架处和桁架竖杆上，其应力值为117 MPa和 112 MPa，据此，结构应力均小于材料的许用应力170 MPa，满足结构强度要求;2)最不利工况下结构的最大变形为29mm，小于L/500，满足结构的刚度要求;3)屈曲分析结果及屈曲模态特征表明，吊装塔架局部最小稳定安全系数为 6.5，大于第一类稳定安全系数 4.0，满足稳定安全性要求。

采用门式吊装塔架很好的适应了该斜拉桥主塔钢塔柱的结构特点，有效的保证了施工安全和工期，节约投资成本，至现在已经完成了全部钢塔柱吊装，见图 4。同时也证明了该结构仿真分析计算的准确性。

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