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

■高兴赞 游德泉 李琼慧

(1.湖北交投宜昌投资开发有限公司，宜昌 443000;2.福建省交通科学技术研究所，福州 350004;3.湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430050）

1 概述

某城市高新二路独塔斜拉桥主桥为独塔双索面斜拉桥，桥跨布置为（65+95）m。塔高 66.116m，主塔尺寸 3.6m×3.6m，主梁采用钢箱梁结构。主桥立面布置如图1所示，主梁箱梁标准横断面如图2所示。主桥主梁采用钢箱梁，梁段横断面为整体式闭合箱型断面，钢箱梁采用全焊结构。箱梁梁高为2.6m，设置坡度大小为1.5%的双向横坡，顶板宽36.0m，底板宽26.6m。顶板板厚16mm，腹板厚为16mm与30mm两种，横隔板间距分别为 2.5m、3.0m、3.5m。

图1 主桥立面图（单位：m）

图2 主梁箱梁标准横断面（单位：mm）

钢拱塔外观从横立面看呈网球拍型，塔高约66.1m，与竖直向成10°夹角。其中桥面标高以上部分约63.5m；主塔采用钢箱截面，截面尺寸为3.6m×3.6m，板厚8～40mm；材料采用Q345qD钢材，顶底板及腹板均设置纵向加劲肋，加劲肋间距0.72m。主塔钢箱约每3m设置一道带镶边的横隔板。塔上设置钢锚箱，斜拉索锚固于钢锚箱内。

2 转体施工过程

根据桥体的转动方向不同可以分为三类转体施工法：水平转体施工法、竖向转体施工法与平竖转结合施工法[1]。早在20世纪40年代竖转法就已经出现了，这是最早出现的转体施工法[2]。常用的转体方法有两种：一种是利用三角架起扳进行转体，另一种是利用竖转架进行转体[3]。高新二路独塔斜拉桥由于场地限制及钢塔受力分析后选用了塔架竖提转体的方法。

钢塔整体拼装钢塔自重848.41t，分为15个箱梁，D0至D7段为左右镜像形式，D8节段为单节段，如图3所示：

图3 钢塔外形及安装分段示意图

现场钢塔整体组装胎架与钢塔桥面成15°夹角，现场胎架搭建按照钢塔整体与桥面成13°夹角投影放地样，所有准备工作准备结束后，启动液压千斤顶，开始竖转；当钢拱塔竖转到与地面呈80°夹角位置后，系统将停机，在此期间将所有夹持器夹紧，转体过程如图4，图5，图6所示。

图4 竖转初始位

图5 钢塔竖转过程示意

图6 钢塔竖转到位

3 有限元模型的建立

ANSYS建立斜拉梁模型时根据不同的结构受力特点主梁会选择不同的建模方式[4]。高新二路独塔斜拉桥空间有限元模型采用了单主梁形式。梁与塔均用三维弹性梁BEAM 188单元[5]模拟。本模型未对下部结构进行建模，只将箱梁的两个边墩和钢塔拱座进行了约束，空间模型的模型如图7所示。在使用BEAM 188这种单元建立模型时，采用了它的任意截面功能，即将梁与塔的实际截面导入建模。首先将实际截面的CAD图形生成面域并输出SAT格式文件，将该截面导入ANSYS，再对这个截面进行网格划分，SECWRITE这个面，保存截面为SECT文件，这样就创建了这个任意截面，最后用SECREAD命令读入即可。

图7 有限元计算模型

4 有限元模型静力计算

设定不同位置作为计算量测的关键点，如图8所示。考虑桥钢塔竖转初始工况（15°工况）、竖转中间工况（30°工况）、桥拱竖转中间工况（45°工况）、桥拱竖转中间工况（60°工况）、桥拱竖转完成工况（80°工况）等 5 个计算工况，按照设计和施工所确定的施工工序，以及设计所提供的基本参数，对结构进行分析，包括：

（1）各施工状态下的理论数据：主梁标高、钢塔轴线变位、拉索索力以及控制截面应力。

（2）施工过程中桥梁结构各控制点的局部应力应变。

图8 关键点位置示意图

通过对 15°工况、30°工况、45°工况、60°工况、80°工况5个工况计算结果的分析,得到了各个施工阶段钢箱梁、钢塔的应力和位移、斜拉索的索力。

计算分析结果表明,钢箱梁的位移在五个工况中变化不大，均如图9所示。

图9 箱梁变形曲线

钢箱梁上缘最大压应力为28.11MPa,下缘最大拉应力为29.28 MPa；最大应力出现在支点处，上述应力均小于公路桥规的容许应力值。

钢塔的变形趋势在五个工况中保持一致变形，钢塔的变形主要呈向内收缩的趋势，拱角往内收缩，最大的位移为1.2cm。

在整个外塔提升过程中，在初始15°状态时，前、后拉索索力最大，随竖转进行至竖转就位，索力逐渐减小，变化趋势如图10所示。

图10 前后拉索索力变化

5 结论

为保证竖转过程中钢拱塔的强度、刚度满足规范要求，对主塔竖转过程进行施工跟踪模拟计算分析，建立了有限元分析计算模型，主要对初始提升状态、不同角度下的悬停状态和最终竖转到位的状态进行计算。通过静力分析得出了以下结果：

（1）钢塔竖转过程中最大位移出现在30°工况的塔顶，最大竖向位移6.4cm，在安全范围内；最大横向位移9cm,施工中需利用塔吊、千斤顶、倒链以及楔子等对其轴线偏差以及标高偏差进行校正，钢塔最大综合应力为38.3MPa，小于许用应力160 MPa（有焊缝）；

（2）竖转架的最大综合应力为110 MPa,位置在竖转架架脚，小于许用应力257 MPa故施工过程安全；

（3）拉锁的初始15°工况的索力最大为4157kN，小于拉锁单根最大破断力6250kN，施工中拉锁安全；

（4）同其它方案相比，竖向转体施工具有施工时间短，避免高空作业，竖转时采用计算机全过程控制，使其更安全、可靠等优点。

[1]张健峰，钟启宾.桥梁水平转体法施工的成就及发展[J].铁道标准设计，1992，（6）.

[2]陈宝春，等.桥梁转体施工方法在我国的应用与发展[J].公路交通科技，2001（18）:24-28.

[3]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（1）:76-79.

[4]任瑞雪.混合梁斜拉桥施工全过程几何非线性影响分析与施工控制[D].长沙理工大学硕士论文,2009.

[5]ANSYS Theory Reference（Release 5.6）Nov.1999（12-4～12-6）.