斜拉扣挂施工扣塔柱脚结构力学性能分析

王生泽，李臣嵘，赵小童，胡宗军, 牛忠荣

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

斜拉扣挂施工扣塔结构是重要承载结构[1]，拱肋自重等施工荷载均通过扣索传递到扣塔上。扣塔的偏位会直接影响拱肋的竖向位移和线形控制。夏季施工昼夜温差明显。根据对国内外桥梁的观察研究，温度导致的结构应力相当可观[2-4]。扣塔立于交界墩是常见的扣挂系统结构形式，长跨度引桥结构与交界墩混凝土材料热胀冷缩产生的变形对扣塔的力学性能也产生不利影响[5-7]。本文以MXH双线特大桥项目为工程依托，研究通过优化扣塔结构减小施工阶段温差产生的不利影响。

1 模型建立

1.1 工程背景

MXH双线特大桥主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥。主拱肋为变宽变高钢桁拱架，拱跨340m，矢高74m。主拱圈平面呈X形，分为拱脚分叉段和拱顶合并段，分叉段半幅采用3道横梁连接。拱轴Z轴(竖向)立面线形采用悬链线，Y轴(横桥向)竖面整体内倾3.48°，形成拱脚分叉的X型结构，拱脚中心距16m，拱顶轴线中心距7m。拱肋主弦管φ750×24mm，联接系为4肢组合角钢结构。

钢拱肋合抗拢如图1所示。

图1 MXH双线特大桥总体布置图

扣塔系统由交界墩、主塔架、引桥、扣索、锚索组成。扣塔系统总体布置如图2(a)所示。交界墩高为72.455m，底部承台跨17.117m，墩顶平台长9m，宽6m，材料为C40混凝土。引桥为T形截面，纵桥向长64m。扣塔主塔架高26.9m，采用钢管桁架结构，形成稳定的空间桁架结构。横桥向宽6.4m，纵桥向宽3.2m，材料为钢材Q345D。立柱采用6根φ630×20钢管，连接系杆件采用φ325×10钢管，主塔架顶部设3层张拉分配梁，张拉第6阶段到16阶段的扣锚索。交界墩横梁位置设置4层墩身张拉分配梁，主塔架布置如图2(b)所示。

图2 扣塔系统布置图

1.2 扣塔柱脚结构方案初拟

初步拟定3种扣塔结构方案如下：扣塔柱脚结构如图3所示。

图3 扣塔柱脚结构示意图

(1)方案1。扣塔1排柱脚ZJ1搭接于引桥上顶面。扣塔另外2排柱脚ZJ2、ZJ3搭接于交界墩的顶面，柱脚ZJ1、ZJ2、ZJ3柱底底板分别与引桥、交界墩顶的抄垫焊块满焊固定。引桥下底面与交界墩顶刚性连接。

(2)方案2。扣塔1排柱脚ZJ1搭接在引桥上顶面并且设置反扣滑移装置，在反扣卡槽中涂抹黄油，使柱脚ZJ1在水平面内纵桥向可滑移。扣塔另外2排柱脚ZJ2、ZJ3搭接于交界墩的顶面，柱底底板与交界墩顶的抄垫焊块满焊固定。引桥下底面与交界墩顶刚性连接。

(3)方案3。扣塔1排柱脚ZJ1搭接在引桥上顶面并且设置反扣滑移装置。在反扣卡槽中涂抹黄油，使柱脚ZJ1在水平面内纵桥向可滑移。扣塔另外2排柱脚ZJ2、ZJ3搭接于交界墩的顶面，柱底底板与交界墩顶的抄垫焊块满焊固定。引桥下底面与交界墩顶设置滑动铰，使水平纵桥向可滑移。

1.3 力学模型

根据扣塔系统自身特点，对扣塔柱脚部分进行一定的简化，建立力学模型如下：

(1)方案1。由于柱脚ZJ1、ZJ2、ZJ3分别与引桥、交界墩之间通过底板与抄垫焊块满焊固定，所以两者之间的连接方式采用刚接。引桥下底面与交界墩同样采用刚接。

(2)方案2。由于柱脚ZJ2、ZJ3与交界墩之间通过底板与抄垫焊块满焊固定，所以两者之间的连接方式采用刚接。柱脚ZJ1与交界墩之间设置了反扣滑移结构，即此处约束竖直方向位移和水平面内横桥方向位移，释放水平面内顺桥方向位移和节点的转动约束。引桥下底面与交界墩采用刚接。

(3)方案3。由于柱脚ZJ2、ZJ3与交界墩之间通过底板与抄垫焊块满焊，所以两者之间的连接方式采用刚接。柱脚ZJ1与交界墩之间设置了反扣滑移结构，即此处约束竖直方向位移和水平面内横桥方向位移，释放水平面内顺桥方向位移和节点的转动约束。引桥与交界墩之间采用滑动铰，其连接处约束竖直方向和水平面内横桥方向位移，释放水平面内顺桥方向位移和节点的转动约束。

1.4 有限元计算模型

本文使用大型有限元软件Midas/Civil进行力学计算分析。有限元模型根据该工程结构构造与位置关系，将主拱肋、交接墩、引桥、扣塔主塔架等结构建立于模型当中，斜拉扣挂施工从两岸同时进行，两岸扣塔结构相同位置对称，只选取其中1座进行施工阶段分析[8,9]，有限元模型如图4所示。模型共计4494个节点，8212个单元。整体建模主拱肋、扣锚索、扣塔体系变形协调，符合实际施工状态。

图4 有限元模型示意图

扣塔交界墩底、引桥未与扣塔接触一端、主拱肋钢箱梁底部与地面固结，约束3个方向平动自由度和3个方向转动自由度。锚索与锚碇之间采用铰接，约束3个平动自由度，释放3个方向转动自由度。

计算荷载分别为结构自重，施工过程中扣、锚索力和温度荷载。根据当地气候资料，考虑±20℃的温度变化。

模型以扣塔拱脚中心为坐标原点，沿拱桥轴线大里程方向(由引桥向主桥方向)为X轴正方向、平面上垂直X轴的下游侧为Y轴正方向、竖直向上为Z轴正方向。

2 计算结果

在各施工阶段分别对3种结构方案进行升温、降温计算，得到扣塔结构位移。扣塔底部柱脚在温度变化下的偏移结果如图5所示。横坐标表示相对应的施工阶段，纵坐标表示位移值。图中正位移表示扣塔由引桥侧向主桥侧的纵桥向偏移，负位移表示扣塔由主桥侧向引桥侧的纵桥向偏移。

图5 扣塔底部位移

±20℃的温度变化下长跨度引桥由于混凝土材料膨胀收缩产生为±23mm的水平纵桥向位移。方案1扣塔底部、引桥和交界墩完全固结，所以扣塔底部的位移与温度变化产生的引桥纵桥向位移一致；方案2扣塔底部与引桥之间虽设置滑移结构，但是扣塔与交界墩为固结，不设滑移铰，所以温度变化产生的引桥变形通过交界墩间接影响扣塔结构位移，所以各施工阶段，方案1、方案2中扣塔底部位移量完全与引桥变形量同步。由于方案3分别在引桥和扣塔柱脚、引桥和交界墩之间设置滑动装置，引桥和扣塔、交界墩可以产生相对位移，温度变化产生的引桥纵桥向位移能够自由释放，扣塔底部不会因温度变化而产生较大的偏位，各施工阶段位移量均小于10mm。

悬挂扣、锚索的分配梁位于扣塔顶部，施工过程中塔顶水平纵桥向偏移量直接影响拱肋的线形控制和安装精度。3种扣塔结构在各施工阶段受温度变化塔顶位移如图6所示。

图6 扣塔顶部位移

各阶段方案1、方案2塔顶偏移较大，极值达到了-35mm，但是随着施工阶段增加，扣、锚索力的增大，扣塔的位移量受到限制，对扣塔变形有益。起拱全过程中方案3塔顶位移量均可控制在15mm以内。

因长跨度引桥推动作用，扣塔底部局部变形对扣塔结构应力影响是关注的重点。受温差作用3种扣塔方案柱脚ZJ1、ZJ2、ZJ3组合应力对比如图7～图9所示。图中横轴表示施工阶段，纵轴表示组合应力值。Midas/Civil中组合应力为轴向应力和弯曲应力的叠加，“+”表示拉应力，“-”表示压应力。图中给出的柱脚组合应力值为1排3个柱脚的组合应力的最大值。

图7 柱脚ZJ1组合应力

图9 柱脚ZJ3组合应力

前5个施工阶段由于扣、锚索均挂于交界墩，扣塔只受重力和温度变化作用，未受索力作用，柱脚应力无变化。第6阶段开始，扣塔受重力、索力、温差共同作用。方案1、方案2扣塔柱脚ZJ1、ZJ2在施工过程中出现拉应力，这对柱脚焊缝和柱脚ZJ1与引桥之间的反扣滑移装置是非常不利的。方案2柱脚ZJ1设置了反卡扣滑移结构，这种结构抗拉能力差，柱脚出现的拉应力直接影响到现场施工的安全性。方案3柱脚ZJ1在温度变化下均为压应力，且各柱脚应力分布较均衡，各施工阶段应力变化平缓，安全可靠性更高。

温差下3种方案扣塔结构在各施工阶段最大组合应力结果如图10所示。3种方案最大应力变化趋势基本相同，扣塔主塔架采用Q345D钢材，结构最大应力值为-120MPa，满足强度规范要求。扣塔结构最大压应力多出现于底部斜杆和柱脚，在实际施工过程中应加强对气象的监测和该部位的监控与检修。

图10 扣塔结构最大应力

3 结 论

本文利用有限元软件Midas/Civil计算分析了在±20℃的温差下3种扣塔柱脚结构方案在施工过程中的力学性能，得到结论如下：

(1)方案3柱脚滑移结构搭配引桥底的滑动铰结构能够释放长跨度引桥在温度变化作用下产生的顺桥向位移，有效避免了引桥位移对扣塔结构位移场和应力场的影响。

(2)施工过程中，在温度变化作用下，方案1、方案2扣塔柱脚部位均出现了拉应力，方案3扣塔柱脚未出现拉应力，并且应力变化平稳，保证了结构安全可靠。

(3)方案3扣塔结构最大应力、位移均在许用范围内，满足刚度强度要求。

(4)根据对3种方案扣塔柱脚结构的比选，方案3扣塔结构能够抵抗温度对于结构的不利影响，并且强度刚度满足规范要求。方案3结构明显优于方案1、方案2，确定其为施工方案。通过有限元分析得到的强度、刚度结果可以为同类型的结构设计提供有效参考。