大跨缆索起重机索塔静力学性能分析*

徐 宏，周 敉，王亚美，杨 倩，许瑞龙

(1.中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054； 2.长安大学，陕西 西安 710064； 3.西安科技大学，陕西 西安 710054)

0 引言

缆索吊装在桥跨两岸布置索塔和缆索系统，通过起吊索垂直起降、牵引索沿主索轴向移动实现构件的垂直起吊、安装和平移等施工作业[1-4]。索塔结构是缆索起重机系统的核心构件和主要承重结构[5-7]，一般采用钢桁架形式，其强度、位移、稳定性对缆索吊装安全施工至关重要[8]，会直接影响缆索起重机系统的吊装能力和吊装范围。索塔的合理设计和可靠性验算是决定拱桥缆索吊装施工的关键因素[9]。本文以某钢管混凝土拱桥缆索吊装工程为例，采用有限元软件对索塔结构进行静力分析，验证索塔的力学性能，优化结构形式。

1 工程概况

渝黔铁路夜郎河特大桥主桥采用上承式劲性骨架钢筋混凝土X形提篮拱，拱肋计算跨径370m，矢高83.5m，矢跨比1/4.431 14，悬链线拱轴线系数3.5。根据主桥跨度布置及现场地形情况，桥梁上部结构采用“缆索吊装+斜拉扣挂法”施工方案。缆索起重机在索塔顶设横移装置，可实现提篮拱两拱肋间距变化的吊装工况。两索塔分别设置在3～4号墩(重庆侧索塔高93.06m)、8～9号墩(贵阳侧索塔高97.86m)，主索最大垂度44.5m，起重小车及吊具高10m，安全距离预留1.7m，如图1所示。

图1 缆索吊装布置(单位：m)

2 索塔结构设计

根据缆索起重机系统索塔的缆、扣塔布置形式分为缆、扣塔合一及缆、扣塔分离2种[10-13]。索塔多采用万能杆件、贝雷梁、钢管、型钢等杆件材料拼装而成[14]。

本工程缆塔采用缆、扣塔分离的布置形式，索塔结构为门式钢管桁架，底部采用铰接(见图2)。单肢立柱格构柱由4根φ800×16钢管与4根水平2[20通过抱箍型节点板螺栓连接。2肢格构柱沿竖向设置3道桁架结构平联，桁架主弦杆采用4根φ426×10 钢管，节间连接采用单榀[20；顶部横梁由4根φ426×16 钢管焊接而成，桁架高4.8m，立柱两侧横向节间距为4.75m，其余为4.5m；纵向节间距立柱部分为4.8m，顶部横梁为4m。桁架横梁顶面设置2根1 000mm×800mm钢箱梁滑道，滑道间焊接HN500×200 H 型钢。

图2 塔架结构设计(单位：m)

3 索塔受力分析

对缆索起重机索塔进行静力分析时，计算荷载主要包括索塔重力、施工荷载和风荷载等。缆索起重机设计包括主起重机和辅助起重机，根据现场工况分析，主起重机工作时，辅助起重机停止作业。索塔计算最不利工况为主起重机额载工况+辅助起重机空载工况。

3.1 200t缆索起重机自重荷载

索鞍自重V索鞍=10t，单个塔架上的索鞍数量n索鞍=2。

重庆侧索鞍对塔架的正压力V索塔重=(V索重+V索鞍)n索鞍=8 957kN，索鞍对塔架的水平力H索塔重=H索重·n索鞍=892kN，索鞍对塔架的横向力T索塔重=T索重·n索鞍=1 466kN。

同理计算贵阳侧荷载，得V索塔重=9 584kN，H索塔重=1 205kN，T索塔重=1 432kN。

3.2 10t辅助起重机荷载

索鞍自重V辅索鞍=2t，单个塔架上的索鞍数量n辅索鞍=2。

重庆侧索鞍对塔架的正压力V辅索塔重=(V辅索空+V索鞍)n索鞍=962kN，索鞍对塔架的水平力H辅索塔重=H辅索空·n索鞍=65kN，索鞍对塔架的横向力T辅索塔重=T辅索空·n索鞍=141kN。

同理计算贵阳侧荷载，得V辅索塔重=1 022kN，H辅索塔重=96kN，T辅索塔重=138kN。

3.3 风缆系统对塔架的荷载

3.3.1风缆计算(初始张力)

2)贵阳侧 4个索鞍空载时的横向力F空=772kN，4个索鞍重载时的横向力F重=1 570kN，预设横向平衡荷载T横=1 171kN。

综上对比看出，重庆侧横向力略大于贵阳侧，设预紧力取最大值T横=1 199kN；横向风缆数量n横=2； 横向风缆与塔架角度α1=45°，α2=38°。

3.3.2纵桥向缆风索初始预紧力

中间通风缆数量n2=2，后侧后风缆数量n3=8，重庆侧后风缆与水平向夹角θ1=25°，贵州侧后风缆与水平向夹角θ4=28°。

贵阳侧H水平贵=923kN，预设纵向平衡荷载H水平=Max(H水平重,H水平贵)=923kN，后风缆与水平向的最大夹角η=β=7°。

3.3.3缆风索最大受力

3.4 风荷载

由GB/T 3811—2008《起重机设计规范》可知6级风风速V=20m/s，计算风压P=250Pa，风力系数C=1.6， 结构充实系数φ=0.4，遮挡折减系数η′=0.4。为均匀加载各处风荷载，将风荷载转化为结构自重在纵向和横向等效加速度作用下产生的荷载。风荷载的等效加速度a纵=0.535m/s2，a横=0.202m/s2， 纵向风荷载F纵风=375.2kN，横向风荷载F横风=141.85kN。

4 索塔计算分析

根据实际地形，重庆侧索塔低于贵阳侧索塔，但两侧索塔设计形式一致，索塔取受力不利的贵阳侧索塔高度计算。

4.1 计算模型

立柱结构为由钢管和型钢组成的桁架结构，立柱间距为4.8m，高度方向节间距为4m，计算建模高度为98m(桁架顶面滑道部分高度未计入塔架总高度)。索塔中间设置3道横联，横联净间距20m。顶部设置钢管桁架横梁，横梁高度为4.8m。

采用有限元软件ANSYS进行建模分析，索塔塔架杆件均采用梁单元beam188模拟，横向缆风绳、通风缆、后风缆均采用link10单元模拟。模型共计11 312个单元，14 126个结点。

4.2 边界条件

塔架下部设置铰支座，约束立柱底部铰支座4个铰点设置为铰接约束(Ux=Uy=Uz=0)，各缆风绳的锚固端添加约束(Ux=Uy=Uz=0)。

4.3 工况分析

共分3种工况进行分析。①工况1 索鞍移至2号节段吊装工位，缆索起重机在跨中起吊，吊取节段重200t；②工况2 索鞍移至1号节段吊装工位，跨中吊取节段重160t；③工况3 索鞍移至索塔中间吊装工位，跨中吊取节段重180t。各工况荷载加载如图3所示。

图3 各工况荷载加载

计算各工况下索塔受力，如表1所示。

表1 不同工况索塔受力 kN

5 计算结果

索塔整体结构分析包括应力计算和整体稳定性验算，立柱主钢管、中部横联主弦管、顶部桁架为Q345钢材，立柱间连接系和横移滑道梁为Q235钢材。工况1的应力云图如图4所示。

图4 工况1应力云图(单位：Pa)

5.1 应力计算结果

1)工况1 立柱主钢管、中部横联主弦管、顶部桁架的构件最大应力为186MPa，在Q345钢材的许用应力237MPa范围内；索塔横移滑道梁最大应力为75.2MPa，在Q235钢材的许用应力170MPa范围内；立柱间连接系最大应力为186MPa>170MPa，将方案优化为双榀槽钢连接系增加双面钢板撑箱形截面，最大应力为100MPa，在Q235钢材的许用应力范围内。索塔顶部的最大变形为378mm。

2)工况2 立柱主钢管、中部横联主弦管、顶部桁架的构件最大应力为153MPa，在Q345钢材的许用应力范围内；索塔横移滑道梁最大应力为68.1MPa，在Q235钢材的许用应力范围内；立柱间连接系最大应力为164MPa，在Q235钢材的许用应力范围内。索塔顶部的最大变形为318mm。

3)工况3 立柱主钢管、中部横联主弦管、顶部桁架的构件最大应力为131MPa，在Q345钢材的许用应力范围内；索塔横移滑道梁最大应力为94.8MPa，在Q235钢材的许用应力范围内；立柱间连接系最大应力为96.8MPa，在Q235钢材的许用应力范围内。索塔顶部的最大变形为174mm。

5.2 铰支座支反力

贵阳侧索塔铰支座铰点布设如图5所示。3种工况下，索塔立柱铰点支反力如表2所示。由表2可知，工况1下铰支座3处于最不利受力状态，承受水平力105kN，竖向力8 324kN，横向力307kN。

图5 贵阳侧索塔铰支座铰点布设

表2 铰支座约束点支反力 kN

注：y轴正向为索塔垂直方向；x轴正向为索塔指向后风缆方向；z轴正向根据y，x轴按右手法则确定

铰支座荷载加载如图6所示，整体应力云图如图7所示。由图7可知，设计荷载作用下，上铰支座计算最大应力262MPa，在上铰支座轴孔板处，超出Q345钢材的许用应力，采用3cm厚钢板补强。下铰支座最大应力为203MPa，小于Q345钢材许用应力；销轴最大应力为98.5MPa，小于40Cr容许应力140MPa。这些均能满足材料使用要求。

图6 铰支座荷载

图7 铰支座整体应力云图(单位：Pa)

5.3 塔架稳定性计算

按塔架主弦管连接方式，将塔架两肢立柱视为四管格构柱进行稳定性验算。

计算结果表明，塔架整体稳定性满足要求。

6 结语

1)工况1在立柱、横联主弦管和顶部桁架部位，结构应力为3种工况中最大。其中，立柱间连接系超过构件材料的许用应力，截面由单榀槽钢优化为双榀槽钢且增加了双面钢板撑箱形截面。构件应力降低45%，截面优化后满足规范要求。

2)应力值的大小及位置会随工况的不同发生变化，需加强后续对索塔的施工监控。

3)以贵阳侧为例，铰支座3的支反力合力最大，工况1在水平力、竖直力和横向力3个方向比工况2分别大47%，10%和12%，比工况3分别大183.8%，59.8%，226.2%。因此，工况1施工时，要对铰支座的受力进行监控。