獨塔斜拉橋鋼拱塔豎轉施工穩定性分析及對策研究*

王向陽　夏小勇　韓麗麗

(武漢理工大學交通學院　武漢　430063)

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獨塔斜拉橋鋼拱塔豎轉施工穩定性分析及對策研究*

王向陽夏小勇韓麗麗

(武漢理工大學交通學院武漢430063)

摘要：針對獨塔斜拉橋鋼拱塔豎轉施工過程中豎轉體系的穩定性問題，以武漢市高新二路獨塔斜拉橋為研究背景，介紹了一種豎轉架和鋼拱塔相結合的雙向牽引的自平衡豎轉體系.利用通用有限元分析軟件ANSYS建立獨塔斜拉橋全橋模型，并在此基礎上對獨塔斜拉橋進行了穩定性計算分析.計算結果表明，在豎轉施工過程中該豎轉體系不會產生第一類和第二類失穩現象.最后，提出了兩條增強該豎轉體系穩定性的措施，以確保豎轉施工安全順利地進行和獨塔斜拉橋的正常使用.

關鍵詞：獨塔斜拉橋；豎轉施工；穩定性分析；鋼拱塔；豎轉架

王向陽(1971- )：男，博士，教授，主要研究領域為橋梁結構

*湖北省自然科學基金面上項目資助(批準號：2013CFB342)

0引言

斜拉橋鋼拱塔豎轉施工是近年來剛剛興起的一項施工技術，采用整體豎轉的施工方法進行鋼拱塔的吊裝，可降低鋼拱塔結構的高空拼裝工作難度，使鋼拱塔最終安裝精度得到了有效的保證.但這項新興的施工工藝也面臨著不小的施工挑戰：施工過程中豎轉體系的穩定性難以得到保證,豎轉到位后因拱腳變形而導致的焊接困難,等等.以往的工程實例中，為了保證豎轉體系的穩定性而采取的措施一般是增大結構的斷面尺寸,以及采用大型吊裝設備輔助豎轉.這些方法無疑會增大結構自重，增加工程造價.

文中以武漢市高新二路獨塔斜拉橋為研究背景，結合工程實踐提出了一種豎轉架和鋼拱塔結合的雙向牽引豎轉施工裝置，并對該豎轉體系進行穩定性計算分析，計算結果表明,該裝置能保證豎轉施工過程中豎轉體系的穩定性，同時也能達到保證施工安全、提高施工質量、節省施工成本的目的.

1工程概況

武漢市高新二路在《武漢科技新城總體規劃(修編)2005～2020》中被定性為生活性城市主干路，橋梁工程起于規劃十二路交叉口，自西向東依次跨越神墩一路、外環路，止于規劃上大路交叉口，形成高新二路高架橋.

高架橋橋跨布置為3×30 m(預應力混凝土連續箱梁)+30 m+32 m+54 m+32 m+30 m(預應力混凝土箱梁)+65 m+95 m(鋼箱梁獨塔斜拉橋)+3×30 m(預應力混凝土連續箱梁).高架橋主橋為獨塔雙索面獨塔斜拉橋，橋跨布置為:65 m+95 m，主梁采用鋼箱梁結構，梁高2.6 m；塔高66.1 m，主塔尺寸3.6 m×3.6 m，主塔外觀橫立面看呈斜伸的網球拍形，與豎直方向立面呈10°的傾斜角.

由于特殊的結構造型及現場施工條件的限制，鋼拱塔的安裝無法采用常規吊裝方法進行施工.結合工程實際，采用整體豎轉的施工方法進行斜拉橋鋼拱塔的吊裝，實際工程中，鋼塔從初始位置(與平面成15°夾角)豎轉至目標位置(與平面成80°夾角)是一個連續的動態過程，文中選取了5個靜態工況，通過其變化趨勢來模擬這一豎轉過程.根據設計資料，將該施工過程分為以下5個工況：鋼塔豎轉初始工況(15°工況)、鋼塔豎轉中間工況(30°工況)、鋼塔豎轉中間工況(45°工況)、鋼塔豎轉中間工況(60°工況)、鋼塔豎轉完成工況(80°工況).

鋼拱塔結構在豎轉過程中受到重力及兩根牽引索的拉力作用會產生變形.拉索的拉力可以分解為垂直鋼拱塔方向和順塔方向的2個力，垂直鋼拱塔方向的力使鋼拱塔沿拱腳提升，而順塔方向的力則會使鋼拱塔產生豎向變形甚至發生屈曲.計算得到鋼拱塔產生線性屈曲的荷載值為1.63×108N.實際豎轉過程中，鋼拱塔承受的最大豎向荷載為3.59×106N.

該豎轉體系主要包括：鋼拱塔、豎轉架、鋼箱梁、豎轉鉸、防滑移支座、豎轉架鉸座、前拉索、后拉索、平衡索和穩定索，見圖1.前拉索一端連接鋼拱塔前拉索錨點，另一端連接豎轉架前端耳板；后拉索一端連接豎轉架后端耳板，另一端通過連接鋼箱梁后拉索錨；平衡索一端連接鋼拱塔平衡索錨點，另一端連接鋼箱梁平衡索錨點；穩定索通過穩定索連接件安裝在鋼拱塔穩定索錨點上.鋼拱塔、豎轉架和前后拉索是本次豎轉施工采用的雙向牽引豎轉體系的重要組成部分，其穩定性直接關系到施工過程的安全性.

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圖1　雙向牽引的豎轉體系

2豎轉體系穩定性分析的有限元方法

根據失穩的性質，結構穩定性問題可以分為以下3種.第一種是荷載達到某個值時，除了結構原來的平衡狀態外出現了第二個平衡狀態，故又稱為分枝點失穩，這類問題在數學上處理為求解特征值問題，故又稱為特征值屈服分析.第二種是結構失穩時，變形將大大發展，而不會出現新的變形形式，即平衡狀態不發生質變，也稱為極值點失穩[2]，結構失穩時，相應的荷載稱為極限荷載.大多數結構的失穩問題屬于第二類失穩問題.第三種是當荷載達到某個值時結構平衡狀態發生跳躍，突然過渡到另一個具有較大位移的平衡狀態，也稱跳躍失穩.

接著對豎轉體系進行非線性穩定分析，計算過程主要是通過不斷的試算，調整施加荷載的大小，最終求得結構達到塑性極限狀態時荷載的大小及發生塑性變形的區域.

2.1計算理論

為了驗證豎轉體系的穩定性，采用通用有限元分析軟件ANSYS，用梁單元模擬鋼箱梁、鋼塔及豎轉架，桁架單元模擬斜拉索，建立了鋼塔豎轉施工各工況下的獨塔斜拉橋上部結構有限元模型，見圖2.在已建立的有限元模型基礎上對豎轉體系完成工況進行穩定性計算分析[5-8].

第二類和第三類失穩問題，在ANSYS中對應的是非線性分析.非線性穩定分析采用一種逐漸增加荷載的辦法來求得使結構開始變得不穩定時的臨界荷載，它是在大變形效應開關打開(NL- GEOM,ON)的情況下所做的一種靜力分析，該分析過程一直進行到結構的極限荷載.分析過程中可包含塑性等非線性選項.非線性穩定分析考慮了結構的初始缺陷，結果比特征值屈曲分析精確，常用于對實際結構進行分析、設計.

第四，研究前沿時序圖譜表明，政府機構改革前沿主題較多，學科交叉特征十分明顯，前沿量化研究方法正在該領域盛行?！罢误w制改革”“政府機構設置”“行政管理”“管理體制改革”“機構編制”等熱詞開始進入政府機構改革的研究領域，推動本課題的研究往縱深方向發展。

現有一段全長43.34km的高速公路，其上層結構為4cm厚的細粒式改性瀝青混凝土，中間結構為6cm厚的中粒式改性瀝青混凝土，總厚度為10cm。

2.2獨塔斜拉橋的有限元模擬

對于第一類失穩問題采用結構彈性穩定分析，目的是求解臨界荷載，在ANSYS中對應的是特征值屈曲分析.特征值屈曲荷載是預期的非線性屈曲荷載的上限，特征值矢量屈曲形狀可作為非線性屈曲分析時施加初始缺陷或擾動荷載的依據，預先進行特征值穩定分析有助于非線性屈曲分析[3-4].

圖2　獨塔斜拉橋全橋有限元模型

3穩定性計算結果及分析

經過特征值屈曲分析，提取獨塔斜拉橋完成工況的前15階固有頻率和振型，見表1.

由表1可見，該獨塔斜拉橋的基本周期為2.201 6 s，比其他漂浮體系的斜拉橋短，這與其墩、梁、塔剛構的體系有關，其第1階頻率明顯低于第2階頻率，也與該橋的體系有關；該獨塔斜拉橋左右跨跨徑不同，這種不對稱在振型中有明顯體現；主梁截面抗扭慣矩比鋼拱塔、豎轉架大，故在第4振型和第5振型出現了鋼塔、豎轉架扭轉；在前10階振型中鋼塔、豎轉架出現彎曲和扭轉的頻率較高，其剛度值得注意.

表1　獨塔斜拉橋自振頻率和振型

圖3為豎轉架第一階屈曲模態，計算得到，豎轉架產生線性屈曲的荷載約為6.30×107N.實際豎轉過程中，豎轉架承受的最大壓力為2.74×106N.

圖3　豎轉架第1階屈曲模態

從全固態離子選擇性電極信號傳遞原理看，固體接觸材料除了可利用納米材料較大電容性在離子選擇膜和電子導體之間發揮離子到電子傳導作用外，還可以借助疏水的導電高分子材料通過發生氧化還原反應(或摻雜反應)將擴散到電極的離子轉化為電子，繼而通過導電基底。

由特征值屈曲分析計算結果可以看出：在整個體系中，豎轉架和鋼拱塔的穩定性較其他部位更差；豎轉架特征值屈曲分析的穩定安全系數為23.0，鋼拱塔特征值屈曲分析的穩定安全系數為45.4，穩定安全系數表明，豎轉架和鋼拱塔不會發生第一類失穩；在豎轉過程中，豎轉架外側下部桿件發生失穩和破壞的風險高于其他部位，在豎轉架制作拼接過程中應格外注意該部分的施工質量.

結構在荷載作用下由于材料的彈性性能而發生變形，若變形后結構上的荷載保持平衡，這種狀態成為平衡狀態.對于在某一荷載作用下處于平衡狀態的結構，當荷載達到某一值時，若增加一個微小增量，則結構的平衡位形發生很大變化，結構由原平衡狀態經過不穩定的平衡狀態而達到一個新的穩定的平衡狀態[1]，這一過程就是失穩或屈曲.

由試算結果，當荷載超過8.00×106N 時，豎轉架位移會無限增大，不再收斂，說明豎轉架的塑性極限荷載為8.00×106N.豎轉施工過程中，豎轉架承受的最大壓力為2.74×106N.圖4是豎轉架等效塑性應變云圖，隨著荷載的不斷增加，豎轉架的外側桿件的下部最先發生塑性破壞.圖5為鋼塔塑性極限變形圖.

圖4　豎轉架等效塑性應變云圖

圖5　鋼塔塑性極限變形圖

對鋼拱塔，其塑性極限荷載值為4.80×107N.實際豎轉過程中，豎轉架承受的最大壓力為3.59×106N.

由非線性分析計算結果可知,豎轉架穩定安全系數為2.9，鋼拱塔穩定安全系數為13.4，穩定安全系數表明，豎轉架和鋼拱塔不會發生第二類失穩.

以堤防、涵閘、泵站、灌區為主體的水利風景區等都屬于此類。工程型水利風景區相對于水庫型限制條件較少，尤其是對水質要求較低。因此，一方面可以沿堤觀賞江河兩岸宜人的自然風光，另一方面可在特定區域開展一些水上休閑娛樂等項目。但需注意，應該避免在泄洪區域修建相關設施，應選取壩上作為活動區域，并注意洪區季節性的影響，與周邊度假區配合，保證淡季游客流量。

4增強結構穩定性的對策

見圖6，在D3節段第二處隔板處增加2個鋼絞線錨座，每束鋼絞線由14根預應力鋼絞線組成，初始張拉索力為單根40 kN，單根鋼絞線束索力560 kN，總索力1 120 kN.豎轉張拉開始后，待后拉索(提升鋼絞線束)載荷達到1/2額定載荷時，開始張拉穩定索.穩定索采用100 kN張拉千斤頂單根張拉，盡量保證索力均勻.豎轉完成后，穩定索將會拆除.

4.1安裝穩定索

作為控制拱腳處應力和位移的關鍵裝置，穩定索的安放位置既要保證索力的充分利用，又要防止穩定索釋放后鋼拱塔因振動而產生的橫橋向失穩.索力的選用根據鋼拱塔在拱腳產生的橫向推力估算，應保證鋼拱塔豎向轉體就位后拱腳處的橫向水平位移為零.

正當的法律程序可以給行政主體和行政相對人以正當的約束和引導，特別是成文的程序法不僅具有控制行政行為的職能，還可以對行政主體的自由裁量行為進行監督，有利于行政主體依法行使職權，有效克服實體法的缺陷，補充實體法本身的不足，以其特有的功能補充實體法控制權力的不足，達到權力與權利的平衡、效率與自由的協調、形式合理性與實體合理性的結合。水行政執法過程中，執法主體和執法人員的素質參差不齊，如任由其追求執法目標而不對其執法過程加以監督和制約，必定會帶來諸多負面影響。通過正當法律程序的指導和約束，可以對水政監察機關的執法行為進行必要的監督。

由豎轉體系穩定性計算分析結果可知，在豎轉過程中豎轉架和鋼拱塔不會發生第一類和第二類安全失穩.但考慮計算模型與現場的施工過程存在的差異性，以及鋼拱塔作為永久設施的重要性，為了保證豎轉過程和正常使用過程中獨塔斜拉橋的絕對安全，提出了兩種增強鋼拱塔穩定性的措施[9-10].

圖6　穩定索安裝示意圖

鋼拱塔安裝了穩定索后，塔腳的位移及應力都有所減小.經過計算，鋼拱塔在80°工況時，塔腳的應力約為9.24 MPa(見圖7)，和不設穩定索時的應力30.5 MPa相比減小了69.7%，橫向位移僅為1.2×10-5m.這些都說明穩定索的安裝很大程度地改善了拱腳處的應力和位移狀況，提高了豎轉體系的穩定性.

韃靼部起初入據河套，首先，是出于在蒙古部落內部發展強大的需要。也先土木之戰的勝利，不僅暴露了明朝邊防的空虛，也使韃靼部感到嚴重威脅，為了抑制瓦剌勢力的繼續擴張，韃靼部企圖占領位于東西通道上的河套地區。其次，是游牧經濟自身的缺陷決定了韃靼部在農產品、日常生活用品等方面不能自給自足，所以韃靼部迫切需要與內地進行經濟聯系。河套地區是聯系蒙古和中原的紐帶，自然就成為天然的交換通道。

圖7　鋼拱塔應力云圖

4.2安裝平衡索

若說有什么缺憾之處，我總感倘全書備有人物、劇名等索引，估計更便于讀者查檢事實，可更能體現圖志本身已經具有的工具書之價值。

鋼拱塔在雙向提升裝置的牽引下，緩緩離開胚架，在豎轉的過程中，為了提高鋼拱塔的穩定性，在鋼塔上設置了平衡索，安裝位置見圖8.平衡索能保證豎轉過程中索力始終保持在安全索力以上，避免夾片式錨具松錨，保證豎轉體系的穩定性.若不設置平衡索，鋼拱塔在豎轉過程中重心將不斷前移，特別是小傾斜角度鋼拱塔的豎轉體系重心很可能超出豎轉鉸垂面，造成整體向牽引方向傾覆.

圖8　平衡索安裝示意圖

平衡索為兩束鋼絞線，每束9根鋼筋，鋼絞線的一段與主梁連接，另一端錨固在鋼鋼拱塔上，通過索力控制鋼拱塔的位移.平衡索從鋼鋼拱塔豎轉到70°工況后開始工作，到達完成工況(80°工況)時單根拉鎖索力為40 kN，以保證整體結構受力平衡，防止鋼拱塔整體傾倒.平衡索在斜拉索安裝完畢后卸載.

中本聰提出一種點到點的現金系統[1]，并在2009年公開了源代碼。通過社區的推進，人們開始嘗試使用比特幣進行支付，第一個例子就是使用一萬個比特幣購買一個披薩。比特幣源于社區，并自帶粉絲，社區內成員自我鑄幣、自我消費。繼比特幣之后，出現了如萊特幣[2]、點點幣[3]、名字幣[4]等以各種名目發行的密碼貨幣，因其總量固定，所以粉絲越多其匯率越高。

5結論

1) 對該雙向牽引豎轉體系的穩定性分析結果表明：豎轉過程中體系穩定性可以得到保障，豎轉架及鋼拱塔所受到的荷載均小于其線性屈曲臨界荷載及塑性極限荷載，兩個關鍵結構的穩定性也可以得到保障.

2) 在豎轉過程中，穩定索的設置能顯著改善拱鉸處的位移和應力狀況，增強了鋼拱塔的穩定性.

3) 平衡索的采用能避免整個豎轉體系的傾覆，保證了豎轉過程中該雙向牽引豎轉體系的整體穩定性.

參 考 文 獻

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[5]鞠彥忠,劉維春.基于ANSYS的獨塔斜拉橋非線性分析[J].東北電力大學學報,2007,27(1):11-14.

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Research on Stability and Control Measures of

Single Tower Cable-stayed Bridge

WANG XiangyangXIA XiaoyongHAN Lili

(SchoolofTransprotation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Based on the single tower cable-stayed bridge on Gaoxin 2nd Road in Wuhan, a vertical rotation system incorporating vertical turret and steel arch pylon was proposed. The model of the whole bridge was built by the FEM program ANSYS and the stability of the single tower cable-stayed bridge was analyzed. The vertical rotation system won’t lose it’s balance in the construction process according to the calculation results. Finally, two preventative measures were proposed to ensure the stability of the vertical rotation systeml and the complete function of the single tower cable-stayed bridge.

Key words：single tower cable-stayed bridge; vertical rotation construction; stability analisis; steel arch pylon; vertical turret

收稿日期：2015-11-16

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.004

中圖法分類號：TU311.41