2100t鋼索塔豎提施工結構受力分析

魏 崗，秦利升，卞北平，曾健賓

（1.中國核工業華興建設有限公司基礎事業部，江蘇南京210019；2.上海同新機電控制技術有限公司開發部，上海200949；3.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804）

豎提施工方法是指施工過程中采用大節段吊裝與豎轉相結合的方法[1]。當橋位處無水或水很少時，可以將拱肋在橋位進行拼裝成半跨，然后用扒桿起吊安裝。當橋位處水較深時，可以在橋位附近進行拼裝成半跨，浮運至橋軸線位置，再用扒桿起吊安裝[5]。

港珠澳大橋九洲航道橋采用雙塔中央雙索而鋼一混組合梁斜拉橋，主跨單孔雙向通航，全長693 m，塔梁固結，輔助墩和邊墩均為活動支承[1]。港珠澳大橋港珠澳九州橋鋼塔豎轉項目，鋼塔質量1 400 t，豎轉角度為90°。而本文研究對象——陜西省韓城市太史大街西延橋梁鋼索塔，質量達2 100 t，豎轉角度90°為目前同類型轉體施工鋼索塔質量之最。

1 工程概述

太史大街西延橋梁為跨徑108+128 m的獨塔雙索面鋼拱鋼梁斜拉橋，如圖1所示。

圖1 西延橋與鋼索塔主視圖Fig.1 Main view of the Xiyan Bridge and the cable tower

主塔采用拱形塔結構，全塔采用鋼結構，塔高為117.5 m，橋面以上塔高76.5 m，橋面以下為41 m。索塔截面尺寸縱橋向由拱腳向拱頂逐漸變化，拱腳截面尺寸為6 000 mm（縱橋向）×5 312 mm（橫橋向），拱頂截面尺寸為3 500 mm（縱橋向）×4 000 mm（橫橋向）。豎向采用板肋加勁，沿拱軸線每隔2 000～3 000 mm（高度方向）設置一道橫隔板，橫隔板板厚16～25 mm。索塔采用箱型截面，壁板厚25～35 mm。

主塔提升質量約2 100 t，采用邊提升、邊轉體的方式施工。在主塔承臺中間設置4個79.5 m高、4 m×4 m塔架作為提升支架，并在塔頂設置提升梁，布置6臺560 t提升油缸。在主塔約70 m處設置錨固橫梁，作為鋼絞線錨固結構。在塔底設置4條滑移軌道，并設置4臺100 t牽引油缸。順橋向設置4組纜風繩，每組纜風繩設置2臺200 t油缸。

鋼索塔豎提過程如圖2所示。由于提升拱塔高度非常高，為降低提升塔架高度，在提升過程中，纜風繩與提升拱塔端部會發生干涉。因此，需要在提升過程中，更換一次纜風繩[2]。

2 總體計算

2.1 計算模型

在索塔豎轉過程中，豎轉提升支架為主要受力構件，提升支架系統的結構安全直接決定著整個豎轉提升能否順利完成。因此，對豎轉提升支架必須進行全面詳細的仿真分析[3]。

圖2 鋼索塔豎提過程示意圖Fig.2 A sketch map of the vertical lifting process of a steel cable tower

提升塔架如圖3所示，采用4 m×4 m格構式塔架，共4組，79.5 m高，標準段高度6 m，頂節高8.5 m，底節高6 m。立桿截面為工字型截面，截面尺寸為428 mm×407 mm×20 mm×35 mm，斜腹桿截面為圓形截面，直徑為159 mm。4組塔架橫橋向間距13 m，順橋向間距14 m，整體偏P24側1 m，為錨梁在提升過程中預留空間。順橋向設置4組纜風（至少2組同時工作），橫橋向設置3道聯系桁架，保證塔架在側向力作用下的穩定。

提升塔架采用樁基礎，對應塔架立柱位置布置16根直徑1 m鉆孔灌注樁，承臺厚度1.5 m，單樁承載力約400 t。

為弄清豎轉過程中鋼索塔受力情況，在Midas civil（v8.32）中建立鋼索塔的模型，如圖4所示。

2.2 不同工況下的最大應力與最大變形仿真分析

在豎轉提升的過程中，支架主要受到結構自重和索塔載荷的作用，同時計算時考慮風載荷（按照陜西韓城10年一遇基本風壓為0.3 kN/m2）。鋼索塔主要受到結構自重、油缸提升力、風載荷和滑靴摩擦力（按照滑靴豎向反力的15%，施加到提升梁位置）[4]。計算參數及設計工況如表1和表2所示。

表2 塔架荷載組合工況表Tab.2 Load combination table of tower frame

考查豎轉過程中初始狀態、主塔提升45°狀態、主塔提升豎直狀態、纜風繩替換狀態等載荷工況下結構最大變形和應力，以及塔架在豎提過程中的最大變形和結構最大應力比，計算結果如表3和表4所示。

2.3 纜風繩2，4替換纜風繩1，3后塔架受力分析

為了避免提升過程中鋼索塔頂部與纜風繩3發生干涉，需要用纜風繩2，4替換纜風繩1，3，這給提升施工帶來了很大的風險。因此，對這一載荷工況做詳細說明。

仿真結果如圖5所示，纜風繩2，4替換纜風繩1，3之后工況下，結構最大變形為60.5 mm，桿件最大應力比為0.819。綜上，該工況下結構強度和剛度均滿足要求。

表3 塔架不同工況下仿真結果Tab.3 Simulation results of tower frame under different working conditions

表4 索塔不同工況下仿真結果Tab.4 Simulation results of cable tower under different working conditions

圖5 纜風繩2，4替換纜風繩1，3之后塔架受力分析結果Fig.5 Force analysis results of cable wind rope 2，4 replacement of cable wind rope 1，3

2.4 計算結論

（1）鋼索塔變形及應力滿足要求。

（2）單側提升力最大10 711 kN，單臺油缸3 570 kN，滑靴反力單側2 120 kN。

（3）提升塔架變形及應力滿足要求。

3 局部計算

3.1 局部結構不同工況下最大應力與最大變形仿真分析

整體計算中不能明確反應局部真實受力狀態，對整體提升非常重要的部位，應根據相應的規范進行局部承載力校核[5]。本工程中很多局部部位結構相似，選取最不利局部計算，鋼索塔受到由滑靴和錨梁傳遞的載荷，這是豎提過程中最不利的地位，所以選取滑靴和錨梁用ANSYS做局部仿真計算。計算結果如表5所示。

表5 局部結構不同工況下最大應力與最大變形仿真分析Tab.5 Simulation analysis of maximum stress and maximum deformation under different conditions of local structure

3.2 主塔提升45°狀態滑靴結構受力分析

以主塔提升45°為工況介紹滑靴結構詳細的受力分析過程。主塔總質量2 100 t，單側滑靴反力為1 750 kN。局部驗算運用ANSYS軟件對其結構進行強度分析，采用實體單元模擬結構。根據設計圖幾何尺寸，利用ANSYS有限元軟件，建立結構模型如圖6所示。

圖6 滑靴ANSYS模型Fig.6 ANSYS model of slipper

滑靴位置在y軸45°角方向上施加提升力1 750 kN，主塔節段上部施加三向約束。荷載及邊界條件如圖7所示。

圖7 荷載及約束Fig.7 Load and constraint

按照上述模型荷載及邊界條件進行計算，應力分布如圖8所示，變形情況如圖9所示。由仿真結果可知，結構最大應力為259 MPa，結構的最大變形為8 mm，結構滿足強度及變形要求。

圖8 應力云圖Fig.8 Cloud diagrams of stress

圖9 位移云圖Fig.9 Cloud diagrams of deformation

3.3 計算結論

（1）錨梁的強度和剛度滿足設計要求。

（2）滑靴的強度和剛度滿足設計要求。

4 結語

韓城太史街西延橋工程規模巨大，技術難度大，施工周期長。對太史街西延橋上的塔柱整體豎轉提升支架和鋼索塔的放假行仿真計算，并對構件的受力狀態及提升過程的穩定性能分析，可以看出，錨梁、滑靴、塔架、鋼索塔的受力滿足相應的要求。