南宁大桥LSD440t缆索吊系统组合式钢索塔设计

2022-11-25

南宁大桥主桥为300米跨径曲线梁非对称外倾拱桥 (非对称肋拱桥) , 两岸引桥为预应力混凝土连续箱梁, 大桥全长1314.77m。大桥钢箱拱、钢箱梁施工缆索吊装系统总体设计为三跨四组承重天线, 主索跨度布置为:东侧240m (L1) +452m (L0) +280m (L2) , 西侧235m (L1) +452m (L0) +280m (L2) 。吊装缆索采用移动式索鞍, 固定式桩基承台地锚, 承载索绕过地垄上的栓绳梁后用绳卡固定。

1 设计原则

满足吊装净空高度、东西拱肋吊装范围, 综合考虑吊装系统、扣挂系统的不同需求, 塔架安装拆除方便, 便于塔架整体与局部构造连接以及拼装材料重复使用等。

2 总体布置

塔架由索塔管立柱、索塔H型钢柱、索塔万能杆件横梁、索塔锚箱及索塔塔顶分配梁、缆风系统等部分组成。为满足扣索空间布置要求, 南北两岸塔架对称布置于距离两岸主墩76m处, 其中青山岸塔架总高126.0m, 横桥向总宽109.16m, 顺桥向塔底总宽18.52m, 塔顶总宽6m;蟠龙新城岸塔架总高136.0m, 横桥向总宽109.16m, 顺桥向塔底总宽19.82m, 塔顶总宽6m。

3 组合式索塔的结构设计

3.1 塔架基础

塔架基础采直径1.50m的群桩, H形式布置。

3.1.1 塔身立柱

索塔管立柱材质为Q235。塔架每肢由外侧4根φ813×14mm、内侧2根φ813×16mm钢管立柱组成, 钢管柱间的联结系采用双槽钢截面 (16a) 。钢管立柱青山岸高96.0m, 蟠龙岸106.0m。管结构采用节段拼装, 除塔脚、塔顶为异型管段外, 其余均为12.0m标准节段, 节段间采用法兰盘连接。

索塔H型钢柱材质为Q345。锚固区H型钢立柱高28.0m, H型钢立柱上万能杆件高2.0m。H型钢规格为H580×510×12×20mm和510×200×12×20mm。前者为H型钢大立柱, 后者为H型钢小立柱, 与中间两榀万能杆件相连。节段高度分别为9.0m、10.0m、9.0m, 中间用法兰盘连接。H型钢立柱与管节段采用法兰连接。

3.1.2 塔架万能杆件横梁

万能杆件横梁宽65.08m, 由64m标准万能杆件段和1.08m异形杆件段组成, 异型杆件设置在万能杆件横梁的跨中, 两侧各32m的标准节段。万能杆件横梁中间采用3×4=12m桁高, 两端12m范围内加高为24m, 并与下横梁联系在一起, 下横梁桁高4m。纵桥向共布置了四榀万能杆件, 外侧两榀与H型钢大立柱相连接, 中间两榀与H型钢小立柱相连, 顺桥向宽6m。

3.1.3 塔顶分配梁

索塔分配梁按三层布置, 自下而上依次为下横梁、纵梁、索鞍导轨。下横梁除塔顶两端、塔顶中间及型钢与万能杆件相交处按特殊段设计外, 其余均采用6m长/段设计, 下横梁在节点位置增加横向加劲肋, 顺桥向增加联接系用型钢[16a在横向加劲肋上联接, 使下横梁形成整体。并在横桥方向、段与段之间利用拼接板连接, 连接位置为腹板及上、下翼缘。纵梁均按6.28m长设计, 在节点位置增设横向加劲肋, 并在几个固定位置增加缆风锚箱, 纵梁上部直接铺设横桥向索鞍导轨。

3.1.4 塔架锚箱

索塔锚箱材质为Q345B。南宁大桥索塔为全钢结构, 扣索、锚索交叉锚固于锚箱上, 锚箱布置于索塔H型钢和万能杆件区内, 主要平衡扣索、锚索水平分力, 并将竖向力传递给索塔立柱。锚箱采用箱形结构, 为适应在锚箱上张拉扣、锚索以及调索的需要, 锚箱两端设计为异形结构, 锚箱长6.4 m～6.5m, 宽0.55m～0.65m, 高1m～1.3m。扣锚索张拉、调索操作均在塔顶锚箱上完成, 锚箱结构示意图见图1。

3.1.5 塔架缆风系统

塔架横向刚度较大, 抵抗横向外力一般均无问题;塔身受纵向风力, 塔顶受缆索系统产生的不平衡水平力, 塔底固结塔架靠塔架自身刚度和有初始力的缆风绳产生的抗力平衡, 索塔共设置了四组压塔索, 采用1φ47.5的钢丝绳;四组后缆风, 采用15φ15.24钢绞线, 通过缆风系统的设置, 大大增强了塔架顺桥向的刚度, 降低塔顶水平位移。

4 组合式索塔计算分析

4.1 荷载分析及组合

4.1.1 荷载分析

(1) 结构自重采用换算容重, 主要考虑施工时的临时爬梯、杆件间的节点板、螺栓, 将其重量换算为杆件容重, 万能杆件部分的换算容重为:

(2) 吊装荷载按悬链线张力方程计算。计算考虑作用在主索上的均布荷载和集中荷载。作用在单组主索道上的均布荷载包括6根主索、2根起重索、2根牵引索 (单根按“倍率4”单牵引布置) 、循环结索、分索器自重组成;集中荷载包括构件吊重、走行小车、上下挂、牵引滑车、连接器及拉索、扁担梁, 滑车组间起重索重 (起升高度100m) 。

(3) 根据《建筑结构荷载规范》、《高耸结构设计规范》计算结构单位面积上的风荷载。梁单元根据阻风面积以均布荷载加在单元上, 杆单元根据阻风面积换算成集中荷载加在杆件节点上。根据《建筑结构荷载规范》, 风荷载根据公式计算:wk=βzµsµzw0

其中:kw为基本风压值 (kN/m2) ;

βz为高度z处的风振系数, 根据《高耸结构设计规范》第3.2.8条计算;

µs为风荷载体型系数, 根据《建筑结构荷载规范》表7.3.1第32、34项计算;

µz为风压高度变化系数, 根据《建筑结构荷载规范》表7.2.1按照B类地表查用;

w0为基本风压 (kN/m2) , 根据《建筑结构荷载规范》附录D查得10年重现期基本风压值为0.25。

4.1.2 荷载组合

按下面两种荷载组合进行塔架的受力计算分析。

组合一:结构自重+吊装荷载+索鞍重量+缆风索荷载+扣锚索荷载;

组合二:结构自重+吊装荷载+索鞍重量+缆风索荷载+扣锚索荷载+风荷载。

4.2 计算分析模型

南宁大桥钢箱拱节段采用“斜拉扣挂”施工, 悬拼的节段通过扣索锚固于扣塔上, 施工过程及其复杂。为了模拟整个结构体系的受力行为, 采用空间杆系有限元程序对主要受力结构均进行模拟, 包括混凝土拱肋、肋间平台、钢拱肋、临时塔架、塔架缆风索、锚索、扣索、横向对拉索及侧向缆风索, 有限元模型如图2所示。模型中未对主索道及工作索道进行建模模拟, 即仅考虑二者的荷载作用, 忽略其对塔架变形的影响。从塔架拼装到钢箱梁吊装完成, 根据塔架受力及结构的变化, 共对塔架划分了77个施工阶段对塔架进行受力过程模拟分析, 建模时立柱及塔顶分配梁采用梁单元、连接系及万能杆件采用杆单元、缆风及扣锚索采用等效桁架单元, 等效桁架单元的弹性模量按ernst公式计算。

4.3 组合式索塔受力检算

4.3.1 控制指标

采用《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 (JTJ025-86) 对各构件进行验算。塔架钢管立柱和H型钢立柱考虑弯矩的影响, 其余杆件按轴向受力杆件计算。Q235和Q345钢材的轴心拉压和小偏心拉压杆件的容许应力分别为[σ]=140MPa和[σ]=200MPa, 临时性结构设计容许应力提高系数为1.3, 即[σ]×1.3分别为182MPa和260MPa;验算主+附时, 临时性结构设计容许应力提高系数为1.4, 即[σ]×1.4分别为196MPa和280MPa。压弯构件的稳定性按《刚结构设计规范》 (GB50017-2003) 计算。

塔底固结时塔顶位移应小于 (1/600～1/400) 塔高, 考虑到承载力大, 索塔高, 按塔高的1/600作为塔顶位移允许值。

整体稳定性计算规范没有规定失稳系数数值, 参考类似工程对于永久结构通常控制其大于4, 临时性结构可以略小。

4.3.2 强度检算

(1) 钢管立柱。

内侧钢管立柱的最大组合应力为176MPa, 外侧钢管立柱的最大组合应力为163MPa, 满足规范要求, 但为提高这部分结构的安全储备, 塔架外侧钢管底部24m采用钢管混凝土;内侧钢管顶部24m采用100×12mm的6条加劲肋加强。

(2) H型钢立柱。

结构最大应力发生在内侧H型钢大立柱底部4m段, 最大组合应力为243Mpa<260Mpa, 强度计算满足要求;稳定系数φx=0.99, φy=0.96, 稳定性检算结果为233MPa<260MPa, 满足要求;考虑风荷载时组合应力253MPa<280MPa, 各项检算均满足要求。吊装过程上游内侧H型钢立柱控制截面的应力增幅见图3。

(3) 万能杆件。

万能杆件检算结果见表1。

4.3.4 刚度检算

结构的最大位移发生在满载吊装E3施工阶段, 理论计算结构的最大位移为11.8cm, 小于允许值。

作用在4号、5号及6号锚箱上的扣锚索索力比较大, 且4号、5号及6号锚箱位于H型钢立柱区, 锚箱下支撑相对较弱, 为防止这三个锚箱下杆件首先发生失稳破坏, 采用12mm厚铺钢板布置在4号、5号及6号锚箱下杆件的受压翼缘平面内进行加强。进行屈曲分析时, 失稳破坏均未发生在4号、5号及6号锚箱下杆件, 破坏首先发生在吊装合龙段时7号锚箱下方的杆件, 最小失稳系数为2.1。

5 结语

组合式索塔经强度检算、刚度检算均满足规范要求, 其中强度控制截面为内侧H型钢立柱下部4 m, 承载力富余度为6.5%, 约1 7 M P a;索塔刚度很好, 最大位移只有11.8cm, 不到塔高的千分之一, 远小于允许值;索塔失稳破坏发生在锚箱下一些局部杆件, 最小稳定系数为2.1稳定系数略偏小, 吊装合龙段时应注意观测这些局部杆件的变形情况。

组合式索塔经系统的设计、严格的施工过程质量控制, 以及吊装过程的密切监控, 为组合式索塔完成施工任务提供了可靠保证。通过本工程实践, 取得了以下几点经验, 值得类似工程探讨借鉴: (1) 南宁大桥组合式索塔外形呈“门”字型中间万能杆件横梁形成“拱结构”受力体系, 除外侧立柱底部2 4 m为钢管混凝土外, 其余均为全钢结构, 与同类钢管混凝土塔相比施工及拆除方便, 其结构形式值得类似工程参考借鉴; (2) 计算模型中没有模拟主索, 主索对塔的作用直接以力的形式施加在计算模型上, 主要因为主索可以在塔顶索鞍上滑动, 本身是一个几何可变体系, 主索在计算模型中如何模拟还需进一步研究; (3) 由于施工步骤不同而在结构中产生的永存应力是不容忽视的, 在满足施工要求的前提下, 要重视施工过程的优化, 使施工过程在结构中产生的应力最小; (4) 对于钢结构要重视制造、焊接、运输、施工过程中的变形控制, 重视工厂预拼装, 否则将给钢结构的安装施工带来很大麻烦。

摘要：本文重点结合南宁大桥缆索吊装系统临时钢索塔的结构设计, 阐述了组合式索塔的结构设计及模拟计算分析, 为类似工程建造提供技术参考。

关键词：南宁大桥,组合式索塔,吊扣合一,设计分析