桥梁施工用组合钢塔结构分析与研究

《桥梁施工用组合钢塔结构分析与研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桥梁施工用组合钢塔结构分析与研究（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、桥梁施工用组合钢塔结构分析与研究,硕士学位论文答辩,2,论文纲要,第一章 绪论第二章 组合式钢塔设计方案拟定与计算模型 第三章 施工索塔结构非线性分析理论 第四章 索塔整体结构受力分析第五章 索塔局部节点有限元分析 结论,3,第一章 绪论,1.1选题背景 桥梁为跨越结构物，施工过程比起成桥使用期来说虽然时间短暂，但对复杂结构而言，施工过程的结构行为并不一定比成桥后的简单。桥梁施工技术是桥技术的重要组成部分，而且往往成为关键技术。 大跨度拱桥的无支架施工，多采用斜拉扣挂法。国内，跨度在350m550m的巫山长江大桥、菜园坝长江大桥、南宁永和大桥、卢浦大桥等均采用该法建成。随着拱桥跨径的增大，吊装

2、的节段重量相应增加。同时，吊装高度也相应加大，施工过程中缆索吊装系统（包括主索塔）和扣挂系统（包括扣索塔）受载复杂，施工方法对结构的强度、刚度及稳定性提出了很高的要求。同时，由于临时索塔的杆件和节点众多，计算复杂，且有非线性表现，至今没有专用的计算分析软件。在施工中，施工技术人员若只凭经验用简单验算来设计，则会导致桥梁施工中存在着相当大的事故隐患。对南宁大桥缆索吊装斜拉扣挂过程中的临时施工索塔进行全面的强度、刚度和稳定性计算及研究很有必要性。,4,1.2钢管混凝土（钢箱）拱桥施工方法简介主要有支架施工法、斜拉悬臂法、转体法、缆索吊挂法、大节段吊装法等施工方法。对国内跨径超过100m的钢管混凝土

3、拱桥施工方法的统计见下表,由上表和图可见，钢管混凝土拱桥中最常用的架设方法是斜拉悬臂法，其次是转体法和支架法。对于拱支桥来说，采用斜拉悬臂法的占了72 。,图？架设方法与跨径的关系,5,1.3 斜拉悬臂缆索吊装体系简介 斜拉悬臂缆索吊装施工体系包括缆索吊装系统、斜拉扣挂系统、索塔、稳定风缆系统和锚碇五部分。斜拉悬臂缆索吊装法施工总体布置示意见下图,1.4 斜拉悬臂缆索吊装施工用索塔 索塔形式多样，受载复杂，是斜拉扣挂缆索吊装系统中的关键施工设备。索塔的安全决定着桥梁施工的成败，同时，索塔的经济与否又决定着施工工程造价的高低。下面就索塔布置形式、索塔底部固定方式、吊扣一体化索塔吊塔与扣塔的连接方

4、式、索塔拼装杆件的类型等方面讨论索塔。,6,索塔布置形式 吊扣塔分离式 、吊扣塔一体式。,东莞水道大桥吊扣分离式索塔 菜园坝长江大桥索塔照片 巫山长江大桥索塔照片,吊扣分离式索塔的优点在于缆索系统和扣索系统独立工作，互不干扰，有利于合龙稳定与拱轴线调整，其缺点在于构造功能基本相同的两组索塔，大大增加了设备的投入和工程量，增大了工程造价，延长了施工周期，且对施工场地有要求。吊扣一体化索塔的优点在于节省材料，经济优势显著。此外，吊扣一体索塔还能缩短安装工期，降低对现场环境的要求。其缺点在于缆索系统和扣索系统相互干扰，增加了施工控制的难度。,7,索塔底部固定方式 两种方式可拱选择：铰支和固定 。,塔

5、底理想铰接形式，其优点是索塔的每肢立柱受力均匀，但容易产生过大的塔顶偏移，并且塔底铰的费钢量很大； 塔底固接方式，优点是底部用钢量小且稳定，其缺点是索塔根部容易产生过大的弯矩，导致每肢立柱受力不均匀。,图1.7 扣塔底部固定方式 图1.8塔铰钢箱梁构造,8,吊扣一体化索塔吊塔与扣塔的连接方式吊塔与扣塔铰接 、吊塔与扣塔刚接、吊塔扣塔作为一个整体索塔设计。,图1.9 吊塔与扣塔铰接的结构形式 图1.10吊塔铰脚示意图,吊塔与扣塔铰接的方式，使吊塔在理论上传递极少的水平推力给扣塔，只是微小增加扣塔的竖向位移，最大限度地减少吊塔对扣塔的变位影响，不会增加拱肋线型的调整难度，确保整个系统安全运行。 国

6、内的菜园坝大桥、巫山长江大桥、茅草街大桥等施工索塔均采用吊塔与扣塔铰接的方式。,9,索塔拼装杆件的类型 索塔按所采用的材料可分为木质索塔和钢索塔；钢索塔塔身一般采用万能杆件、六四式军用梁、贝雷架组拼 。 桥梁施工常备式构件的优点是自重轻，搬运、安装、拆卸均很方便，可多次反复使用，经济效果好 。其缺点也是显而易见的，当索塔高度、宽度和作用在索塔上的荷载较大时，会造成用钢量剧增、自重增大、承载力不足、拼装作业繁重等不利问题。 因此，在设计桥梁施工用索塔时，如果有目的的使用空心钢管、型钢和万能杆件等构件进行组合，则可以充分发挥钢管轴向承载力大、结构简单、安装方便等优点。 国内的南宁永和大桥、重庆巫山

7、长江大桥的施工用吊扣一体化索塔均采用钢管、型钢和万能杆件组合而成。,10,对国内斜拉悬臂缆索吊装施工用索塔的统计分析 由论文第9页表1.2可知，施工索塔结构布置形式多样，拼接杆件多样，索塔尺寸不一，最大吊重亦不同。其中重庆菜园坝长江大桥施工索塔在高度152m、最大起吊重量4200kN方面是目前大跨度桥梁重力吊装体系中的最高指标。而南宁大桥施工索塔在宽度109m、横梁跨中载重（竖向力约7000kN，水平力约1000kN）方面是目前国内同类索塔的最高指标，在索塔高度（138m）、最大载重（2500kN）方面也居于前列水平。,1.5空心钢管在桥梁施工中的应用 空心钢管的优点：体型好，受风力小，回转半

8、径大，且各向同性空心。在施工中还有轴向承载力大、结构简单、安装方便等优点。 空心钢管广泛应用于桥梁各种施工方法中的临时设施中 ，例如少支架架设中的临时墩，转体施工法中索塔，斜拉扣挂缆索吊装中的索塔，三大段吊装法中提升塔，本论文中均有举例。空心钢管还可作为临时支架应用于斜拉桥施工中，例如在世界第一高桥法国米约(Millau)高架桥顶推架设中，各墩间的临时支架用的就是钢管桁架，截面尺寸12m12m，高可达270m。国内的苏通大桥架设过程中所用的临时墩采用的也是钢管桁架。,11,空心钢管的应用前景钢管混凝土桁架结构 与空心钢管桁架结构 在受力性能方面前者优于后者，而在施工安全方便、经济等方面后者优于

9、前者工程实例 巫山长江大桥、丫髻沙大桥的施工塔架均采用的钢管混凝土桁架结构 。南宁永和大桥施工索塔、广州新光大桥提升塔架等许多施工用索塔均采用空心钢管拼装 。前景 只要对结构的整体杆件及局部节点进行详细的受力计算，在确保安全的条件下，是完全可用使用空心钢管的。,法国米约高架桥架设过程,12,第二章 组合式钢塔设计方案拟定与计算模型,2.1工程概况2.1.1主桥概况 南宁大桥工程采用双向六车道、城市主干路级标准，工程全长1315米，其中主桥长300.5米，引桥长434米，引道长580米，桥宽、路基宽度35米。南宁大桥主桥采用300米跨径曲线梁非对称外倾拱桥（非对称肋拱桥），两岸引桥采用预应力混凝

10、土连续箱梁，分别上跨两岸滨江路 。,13,2.1.2主桥上部结构吊装施工过程总体施工方案：“先拱后梁、以拱承梁，钢肋拱通过斜拉扣挂悬臂拼装” 拱肋架设采用“缆索吊机吊装，斜拉扣挂”方案 ；主梁架设采用“缆索吊机吊装，拱肋支承”方案 。,14,2.1.3南宁大桥施工用缆索吊机介绍 每条拱肋共分为15个吊装节段，节段最小吊重121.6t，最大吊重218.0t。全桥钢箱梁分为30个吊装节段，阶段最小吊重119.3t，最大吊重136.6t。 缆索吊机主跨采用L452m，北岸上游边跨L1240m，北岸下游边跨L2264m，南岸边跨L3280m。全桥架设4组主索道，上下游各两组，每组主索道设计净起吊能力1

11、10t，各采用2组缆索吊机对东、西侧钢拱肋进行抬吊、采用内侧2组缆索吊机对钢箱梁进行抬吊 。 由于两条拱肋向外倾斜，拱脚到跨中两拱肋间距不断增大，两钢箱拱中心线之间最大距离可达92.577m，因此主吊点必须可以横向移动才能满足拱肋吊装的要求。在钢拱肋吊装时，西侧2组索道最大横移距离为16.66m，东侧2组索道最大横移距离为14.39m。钢箱梁吊装时，西侧索道从拱肋8#节段位置横移38.89m，东侧索道从拱肋8#节段位置横移29.54m 。,15,2.2组合式钢索塔结构拟定,2.2.1索塔结构设计依据2.2.2索塔结构设计原则满足设计文件指导性施工组织设计中对扣塔结构承载和纵向结构尺寸 的基本

12、要求以及箱型梁节段吊装内净空的要求；满足缆索起重机最大吊装250t的要求；满足索塔结构构件制造、运输、安装、拆卸的施工作业要求；满足索塔构件能够重复利用，工程造价低的要求。,16,2.2.4索塔结构设计介绍 青山岸索塔总高128m，横桥向总宽109.16m，顺桥向塔底总宽18.52m，塔顶总宽6m；蟠龙新城岸索塔总高138m，横桥向总宽109.16m，顺桥向塔底总宽19.82m，塔顶总宽6m。两索塔门式内净空65.08m。青山岸索塔总重1795t，蟠龙新城岸索塔总重1858t。 索塔采用组合式钢塔结构，主要由下部空心钢管结构、上部H型钢扣塔、中间万能杆件横梁、对拉锚梁、塔顶分配梁等部分组成 。

13、,2.2.3索塔结构设计的关键和难点索鞍最大横移距离可达38.89m 。吊装钢箱梁时有强大的缆索吊装力（竖向力约7000kN，水平力约1000kN）作用在65m横梁的中部。外倾式的拱肋使得锚梁在索塔上的分布极为分散 以上特点决定了该索塔的受力与常规的索塔完全不同。如何设计横梁，如何考虑横梁与两侧塔柱的联系，以及扣锚索系统对索塔的影响等成为了该索塔设计的难点。,17,图2.5 青山岸索塔结构示意图,18,2.3作用在索塔上的荷载研究,2.3.1索塔结构受力特点竖向荷载：塔自重1740018000kN（约130136kN/m）扣锚索竖向分力18800kN缆索起重机竖向分力7000kN缆风索竖向分力

14、2400kN总计45600kN，折算单管平均受力约3800kN水平荷载：缆索起重机水平分力1100kN风荷载：顺桥向风荷载2320kN，约200kg/m2横桥向风荷载810kN，约260kg/m2,2.3.2结构自重,2.3.3吊装荷载,19,2.3.4扣索、锚索、缆风索索力 拱肋安装过程的总体控制目标是“在拱肋合龙时使拱肋各节点达到设计理论轴线”，即当拱肋合龙后，松扣索及锚索前，各节点Y向和Z向位移达到设计理论轴线，或误差很小。 为了简化施工，避免频繁调节锚索及扣索索力，在施工过程中采取仅张拉当前扣锚索的原则，在拱肋合龙的前一阶段调节全部锚索及扣索索力，使拱肋各节点达到设计理论轴线。根据以上

15、原则，优化锚索、扣索、横向对拉索及侧向风缆索力。,2.3.5风荷载 由于临时施工用组合式钢塔结构的结构体型不同于各种规范中列举的取值体型，确定其体型系数成为风荷载计算中的难点。经过综合比较各规范，最后采用建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）作为风荷载计算的依据。,2.4有限元模型研究,2.4.1索塔节点的处理,空间桁架模型 空间刚架模型 混合单元模型,南宁大桥施工索塔的空心钢管、H型钢立柱按梁单元处理 ；连接系杆件也按梁单元处理 ；跨中、塔顶万能杆件按空间杆单元处理。,20,南宁大桥施工索塔整体模型分析中，空心钢管、H型钢柱、柱间的槽钢连接系、拱肋、肋间横梁采用beam44建立，跨中

16、、塔顶万能杆件采用link8建立，前扣索、后锚索、压塔索、缆风采用link10建立。 塔脚节点按固接处理，索单元在跨中、拱肋和地垄处的节点也按固接处理，跨中拱肋节点按对称约束处理。,21,第三章施工索塔结构非线性分析理论,3.1引言吊扣一体化索塔这种结构高度大，截面小，柔度大，且承受较大的轴向压力与水平力。结构具有很强的非线性效应。不但索的受力和变形关系表现出非线性，而且门架柱杆身在大的起吊荷载作用也存在明显的P效应。故采用考虑几何非线性的有限元方法对其进行整体受载分析。在对局部节点有限元分析时，考虑到具体的细节构造，在设计荷载下微小的局部区域难免会出现应力集中现象，应力可能会超过屈服点，此外，在极限荷载下我们也需要观察节点塑性区的发展情况。同时，法兰分析有其特殊性，要考虑到法兰接头各元件间的非线性相互作用（上下盘面、盘面与螺栓等）。因此，在对空心管标准法兰和异形承压法兰节点分析时，考虑了材料非线性和接触非线性。在对有节点板连接空心钢管节点分析时，考虑了几何非线性和材料非线性。,