抗拉固定钢铰支座(钢箱混凝土索塔竖转过程的受力分析)
Posted
篇首语：奋斗者在汗水汇集的江河里，将事业之舟驶到了理想的彼岸。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了抗拉固定钢铰支座(钢箱混凝土索塔竖转过程的受力分析)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
抗拉固定钢铰支座(钢箱混凝土索塔竖转过程的受力分析)
司永明 姬子田 胡敏 程高
中交公路养护工程技术有限公司 长安大学公路学院公路 大型结构安全教育部工程研究中心 西藏天路股份有限公司
摘 要：作为一种无支架施工方法，钢箱混凝土索塔竖转施工具有不需高空拼装、结构整体性好、转体精度控制高等优势。但是，索塔竖转过程受力复杂，钢箱、混凝土及其界面的应力变化特点尚不明确。采用几何学进行钢箱混凝土索塔运动轨迹的离散化分析，建立竖转过程的力学简化模型，得到竖转过程索塔的内力变化规律，并以某索塔为例，采用数值模拟方法进行了索塔竖转过程钢、混凝土的轴向应力分析及钢混界面剪切应力分析。结果表明，索塔整体竖转过程中，顶底板轴向应力与界面剪切应力较大，腹板受力变化不明显；轴向应力最不利位置位于竖向提升力与桥塔高度的1/3附近，剪切应力在转铰支承与竖向提升力附近5 m内应力集中；应力集中范围与轴力、弯矩大小无关，此处宜设置PBL连接件，保证钢混界面黏结良好。
关键词：索塔;钢箱混凝土;竖向转体;界面状态;受力数值分析;
基金：中国博士后科学基金第67批面上资助项目，项目编号2020M673601XB;榆林市科技项目，项目编号2020-12;陕西省交通运输厅交通科技项目，项目编号19-14K;
钢箱混凝土索塔是一种新型的桥塔结构形式，具有装配化程度高、刚度大、更好的延性与耗能性等特点[1],已经应用于东莞梨川大桥、刘家峡悬索大桥、崇左大桥和南京长江五桥等重大工程。钢箱混凝土索塔施工工序复杂，界面传力薄弱，其施工控制的成败直接关乎整座桥梁的安危[2]。自20世纪40年代桥梁竖转工艺首次出现以来，这种高效的施工方法迅速在世界范围内发展[3],前期主要应用于拱桥施工，如德国Argentobel大桥[4]、日本神原溪谷大桥[5]、中国干渠特大桥[6]和西江特大桥[7]等；近年来，也应用于缆索承重桥的索塔施工。与常规的组合索塔采用节段吊装、同步浇筑方法相比，索塔竖转施工不需高空拼装，结构整体性好，竖转控制精度高[8]。钢箱混凝土索塔一般是由矩形空心钢箱、开孔板加劲肋和内置混凝土等组成。整体竖转过程中，存在钢箱混凝土黏结强度不足，钢混界面应力特点尚不明确等问题，限制了组合索塔竖转工艺的应用。
众多学者对索塔竖转过程力学性能与安全防护做了较多研究，形成了一定的研究成果。索塔竖转分正向与反向竖转。黄晓彬等[9]依托小凌河大桥工程，提出用竖转到位的内拱塔作为提升支架，通过数值模拟分析，解决了外拱塔竖转难题；罗力军[10]为保证转体安全可控，假设不考虑球铰偏心和其他可变情况，进行了十几座平转桥不平衡承重试验并对结果进行统计分析，推导出更加精确的竖转摩阻力矩公式；康俊涛等[3]监测了钢主塔与主梁线形与应变，并对竖转角和铰座区的变形进行实时控制，确保桥塔竖转角度精确，受力较大区安全可控；王守立[11]提出索塔反向竖转方案，依托彩针形索塔工程，进行了索塔施工方案比选和施工过程分析，总结出一套索塔转体施工新思路，节省工期近3个月；王向阳等[12]提出一种控制钢桥塔竖转变形装置——稳定索，通过数值模拟和实测数据对比，证明该装置可明显改善竖转中拱脚的位移与变形，适用于索塔自重和竖转角较大的情况；高兴泽等[13]采用扳起法对无背索竖琴式白鹭大桥钢箱混凝土索塔进行竖转施工，通过数值模拟并借助计算机液压控制同步提升技术，确保最不利位置受力合理，索塔竖转精度高。
既有研究主要关注钢箱混凝土索塔竖转过程钢箱与混凝土应力及变形情况，对其受力机理、应力分布规律及钢箱混凝土索塔界面传力情况研究较少。为此，本文对钢箱混凝土索塔运动轨迹进行离散化处理，建立相应的力学模型，分析结构受力特征；同时结合某一工程算例，采用数值模拟的方法对结构竖转过程界面传力情况进行研究，以揭示钢箱混凝土索塔竖转过程的力学特性，为同类索塔优化设计提供理论支撑。
1 桥塔竖转过程理论分析
将钢箱混凝土索塔简化为杆件，整体竖向转体过程中，A点始终沿水平方向运动，B点始终沿竖直方向运动，AB长度始终保持不变，具有一定的数学关系。索塔整体竖向转动过程是机构运动，但竖转运动过程的静止状态时，设置A点为临时转铰中心点，其对索塔的支撑作用等效为固定铰接边界。本着索塔受力合理与满足强度要求，设B点位置为提升中心，其对索塔作用等效为可动铰接边界。AB长度为两铰点中心距，为一常量。简化力学计算模型如图1所示。图1中索塔高度为H,AB长度为0.75H,竖转角度为θ,结构荷载为P=G/(Hcosθ),G=mg。以左侧A点为原点，建立如图1所示直角坐标系，FAx,FAy为A处支反力，FB为B处提升力。
图1 简化力学计算模型 下载原图
1.1基本假定
索塔竖转过程的简化力学模型满足如下假定：(1)索塔简化为杆件，杆件满足平面假定；(2)弯曲刚度较大的杆，按照叠加原理计算拉伸(压缩)与弯曲组合变形杆截面应力；(3)A处球铰与B处钢绞线提升力在静止状态分别简化为固定铰支座与活动支座。
1.2理论计算分析
1.2.1数学运动轨迹
A点沿水平方向运动，B点沿竖直方向移动，具有一定的数学关系。假设A点水平前移为X,B点竖直提升为Y,索塔运动轨迹简化数学模型如图2所示。初始状态时，塔身与地面形成微小的角度，此刻AC=0.749H,BC=0.03H。
△A′CB′为直角三角形，满足勾股定理，即：
根据的位置关系，可得到水平位移X与竖直位移Y的关系：
(0.749H−X)2+(0.03H+Y)2=(0.75H)2 (2)(0.749Η-X)2+(0.03Η+Y)2=(0.75Η)2 (2)
根据上述计算分析可得到X与Y位移关系，其竖向提升速度与水平移动速度的关系与其位移关系相同(位移对时间的导数),为一圆弧曲线，关系较为复杂，很难通过常规的线性控制方式进行模拟分析。
图2 简化几何模型 下载原图
1.2.2离散化分析
对索塔进行离散化分析，确定水平位移与竖向位移的施工控制指标，以找到X与Y位移的关系。前期Y位移初始步长确定为0.01H,分析X的提升位移。后期提升过程中(提升高度大于0.5H时),竖向提升一个步长，水平位移太大，难以控制。因此，提升高度为0.5H时，此刻竖转角度是45°,改为以水平位移一个步长0.01H为控制数据，监测竖向提升位移，具体离散化分析过程见表1、表2。
表1Y位移控制下数据离散化分析 导出到EXCEL
Y位移 | 0.01H | 0.02H | 0.03H | 0.04H | … | 0.5H |
| 7×10-5H | 6.7×10-4H | 1.4×10-3H | 2.3×10-3H | … | 0.22H |
| 0.0 | 6.0×10-4H | 0.73×10-3H | 0.9×10-3H | … | 0.01H |
表2X位移控制下数据离散化分析 导出到EXCEL
| 0.22H | 0.23H | 0.24H | 0.25H | 0.26H | … | 0.75H |
| 0.5H | 0.511H | 0.521H | 0.530H | 0.538H | … | 0.72H |
| 0.0 | 0.011H | 0.01H | 0.009H | 0.008H | … | 5.40×10-5H |
初始提升阶段(0～0.5H),竖向提升位移大于水平行走位移。此时，由于处于提升初始阶段，钢绞线自由长度较大，水平位移偏差对竖向提升角度影响很小，所以，误差可以适当放大。中间阶段(0.5H～0.6H),竖向提升与水平行走速度基本相等，确保该阶段提升速度与水平牵引速度相当。到位阶段(0.6H～0.72H),竖向提升位移小于水平行走位移，控制方式以水平牵引为主，每水平行走一个位移，调整竖向提升高度，使得钢绞线自始至终处于竖直状态。
1.2.3结构力学计算
由图1所示简化力学模型，得到索塔竖转过程中的结构支反力大小、轴力图、弯矩图与剪力图。当结构转角是θ时，FAx=0,FAy=G3,FB=23GFAx=0,FAy=G3,FB=23G,轴力图、弯矩图与剪力图分别如图3～图5所示。
图3 轴力 下载原图
图4 弯矩 下载原图
图5 剪力 下载原图
受力分析结果表明，索塔竖转过程中，转铰处反力与钢绞线提升力仅与索塔自重有关，不发生变化，现场施工过程支反力与提升力会改变大小。原因在于：(1)转轴处安装精度不高，润滑程度不够；(2)风荷载的影响。
整体竖转过程中，索塔荷载与几何尺寸不变，弯矩和轴力仅与竖转角度有关；随着转动角度的增加，弯矩影响逐渐减小，轴向力不断增大，后期轴力起主要作用。杆件在拉伸(压缩)与弯曲组合作用下，按照叠加原理计算其截面底板轴向正应力，由辅助角公式可得，轴向应力随着转角增加呈减小趋势。
2 工程算例及建模
2.1钢箱混凝土索塔参数选取
某矮塔斜拉桥的索塔采用钢箱混凝土结构，索塔高度为36 m,沿桥纵向布置为独柱式，斜拉桥结构示意图与索塔横截面示意图如图6、图7所示。以其中索塔为例，建立矩形钢箱混凝土索塔板壳—实体有限元模型。其外围钢板使用Q345C钢材，矩形钢箱截面尺寸为4.4 m×3.0 m,钢板厚度为30 mm,箱体内填C50无收缩混凝土，并且设置通长开孔板加劲肋即PBL,PBL开孔孔距是600 mm,孔径是150 mm。具体尺寸见表3。
图6 矮塔斜拉桥示意 下载原图
2.2有限元模型建立
钢箱混凝土索塔竖转处于弹性工作状态，有限元模型考虑结构的几何非线性与接触非线性，不需考虑材料非线性。基于ABAQUS有限元软件，建立矩形钢箱混凝土索塔板壳—实体有限元模型。钢箱采用Q345C钢材，其弹性模量与泊松比分别是2.06×105MPa和0.283[14];混凝土采用C50无收缩混凝土，其泊松比和弹性模量分别为0.2和2.724×104MPa[15]。矩形钢箱采用S4R减缩积分壳单元，网格尺寸为500 mm×500 mm×1 100 mm;网格划分混凝土采用C3D8R减缩积分线性实体单元，网格尺寸为500 mm×500 mm×1 100 mm。矩形钢箱混凝土模型划分网格如图8所示。
图7 桥塔横截面示意 下载原图
为研究钢箱与混凝土在竖转过程中界面传力性能，钢箱与混凝土界面采用黏性接触来模拟，该方法模拟钢箱混凝土压弯构件界面接触行为精度较高[16]。使用Abaqus中定义黏性行为是假设初始阶段滑移量与摩擦力成线性变化，允许界面出现分离。通过定义黏结刚度来建立界面切向应力与法向应力的弹性矩阵；本模型中钢箱混凝土界面剪切模量定义成165 MPa[17],通过定义黏性损伤，实现接触面之间的黏性损伤或者失效。在钢箱混凝土中，PBL加劲肋采用S4R壳单元，通过embedded element模拟PBL加劲肋与混凝土之间的接触，模拟精度满足要求，计算效率较高。加载板采用尺寸为1 500 mm×3 000 mm离散刚体壳单元，参考点RP1、RP2设置在加载板上，定义参考点X、Y、Z方向上的平动自由度和转动自由度，参考点位置如图8(c)所示。水平与竖向提升线位移依据表1、表2对应施加于模型的边界条件上，模拟实际索塔竖转。荷载为结构自重。基于有限元结果，验证了支反力与转角无关，并与理论解析结果一致，表明有限元模拟精度较高。
表3 试件参数 导出到EXCEL
构件名称 | H/mm | a×b/bs/mm | t/mm | d/mm | as/mm | fck/MPa | fy/MPa |
| 36 000 | 44 00×3 000 | 30 | — | — | 32.4 | 345 |
| 36 000 | 330 | 28 | 150 | 600 | — | 345 |
注：H为索塔高度；a×b为截面长×宽；bs为肋板高度；t为厚度；d为肋板开孔直径；as为开孔间距；fck为混凝土轴心抗压强度；fy钢材屈服强度。
图8 网格划分 下载原图
3 结果分析
后期提升过程中(提升高度大于0.5H时),竖向提升一个步长，水平位移太大，难以控制。因此，当提升高度为0.5H时，此刻竖转角度是45°,改为水平位移控制。此刻，桥塔截面处于复杂应力状态(内截面既有正应力，又有切应力),应力较大，且施工工序调整后，易使结构局部应力分布不均匀。因此，转角45°为危险的工况，选取转角45°作为有限元数据提取时刻。本研究中选取截面4分点作为数据提取位置，得到整个索塔模型转角45°时刻和随角度变化，荷载变化下的轴向应力和界面剪切应力。其中钢箱索塔由顶板、底板和腹板焊接而成，编号1为钢箱截面顶板中点，编号2为截面底板中点，编号3、4为矩形钢箱截面腹板中点。
3.1钢箱与混凝土轴向应力
3.1.1转角45°钢箱与混凝土轴向应力
基于上述分析，选取索塔转角45°来分析钢箱与混凝土轴向应力最具有代表意义，具体结果如图9所示。由图9(a)和图9(b)可知，钢箱与混凝土截面应力分布不均匀，顶底板应力最大相差18 MPa; 钢箱与混凝土腹板中部轴向应力对结构影响较小，顶底板受到的轴向应力较大。由图9(c)可知，钢箱与混凝土轴向应力基本呈二次抛物线分布，轴向应力沿塔高度主要是由钢箱来承担，钢混界面沿整个构件高度均发生相互作用。
图9 钢箱与混凝土轴向应力 下载原图
3.1.2不同转角钢箱与混凝土轴向应力
钢箱受压易屈曲，混凝土受拉易开裂。本文给出了不同角度下钢箱顶板位置(轴向压应力较大)与混凝土底板处(轴向拉应力较大)应力，具体如图10所示。由图10可知，随着角度的增加，轴向应力不断减小；竖转前期时，索塔受到轴向应力较大，轴向应力最不利位置位于竖向提升力与桥塔高度的1/3附近。
图10 不同转角钢箱与混凝土轴向应力 下载原图
3.2钢箱混凝土桥塔界面剪切应力
3.2.1转角45°桥塔界面剪切应力
钢箱与混凝土界面剪切应力是一对相互作用力。转角45°时，受施工工序调整，界面剪应力易产生应力集中，具体剪应力结果如图11所示。由图11可知，在弯矩和轴力共同作用下，钢混截面顶底板处界面剪切应力呈不均匀分布，沿塔身高度始终存在剪应力，在支承和竖向提升力附近5 m范围内应力集中；截面腹板处受界面剪力影响较小。因此，钢箱顶底板宜设置PBL剪力连接件，增强界面黏结强度，缓解其应力集中。
图11 不同位置钢箱界面剪切应力 下载原图
3.2.2不同荷载步钢箱界面剪切应力
钢混界面剪切应力在截面顶底板处随高度变化较大，腹板处变化不明显。为进一步探讨界面剪应力随荷载变化状况，图12给出不同荷载步下顶板、底板沿塔身高度的界面剪应力分布情况。荷载步分别选取0.2倍、0.575倍和1倍的结构自重。由图12可知，随着结构荷载不断增加，界面剪切应力变化趋势一致，逐渐增大，但应力集中位置不变；应力集中位置与轴力、弯矩大小无关。进一步地，宜在顶底板应力集中影响范围内设置PBL连接件，以提高钢混界面黏结强度。
图12 不同荷载步钢箱界面剪切应力 下载原图
4 结语
本研究通过理论分析钢箱混凝土索塔简化力学模型的运动轨迹与受力特点，结合某一工程实例，采用数值模拟的方法对该索塔竖转过程界面传力特性进行研究，得出以下结论。
(1)索塔整体竖转过程，受拉伸(压缩)与弯曲共同作用，结构处于复杂应力状态。随着竖转角度增加，弯矩值减小，轴力值增大，轴向应力不断减小；转铰反力与提升力仅与荷载大小有关。
(2)竖转过程中，钢箱与混凝土腹板中部轴向应力对结构影响较小，顶底板受到的轴向应力较大，其轴向应力主要由钢箱承担；竖转前期时，索塔受到轴向应力较大，轴向应力最不利位置位于竖向提升力与索塔高度的1/3附近。
(3)在弯矩和轴力共同作用下，钢混截面顶底板处界面剪切应力呈不均匀分布，在支承和竖向提升附近5 m范围内应力集中；腹板处受界面剪力影响较小。不同荷载下结构剪切应力幅值发生改变，但应力集中位置不变，表明应力集中位置与轴力、弯矩大小无关。可以仅在顶底板应力集中范围内，设置PBL连接件，使管壁荷载有效地传递给混凝土，改善索塔的抗弯性能。
参考文献
[1] 冷文华.预应力钢壳混凝土桥塔受力分析[D].湖南大学，2012.
[2] 林云培.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2004.
[3] 康俊涛，何林，范杰，等.马蹄形独塔斜拉桥钢主塔竖转施工监控关键技术[J].公路，2016,61(1):95-101.
[4] 任韶敏.铁路连续箱梁水平转体施工及监控技术研究[D].石家庄铁道大学，2014.
[5] 刘剑萍，角本周，成泽邦彦.神原溪谷大桥的竖向转体施工[J].世界桥梁，2003,(3):1-4.
[6] 李杰，高清炎，梁岩，等.郑万高铁跨南水北调大桥拱肋竖向转体施工分析[J].公路，2019,64(1):121-126.
[7] 尹紫红，董启军，卢演慧.西江特大桥连续刚构—柔性拱拱肋竖转设计与施工[J].铁道建筑，2012,(5):26-28.
[8] 何敏娟，郑元，吕兆华.钢拱塔斜拉桥竖转施工方案分析[J].特种结构，2010,27(1):76-79.
[9] 黄晓彬，王清泉，高丕勤.双套拱塔斜拉桥拱塔竖转方案设计与施工[J].公路，2011,(12):103-109.
[10] 罗力军.桥梁转体施工球铰竖转摩阻力矩精确计算方法[J].铁道建筑，2020,60(1):27-30.
[11] 王守立.蕴藻浜斜拉桥彩针形独塔反向竖转系统的设计与实践[J].中外公路，2015,35(6):110-113.
[12] 王向阳，夏小勇，韩丽丽.稳定索在钢拱塔竖转施工过程控制中的应用分析[J].公路，2016,61(1):90-94.
[13] 高兴泽，范大意，杨仁康.景德镇白鹭大桥钢塔竖向转体施工技术[J].铁道工程学报，2007,(5):55-62.
[14] GB 50017-2017 钢结构设计规范[S].
[15] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].
[16] 程高.PBL加劲型矩形钢管混凝土结构工作机理研究[D].长安大学，2015.
[17] 刘永健，池建军.钢管混凝土界面抗剪粘结强度的推出试验[J].工业建筑，2006,(4):78-80.
声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。
相关参考
抗震钢铰支座(屋面网架拼装完成开元剧场项目为千年古都塑造时代文化封面)
5月11日由中建八局西北公司承建的开元剧场项目取得新进展——整体屋面网架拼装完成进入机电管线及装饰装修施工新阶段新时代唐风设计重现“盛世开元”项目地处西安市经开区总占地面积约50亩，总建筑面积约8.6万㎡项目建...
...载传递给墩台，并能适用上部结构由于荷载、温度变化、混凝土收缩等产生的变形（水平位移及转角），使上部结构的实际受力情况符合设计要求。还能阻抗风力、地震波等引起的结构平移、减轻震动对结构的不利影响。支座的...
...载传递给墩台，并能适用上部结构由于荷载、温度变化、混凝土收缩等产生的变形（水平位移及转角），使上部结构的实际受力情况符合设计要求。还能阻抗风力、地震波等引起的结构平移、减轻震动对结构的不利影响。支座的...
...载传递给墩台，并能适用上部结构由于荷载、温度变化、混凝土收缩等产生的变形（水平位移及转角），使上部结构的实际受力情况符合设计要求。还能阻抗风力、地震波等引起的结构平移、减轻震动对结构的不利影响。支座的...
成都钢波纹管生产厂家(某双孔箱涵结构受力及施工水平影响分析)
...影响。计算分析表明:双孔箱涵的第一主应力最大值达到混凝土的抗拉强度标准值,在双孔箱涵的跨中位置下缘和中墙位置的顶、底板上
...构设计中的关键技术问题进行了介绍，主体结构选用钢筋混凝土框架结构，内场上空屋盖选用钢桁架结构，桁架支座选用可滑动弹性抗震球形铰支座，休息厅选用悬挂结构。主桁架为平面桁架，考虑到建筑功能的可变通性，设计...
...梁肋宽时，尚应在支座与梁肋之间衬以钢垫板，墩台顶的混凝土中应铺设使受力匀称的支座钢筋网。2、普通板式橡胶支座适用于跨度小于30m，位移量较小的桥梁，不同的平面形状适合于不同的桥跨结构：正交桥梁用矩形支座；...
在土木建筑工程中，以混凝土结构占主导地位，混凝土结构由于内外因素的作用不可避免地存在裂缝，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因。混凝土结构裂缝是怎么分类的是？ 荷载裂缝荷载裂缝又...
...动和水平移动。支座通过剪切变形来适应桥梁由于温度、混凝土收缩、车辆制动等因素引起的变形量。橡胶是一种非常柔性的材料，极易产生变形和转动，且不能承受较大的竖向压应力。板式橡胶支座内部的加劲板可提高橡胶支...
...成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，