独塔斜拉桥钢拱塔竖转施工稳定性分析及对策研究

第４Ｏ卷　第１期　２０１６年２月　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　

Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）　

Ｖｏ１．４０　ＮＯ．１　Ｆｅｂ．２０１６　

独塔斜拉桥钢拱塔竖转施工稳定性分析及对策研究＊　王向阳　夏小勇　韩丽丽　（武汉理工大学交通学院武汉４３００６３）　

摘要：针对独塔斜拉桥钢拱塔竖转施工过程中竖转体系的稳定性问题，以武汉市高新二路独塔斜　拉桥为研究背景，介绍了一种竖转架和钢拱塔相结合的双向牵引的自平衡竖转体系．利用通用有　限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立独塔斜拉桥全桥模型，并在此基础上对独塔斜拉桥进行了稳定性计算　分析．计算结果表明，在竖转施工过程中该竖转体系不会产生第一类和第二类失稳现象．最后，提出　了两条增强该竖转体系稳定性的措施，以确保竖转施工安全顺利地进行和独塔斜拉桥的正常使用．　关键词：独塔斜拉桥；竖转施工；稳定性分析；钢拱塔；竖转架　中图法分类号：ＴＵ３１１．４１　ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－３８４４．２０１６．０１．００４　

０　引　言　斜拉桥钢拱塔竖转施工是近年来刚刚兴起的　一项施工技术，采用整体竖转的施工方法进行钢　拱塔的吊装，可降低钢拱塔结构的高空拼装工作　难度，使钢拱塔最终安装精度得到了有效的保证．　但这项新兴的施工工艺也面临着不小的施工挑　战：施工过程中竖转体系的稳定性难以得到保证，　竖转到位后因拱脚变形而导致的焊接困难，等等．　以往的工程实例中，为了保证竖转体系的稳定性　而采取的措施一般是增大结构的断面尺寸，以及　采用大型吊装设备辅助竖转．这些方法无疑会增　大结构自重，增加工程造价．　文中以武汉市高新二路独塔斜拉桥为研究背　景，结合工程实践提出了一种竖转架和钢拱塔结　合的双向牵引竖转施工装置，并对该竖转体系进　行稳定性计算分析，计算结果表明，该装置能保证　竖转施工过程中竖转体系的稳定性，同时也能达　到保证施工安全、提高施工质量、节省施工成本的　目的．　收稿日期：２０１５－ｌｌ一１６　王向阳（１９７１一）：男，博士，教授，主要研究领域为桥梁结构　湖北省自然科学基金面上项目资助（批准号：２０１３ＣＦＢ３４２）　１　工程概况　武汉市高新二路在《武汉科技新城总体规划　（修编）２００５～２０２０》中被定性为生活性城市主干　路，桥梁工程起于规划十二路交叉口，自西向东依　次跨越神墩一路、外环路，止于规划上大路交叉　口，形成高新二路高架桥．　高架桥桥跨布置为３×３０　ｍ（预应力混凝土　连续箱梁）＋３０　ｍ＋３２　ｍ＋５４　ｍ＋３２　ｍ＋３０　ｍ　（预应力混凝土箱梁）＋６５　ｍ＋９５　ｍ（钢箱梁独塔　斜拉桥）＋３×３０　ｍ（预应力混凝土连续箱梁）．高　架桥主桥为独塔双索面独塔斜拉桥，桥跨布置为：　６５　ｍ＋９５　ｍ，主梁采用钢箱梁结构，梁高２．６　ｍ；　塔高６６．１　ｍ，主塔尺寸３．６　ｍ×３．６　ｍ，主塔外观　横立面看呈斜伸的网球拍形，与竖直方向立面呈　１Ｏ。的倾斜角．　由于特殊的结构造型及现场施工条件的限　制，钢拱塔的安装无法采用常规吊装方法进行施　工．结合工程实际，采用整体竖转的施工方法进行　斜拉桥钢拱塔的吊装，实际工程中，钢塔从初始位　第１期　王向阳，等：独塔斜拉桥钢拱塔竖转施工稳定性分析及对策研究　·１７·　置（与平面成１５。夹角）竖转至目标位置（与平面　成８Ｏ。夹角）是一个连续的动态过程，文中选取了　５个静态工况，通过其变化趋势来模拟这一竖转　过程．根据设计资料，将该施工过程分为以下５个　工况：钢塔竖转初始工况（１５。工况）、钢塔竖转中　间工况（３０。工况）、钢塔竖转中间工况（４５。工况）、　钢塔竖转中间工况（６０。工况）、钢塔竖转完成工况　（８０。工况）．　该竖转体系主要包括：钢拱塔、竖转架、钢箱　梁、竖转铰、防滑移支座、竖转架铰座、前拉索、后　拉索、平衡索和稳定索，见图１．前拉索一端连接　钢拱塔前拉索锚点，另一端连接竖转架前端耳板；　后拉索一端连接竖转架后端耳板，另一端通过连　接钢箱梁后拉索锚；平衡索一端连接钢拱塔平衡　索锚点，另一端连接钢箱梁平衡索锚点；稳定索通　过稳定索连接件安装在钢拱塔稳定索锚点上．钢　拱塔、竖转架和前后拉索是本次竖转施工采用的　双向牵引竖转体系的重要组成部分，其稳定性直　接关系到施工过程的安全性．　图１双向牵引的竖转体系　２　竖转体系稳定性分析的有限元方法　２．１计算理论　结构在荷载作用下由于材料的弹性性能而发　生变形，若变形后结构上的荷载保持平衡，这种状　态成为平衡状态．对于在某一荷载作用下处于平衡　状态的结构，当荷载达到某一值时，若增加一个微　小增量，则结构的平衡位形发生很大变化，结构由　原平衡状态经过不稳定的平衡状态而达到一个新　的稳定的平衡状态口］，这一过程就是失稳或屈曲．　根据失稳的性质，结构稳定性问题可以分为　以下３种．第一种是荷载达到某个值时，除了结构　原来的平衡状态外出现了第二个平衡状态，故又　称为分枝点失稳，这类问题在数学上处理为求解　特征值问题，故又称为特征值屈服分析．第二种是　结构失稳时，变形将大大发展，而不会出现新的变　形形式，即平衡状态不发生质变，也称为极值点失　稳　引，结构失稳时，相应的荷载称为极限荷载．大　多数结构的失稳问题属于第二类失稳问题．第三　种是当荷载达到某个值时结构平衡状态发生跳　跃，突然过渡到另一个具有较大位移的平衡状态，　也称跳跃失稳．　对于第一类失稳问题采用结构弹性稳定分　析，目的是求解临界荷载，在ＡＮＳＹＳ中对应的是　特征值屈曲分析．特征值屈曲荷载是预期的非线　性屈曲荷载的上限，特征值矢量屈曲形状可作为　非线性屈曲分析时施加初始缺陷或扰动荷载的依　据，预先进行特征值稳定分析有助于非线性屈曲　分析　］．　第二类和第三类失稳问题，在ＡＮＳＹＳ中对　应的是非线性分析．非线性稳定分析采用一种逐　渐增加荷载的办法来求得使结构开始变得不稳定　时的临界荷载，它是在大变形效应开关打开（ＮＬ—　ＧＥＯＭ，ＯＮ）的情况下所做的一种静力分析，该　分析过程一直进行到结构的极限荷载．分析过程　中可包含塑性等非线性选项．非线性稳定分析考　虑了结构的初始缺陷，结果比特征值屈曲分析精　确，常用于对实际结构进行分析、设计．　２．２独塔斜拉桥的有限元模拟　为了验证竖转体系的稳定性，采用通用有限　元分析软件ＡＮＳＹＳ，用梁单元模拟钢箱梁、钢塔　及竖转架，桁架单元模拟斜拉索，建立了钢塔竖转　施工各工况下的独塔斜拉桥上部结构有限元模　型，见图２．在已建立的有限元模型基础上对竖转　体系完成工况进行稳定性计算分析ｌ＿５＿８１．　

图２独塔斜拉桥全桥有限元模型　３　稳定性计算结果及分析　经过特征值屈曲分析，提取独塔斜拉桥完成　工况的前１５阶固有频率和振型，见表１．　由表１可见，该独塔斜拉桥的基本周期为　２．２０１　６　Ｓ，比其他漂浮体系的斜拉桥短，这与其　墩、梁、塔刚构的体系有关，其第１阶频率明显低　于第２阶频率，也与该桥的体系有关；该独塔斜拉　武汉理工大学学报（交通科学与工程版）　２０１６年第４Ｏ卷　Ｅ６］王玉山，闫　琴，金　瑾．基于有限元法的桥梁结构　稳定性分析［Ｊ３．石河子大学学报：自然科学版，２０１２，　２８（１）：１０６—１０８．　［７３梁瞍．钢结构稳定性问题探析［Ｊ］．建筑技术，２０１２　

（１）：１９－２３．　［８］潘秋生．钢结构设计中稳定性分析［Ｊ］．中国建筑金属　

结构，２０１３（７）：２０—２１．　Ｅ９３张宝宏．基于有限元的斜拉桥索塔竖转结构件设计　［Ｊ］．城市建筑，２０１４（３）：２５—３０．　［ＩＯ２谢文兵，荆升国，王　涛，等．ｕ型钢支架结构稳定　性及其控制技术［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１０，２９　（２）１　３７４３—３７４８．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｔｏｗｅｒ　Ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　

ＷＡＮＧ　Ｘｉａｎｇｙａｎｇ　ＸＩＡ　Ｘｉａｏｙｏｎｇ　ＨＡＮ　Ｌｉｌｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒｎ　ｓ户ｒ０　ａ　０　，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｎ　Ｏａｏｘｉｎ　２ｎｄ　Ｒｏａｄ　ｉｎ　Ｗｕｈａｎ，ａ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｒｏｔａ—　ｔｉｏｎ　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　ａｃｃｏｒｄ—　ｉｎｇ　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　

ｏ●ｏ　ｏｏ　ｏ　ｏ●０ｏ●０ｏ●ｏｏ●ｏｏ◆ｏｏ●ｏ０●ｏｏ●ｏｏ●ｏｏ◆０ｏ◆ｏｏ●ｏｏ◆ｏｏ●ｏｏ●ｏｏ◆ｏ　ｏ●０ｏ●ｏｏ●ｏ０●ｏ０◆ｏｏ㈣◆ｏ０●ｏ　ｏ◆０　ｏ●ｏ０●ｏｏ●ｏ０●００◆ｏ０◆０ｏ◆ｏｏ●ｏｏ●ｏｏ◆ｏｏ◆ｏｏ◆ｏｏ●ｏｏ●ｏ０●ｏｏ●０ｏ●ｏ　（上接第１５页）　

［１６］　

［１７］　ＳＨＥＮ　Ｇ　Ｑ．Ｒｅｖｅｒｓｅ－ｆｉｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ｉｎ—　ｔｅｒ－ｃｉｔｙ　ａｉｒｌｉｎｅ　ｐａｓｓｅｎｇｅｒ　ｆｌｏｗｓ　ｂｙ　ａｎ　ａｌｇｅｂｒａｉｃ　ｓｉｒｅ—　ｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ，　２００４，１２（３）：２１９－２３４．　王炜，陈学武．交通规划［Ｍ］．北京：人民交通出版　社，２００７．　［１８２钱江海，韩定定．基于预期流优化的空间网络引力　模型［Ｊ］．物理学报，２００９，５８（５）：３０２８—３０３３．　［１９］江小帆，李　翔，陈关荣．复杂网络理论及其应用　［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．　Ｇｒａｖｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　Ａｉｒｌｉｎｅ　Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ　Ｆｌｏｗ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ