港珠澳大橋25 600 kN鋼塔起吊吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析*

丁楊建1 阮家順2 黃新明2 吳 濤2 張 濤1

(1.華中科技大學(xué)，武漢 430074； 2.武船重型工程股份有限公司，武漢 430415)

摘 要：為了保證港珠澳大橋25 600 kN鋼塔起吊工況的安全性，采用有限元方法將吊具、連接結(jié)構(gòu)和鋼塔進行一體化建模，對吊裝過程中結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力計算及強度校核。計算表明，初始設(shè)計方案中連接吊耳和鋼塔的螺栓群受力不均勻情況嚴(yán)重，個別螺栓拉應(yīng)力超出許用應(yīng)力，是結(jié)構(gòu)薄弱點。通過對吊點結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化，采取貫穿插入式焊接結(jié)構(gòu)增加連接的可靠性，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，吊具及螺栓群強度均滿足要求，且螺栓群受力不均勻程度明顯降低。

關(guān)鍵詞：港珠澳大橋； 鋼塔； 吊具； 有限元

1 概 述

港珠澳大橋是連接香港、珠海和澳門的超大型跨海通道，總長49.968 km，是里程最長、投資最多，施工難度最大的跨海橋梁項目。本文的工程背景是港珠澳大橋138號鋼塔的橫向翻身180° 工程，138號“海豚型”鋼塔設(shè)計為副塔在上、主塔在下，由于海上吊裝的環(huán)境限制，需要把鋼塔橫向翻身180° 改為主塔在上、副塔在下，為吊裝創(chuàng)造有利條件，便于施工。

在138號鋼索塔橫向翻身工程中，首先用兩臺龍門吊將鋼塔起吊運輸至翻身場地。鋼塔最大外形尺寸為19 m×20 m×105 m，重量約25 600 kN。由于該塔屬于不規(guī)則超大、超重鋼結(jié)構(gòu)，吊點、連接方式的選擇，吊具的結(jié)構(gòu)設(shè)計等都是重點、難點，需要進行仿真計算確保強度滿足要求。在前期的工作中，對扁擔(dān)梁、吊耳和框型吊架等吊具以及鋼塔單獨建模分別校核其強度和穩(wěn)定性，確定了方案的整體可行性。在實際施工中，鋼塔由于自重產(chǎn)生位移，使吊具受力不均勻，導(dǎo)致安全系數(shù)降低，而且不均勻程度不能確定。因此，將初步優(yōu)化過的吊具及鋼塔整體建模進行計算，本文討論了大型工程整體仿真建模進行強度校核的方法，分析了連接螺栓群不均勻受力的情況[1-3]，并提出改善方案[4-6]，為工程設(shè)計及施工提供依據(jù)。

2 幾何模型

2.1 鋼塔起吊方案

起吊用兩臺龍門吊分別連接138號鋼塔塔底塔尖，每臺龍門吊有兩個額定載荷為10 000 kN吊鉤，鋼塔和起吊吊具總重約為29 400 kN，為使4個吊鉤受力均衡，塔尖吊點和塔底吊點與重心位置接近。用鋼索繩連接吊鉤與扁擔(dān)梁上端的吊環(huán)，扁擔(dān)梁下端的吊環(huán)用銷軸與吊耳連接。塔底與兩吊耳用螺栓栓接，塔尖起吊處裝有框型吊架，框型吊架與鋼塔之間墊滿枕木，用螺栓連接框型吊架與兩吊耳，各部件裝配示意如圖1所示。

2.2 吊具模型及螺栓連接形式

鋼塔起吊使用扁擔(dān)梁、吊耳和框型吊架3種吊具。吊耳包括塔底吊耳與塔尖吊耳，模型包括側(cè)板、腹板、吊環(huán)、底板和加強的矩形板及三角板。扁擔(dān)梁包括塔尖扁擔(dān)梁與塔底扁擔(dān)梁，模型包括側(cè)板、腹板、吊環(huán)、底板和加強板。框型吊架頂端做為塔尖吊點，下端固定鋼塔主塔，上端固定鋼塔副塔，框型吊架總長6.2 m，寬2 m，高13.753 m。塔底吊耳模型如圖2所示。

鋼塔塔底Z1節(jié)段底部有8排螺栓孔，用來與海上Z0節(jié)段對接，其中外側(cè)4排和中間2排螺栓孔也作為吊耳與鋼塔連接螺栓孔與吊耳底板和側(cè)板栓接，塔底吊耳底板共6排螺栓，在兩吊環(huán)中間有2排螺栓，吊環(huán)外側(cè)各有2排螺栓，塔底吊點使用M24摩擦型高強度螺栓，螺栓間距為80 mm。塔尖吊耳與框型吊架栓接，吊耳底板共有5排螺栓，在兩吊環(huán)內(nèi)有一排螺栓，吊環(huán)外側(cè)各有2排螺栓，塔尖吊點采用M30螺栓，螺栓間距為90 mm。

3 有限元模型

鋼塔長約105 m，在塔底塔尖兩端受力起吊時，鋼塔產(chǎn)生的撓度對吊具受力的影響不能忽視，因此采用一體化建模方法，可更加準(zhǔn)確、有效地模擬真實受力情況。根據(jù)CAD圖紙精確建模，用節(jié)點耦合或單元連接的方法將鋼塔和吊具模型組裝，根據(jù)實際情況選取單元、材料參數(shù)，建立有限元模型。

3.1 材料參數(shù)

鋼材參數(shù)根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》選取，鋼塔塔體采用Q345鋼，許用應(yīng)力為230 MPa。吊具采用Q690高強鋼，許用應(yīng)力為492 MPa，彈性模量為2.1×105 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

采用M24 和M30兩種規(guī)格摩擦型高強度螺栓，性能等級均為10.9S，根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》，10.9S級高強度螺栓中，M24螺栓的預(yù)拉力為225 kN, M30螺栓的預(yù)拉力為355 kN，在受拉連接時，單個摩擦型高強度螺栓沿螺桿軸向許用承載力[Pt]=0.8Pg(Pg為高強度螺栓預(yù)拉力)。M24螺栓的軸向許用承載力[Pt]為180 kN, M30螺栓的軸向許用承載力[Pt]為284 kN，如表1所示。螺栓屈服極限[σs]=900 MPa，安全系數(shù)n=1.34，螺栓許用拉應(yīng)力[σb]=900/1.34=671 MPa，許用剪應(yīng)力取[τs]=[σb]/1.732=388 MPa。

3.2 單元類型及網(wǎng)格劃分

采用4結(jié)點四邊形單元Shell 181來模擬所有板材結(jié)構(gòu)，采用Beam 188單元模擬部分縱橫骨架、加強板和高強螺栓，用實體單元Solid 185模擬鋼塔塔尖與框型吊架之間墊的枕木，用彈簧單元Combin 14模擬鋼索繩，采用MPC 184單元模擬吊耳和扁擔(dān)梁之間的固定連接[7-9]。

整體建模計算主要校核吊具的強度，分析連接螺栓群不均勻受力情況。由于鋼塔模型過大，網(wǎng)格劃分過細，會造成計算時間浪費，鋼塔全局網(wǎng)格尺寸取為200 mm，可以達到較好的收斂結(jié)果[10]。對于吊耳螺栓孔以及吊環(huán)孔等吊具受力較大處，用細網(wǎng)格劃分，尺寸取為30 mm，以得到更準(zhǔn)確的計算結(jié)果。對于吊具其他部分，網(wǎng)格尺寸取為100 mm。塔底、塔尖吊點網(wǎng)格劃分見圖3、圖4。

3.3 螺栓連接模擬

鋼塔Z1節(jié)段和框型吊架與吊耳通過螺栓連接，在模型中，采用Beam 188單元來模擬螺栓。吊耳底板和側(cè)板每個螺栓孔的位置有一個節(jié)點，在Z1節(jié)段和框型吊架上有相對應(yīng)的節(jié)點，用Beam 188單元連接相互對應(yīng)的節(jié)點。圖5、圖6為塔底、塔尖吊耳螺栓分布示意。

3.4 邊界條件與荷載

鋼塔水平放置起吊，共有4個吊點，吊耳與扁擔(dān)梁下端用銷軸固定連接，在模型中，在每個吊環(huán)孔中心創(chuàng)建一個節(jié)點，用MPC 184連接吊環(huán)上節(jié)點與吊環(huán)中心處節(jié)點，再將中心節(jié)點連接。扁擔(dān)梁上端吊環(huán)與彈簧單元連接，將彈簧單元另一端節(jié)點約束x、y、z三方向位移自由度。

主要荷載為整體結(jié)構(gòu)自重，根據(jù)吊機實際工作情況，考慮起升沖擊系數(shù)和動荷載系數(shù)為1.2，總重量為35 280 kN。工作風(fēng)級小于6級，風(fēng)荷載作用在鋼塔表面，在表面節(jié)點加載250 kN模擬風(fēng)荷載作用。鋼塔起吊整體有限元模型如圖7所示。

4 計算結(jié)果分析

4.1 鋼塔及吊具受力分析

計算完成后，在ANSYS后處理器中得到結(jié)構(gòu)位移和Mises應(yīng)力。圖8、圖9為鋼塔和吊具應(yīng)力云圖。

由于鋼塔塔底塔尖兩吊點分別在Z1節(jié)段最下端，Z11節(jié)段最上端，兩吊點距離82.2 m，起吊后鋼塔產(chǎn)生撓度，塔中最大位移為59 mm。鋼塔主塔和副塔內(nèi)都有橫隔板和縱骨架結(jié)構(gòu)，塔底吊點加裝工字鋼加強，在塔尖吊點增加了橫隔板，主塔和副塔結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為127 MPa，主副塔柱連系桿與主塔連接處受到擠壓，連系桿根部應(yīng)力為157 MPa。塔尖吊耳加強板與框型吊架焊接，起到承載作用，最大應(yīng)力為414 MPa。鋼塔和吊具最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足要求。

4.2 螺栓群受力分析

鋼塔起吊系統(tǒng)關(guān)于縱切面對稱，在塔底、塔尖吊點選取右側(cè)吊耳連接螺栓進行受力分析，將鋼塔完全起升后，螺栓群承載達到最大，螺栓受到拉力、彎矩、剪力等組合作用，拉力和彎矩引起的正應(yīng)力相互疊加，讀取Mises應(yīng)力可以反映出螺栓群的最大正應(yīng)力。螺栓群最大Mises應(yīng)力為875 MPa，摩擦型高強度螺栓最大應(yīng)力超出了許用應(yīng)力[σb]=671 MPa，塔底、塔尖吊耳底板螺栓群最大軸向荷載超出許用荷載。表2為計算結(jié)果。

塔底、塔尖吊耳側(cè)板螺栓承受軸向荷載很小，主要承受剪切荷載，在不計算螺栓摩擦力，只考慮螺桿承載的情況下，剪切荷載使螺桿產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為376 MPa，小于許用剪應(yīng)力。實際上，摩擦型高強度螺栓群在摩擦滑移前，螺栓群承載趨于均勻分布，摩擦滑移后，螺桿可以承受剩余剪切荷載，吊耳側(cè)板螺栓連接強度可靠。

將螺栓受力有限元計算結(jié)果數(shù)據(jù)整理分析，選取塔底吊耳底板第3、4排螺栓和塔尖吊耳底板5排螺栓，繪制螺栓群的荷載分布曲線，如圖10、圖11所示，底板螺栓從左到右編號。

從圖10可以看出，塔底吊耳底板螺栓所受軸向荷載變化趨勢相同，中間編號和兩端編號螺栓受力較大，其余螺栓受力較為均勻。塔底吊耳底板螺栓計算得到軸向荷載存在負值，但在實際情況中，螺栓不會受壓，說明與螺栓連接的鋼板之間存在壓力，這同樣會降低螺栓的預(yù)緊力。部分螺栓沒有起到軸向承載作用，作為摩擦型高強度螺栓，預(yù)緊力在許用范圍內(nèi)，可以在起吊轉(zhuǎn)運過程中提供充分的摩擦力。

第3排和第4排螺栓在兩吊環(huán)內(nèi)側(cè)，靠近塔中的第4排螺栓承載大于靠近塔底的第3排螺栓，這是由于鋼塔起吊后，塔中下沉，距離塔中越近，撓度越大，靠近塔中的連接螺栓承受更大的荷載。

由圖11可知，塔尖吊耳5排螺栓荷載變化趨勢相同，每排螺栓都是兩端承載最大，中間受力很小。最外側(cè)兩排螺栓軸向荷載存在負值，沒有承載。第3排螺栓在兩吊環(huán)中間，承載最大，最大荷載為372 kN，超出許用荷載?？拷械牡?、2兩排螺栓與靠近塔尖的第4、5兩排螺栓承載大小幾乎一樣，這是因為塔尖吊點有框型吊架，框型吊架與鋼塔之間墊有枕木，鋼塔下沉變形不會使框型吊架產(chǎn)生較大撓度。塔尖吊耳加強板焊接在框型吊架上，使螺栓群承載減小。

從計算結(jié)果可以看出，吊耳的連接螺栓群受力不均勻程度很大，螺栓群兩端受力較大，最外側(cè)兩排螺栓幾乎沒有承載。在設(shè)計吊耳結(jié)構(gòu)時，為保護鋼塔節(jié)段，使鋼塔不產(chǎn)生塑性變形，吊耳底板設(shè)計厚度小于鋼塔鋼板厚度。起吊拉伸時，吊耳底板的剛度小，導(dǎo)致螺栓受力不均勻，個別螺栓軸向荷載很大。

5 吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強

由計算結(jié)果可知，螺栓群最大應(yīng)力超出許用應(yīng)力，最大軸向荷載超出許用值，不能保證起吊運輸施工安全。吊具結(jié)構(gòu)已經(jīng)制作完成，經(jīng)過計算分析，決定采用焊接加強，將塔底、塔尖吊耳底板四周和接觸鋼板焊接，增加底板剛度，降低螺栓承載，使螺栓受力不均勻程度減小，同時在內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)：在塔尖吊點，采取貫穿插入式焊接結(jié)構(gòu)，將與吊耳連接的框型吊架內(nèi)加3塊橫隔板并與吊耳加強板焊接，在塔底吊點，用三角板加強鋼塔Z1節(jié)段，增加了鋼塔栓接板的厚度，施工完成后拆卸方便，如圖12所示。

根據(jù)GB/T 3811—2008中角焊縫的計算，角焊縫剪切許用應(yīng)力

。塔底焊縫許用應(yīng)力為220 MPa，塔尖焊縫許用應(yīng)力為460 MPa。

在ANSYS軟件中用MPC 184單元連接吊耳底板四周節(jié)點和栓接板節(jié)點，模擬焊縫。對加強后的模型進行計算，得到焊縫最大應(yīng)力、螺栓最大應(yīng)力和螺栓軸向荷載如表3所示。

選取優(yōu)化前、后塔底吊耳底板第4排螺栓計算結(jié)果進行對比，繪制螺栓軸向荷載分布曲線見圖13。

由計算結(jié)果可知，優(yōu)化后螺栓受力不均勻程度降低，塔底塔尖吊耳焊縫最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，螺栓群最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，塔底塔尖吊耳底板螺栓群最大軸向荷載在許用范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)強度滿足起吊運輸要求。

6 結(jié) 論

1)根據(jù)鋼塔和吊具的計算結(jié)果，驗證了大型工程一體化建模方法強度校核的有效性，一體化模型考慮了整體位移的影響，更加準(zhǔn)確地模擬鋼塔起吊過程中結(jié)構(gòu)受力，并計算出螺栓群的受力分布。

2)吊耳底板螺栓承受鋼塔起吊的主要荷載，由于鋼塔起升后中部下沉，越靠近塔中部，撓度越大，導(dǎo)致靠近鋼塔中部的螺栓受力明顯大于在外端的螺栓。吊耳底板設(shè)計厚度偏小導(dǎo)致剛度不足，這使得在吊耳吊環(huán)兩側(cè)的螺栓承載較大，遠離吊環(huán)的外側(cè)螺栓幾乎不受軸向荷載。吊耳底板螺栓軸向荷載分布不均勻，螺栓群最大軸向荷載超出許用值，不能保證起吊安全。

3)將吊耳底板四周焊接，并在內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)，增加栓接板的剛度，降低了螺栓的軸向荷載和受力不均勻程度，提高了安全系數(shù)。加強后螺栓最大Mises應(yīng)力為469 MPa，塔底吊點螺栓群最大軸向荷載為209 kN，焊縫最大應(yīng)力為120 MPa，塔尖吊點螺栓群最大軸向荷載為152 kN，焊縫最大應(yīng)力為146 MPa，均在許用范圍內(nèi)。該加強方案已經(jīng)在港珠澳大橋138號鋼塔起吊運輸工況中得到成功應(yīng)用。

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STRUCTURE OPTIMIZATION FOR HOISTING DEVICE CRANING 25 600 KILONEWTON OF STEEL PYLON OF HONG KONG-ZHUHAI-MACAU BRIDGE

Ding Yangjian1 Ruan Jiashun2 Hang Xinming2 Wu Tao2 Zhang Tao1

(1.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China； 2.Wuchuan Heavy Engineering Co.Ltd，Wuhan 430415，China)

ABSTRACT：To make sure the security of craning 25 600 kN tons of steel pylon of the Hong Kong-Zhuhai-Macau bridge, finite element method was adopted to conduct integrated modeling of hoisting device, connecting structure and steel pylon. Stress calculation and strength checking of structure were carried out in the process of hoisting. The results showed that the bolt groups connected lifting lugs and steel tower in the initial design schemes were under serious nonuniform stress. Where the tensile stress of some bolts exceeded allowable stress were weak spots of structure. To improve the reliability of connecting structure, local structure of hoisting device were optimized and plug-type welded structure was used. After the optimization, the strength of hoisting device and bolt groups met requirements, and the nonuniform degree of stress exerted to bolt groups was obviously reduced.

KEY WORDS：Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge; steel pylon; hoisting device; finite element method

*國家自然科學(xué)基金項目(10702022);華中科技大學(xué)青年教師基金項目(0114140034)。

第一作者：丁楊建，男，1993年生，碩士研究生。

Email:dingyangjian00@163.com

收稿日期：2016-10-24

DOI：10.13206/j.gjg201704014