填充型环氧钢绞线斜拉索张拉多孔反力架设计优化_姚永峰.pdf

2023.3,3（2）|工程建造与维护填充型环氧钢绞线斜拉索张拉多孔反力架设计优化姚永峰，赵军，金平，陈丹丹（江苏法尔胜缆索有限公司，江苏 江阴，214445）摘要：传统的填充型环氧钢绞线斜拉索张拉多孔反力架多为整体式焊接结构，规格型号众多，包装运输体积大，单件重量也较重。本文依托某斜拉桥，针对六种规格型号的斜拉索张拉多孔反力架进行设计优化：根据钢绞线斜拉索锚板孔的排列形式，通过变位法实现不同规格型号多孔反力架的通用性；反力架焊接结构调整为螺栓连接，形成可拆卸式结构，实现构件模块化；通过有限元结构受力分析，优化构件尺寸，降低反力架重量。关键词：填充型环氧钢绞线斜拉索；多孔反力架；可拆卸；有限元分析Design optimization of the filled epoxy steel strand cable tensioning multiaperture reaction frameYAO Yongfeng,ZHAO Jun,JIN Ping,CHEN Dandan（Jiangsu Fasten Steel Cable Co.Ltd.，Jiangyin 214445，China）Abstract：The traditional steel strand cable-stayed tension multiaperture reaction frame is mostly a monolithic welded structure，with many specifications，large packaging and transportation volume，and heavy weight.Based on a cable-stayed bridge，this paper optimizes the design of six cable-stayed tension porous reaction frames.According to the arrangement of the holes of cable-stayed anchor plates of steel strands，the versatility of porous reaction frames of different specifications is realized by the conjugation method.The welding structure of the reaction frame is adjusted to bolted to form a detach-able structure and realize the modularization of components.Through the force analysis of finite ele-ment structure，the component size is optimized so as to reduce the weight of the reaction frame.Key words：the filled epoxy steel strand cable；multiaperture reaction frame；detachable；finite ele-ment method analysis引 言钢绞线斜拉索是现代斜拉桥斜拉索常用的一种结构形式，近 50 年来在欧美、日本等国家得到了广泛应用1。由于钢绞线拉索运输便捷，制作、穿索、张拉全过程“化整为零”，无需大型施工设备，所需张拉机具吨位小，采用逐根张拉的斜拉索挂索工艺后，对高空桥塔施工也有很好的适用性，近 10 年来，在中图分类号:U443.38；TG352 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0060-05收稿日期：2023-02-25基金项目：法尔胜泓昇集团有限公司科研项目（2022KY-02）。作者简介：姚永峰（1981），男，硕士，高级工程师。研究方向：桥梁缆索制造与安装。60填充型环氧钢绞线斜拉索张拉多孔反力架设计优化 姚永峰 等国内也得到普遍应用2-5。填充型环氧涂层钢绞线采用多层防护，解决了钢绞线的腐蚀问题，拉索外层的高密度聚乙烯（HPDE）防护套管抗裂性能好，其耐久性能更佳4-6，成为钢绞线斜拉索的一个重要类型。钢绞线斜拉索张拉分为整体张拉和单根张拉两种施工工艺，显然，单根张拉更能体现钢绞线斜拉索体系的优势7。目前单根张拉国内也有两种方式：一种是利用传感器来控制单根张拉索力，张拉时每根钢绞线的控制力按当时传感器的变化值进行控制；另一种是利用单根张拉索力逐步减小的非线性关系经验数据软件，实现对斜拉索的等值张拉控制5-9。工程上，第一种张拉方式更能保证整束斜拉索中单根钢绞线索力的均匀性。对于钢绞线斜拉索张拉反力架，同样也有两种方式：一种是多孔反力架，一种是单孔反力架。一般情况下，斜拉索锚板上钢绞线之间距离较小，采用单孔反力架张拉时，容易损伤周边钢绞线防护层，降低斜拉索寿命，因此，一般推荐使用多孔反力架进行钢绞线斜拉索单根张拉。传统的多孔反力架一般与斜拉索规格独立对应配置，拉索规格越多，配套的反力架规格越多；且反力架为整体焊接式，包装运输体积大，单件重量也较重。这种反力架施工起来较为不便，且未考虑工装的标准化发展，存在一定的不足。本文主要针对填充型环氧涂层钢绞线斜拉索利用传感器单根张拉使用的多孔反力架进行设计分析优化。1工程背景某工程位于西部山区，桥梁为 60+160+500+160+60=940 m双塔双索面半漂浮体系钢混凝土组合梁斜拉桥。斜拉索采用高强度低松弛 15.2 mm填充型环氧涂层钢绞线，强度等级 1860 MPa，破断拉力不小于 279 kN。全桥共 160 根斜拉索，塔上采用钢锚梁锚固、梁上采用锚拉板锚固。根据索力大小不同，斜拉索分为 6种规格，分别为：15-39，15-47，15-55，15-59，15-73，15-78根。本工程钢绞线斜拉索施工采用单根穿索、单根张拉工艺。穿索张拉过程中，在第一根钢绞线上设置压力传感器，后续钢绞线张拉力均按第一根钢绞线上的传感器显示值控制，确保整束钢绞线索力均匀性。斜拉索单根张拉组件包括：多孔反力架、垫片、压力传感器、单孔锚、单根张拉千斤顶，如图 1所示。按斜拉索设计张拉力推算，本工程钢绞线最大单根张拉力约为 78 kN，考虑到多孔反力架的通用性，根据设计规范，斜拉索安全系数不低于 2.5，因此，多孔反力架单根钢绞线张拉设计载荷取：279/2.5=112 kN。2多孔反力架优化分析传统的多孔反力架多为焊接结构，由承压顶板、支撑立柱、定位底板焊接而成。本文针对承压顶板孔位布置，反力架支撑立柱高度以及承压顶板结构受力情况进行分析优化。2.1变位法孔位调整多孔反力架承压顶板上的孔位布置同钢绞线斜拉索锚板的孔位布置一致，通过多年实践，不同规格的填充型环氧涂层钢绞线斜拉索，其锚板上相邻孔位钢绞线之间的设计距离恒定不变，均为 A，且总体呈正六边形布置，如图 2 所示。但各规格斜拉索锚板中心线和中心钢绞线孔之间的相对位置关系并不一致，其中 15-55，15-59，15-73，15-78 四种规格锚板中心线与中心钢绞线孔重合，15-39规格锚板左右中心线与中心钢绞线孔不重合，15-47 规格锚板上下、左右中心线与中心钢绞线孔均不重合。多孔反力架承压顶板孔位呈正六边形布置，且孔间距一致，通过变位，15-39规格孔位水平移动 A/2，15-47 规格孔位水平移动 A/2、上下移动 B，则这两种规格孔位同 15-78规格部分孔位重合，如图 3所示。另外，15-55，15-59，15-73 规格孔位不用变位也同 15-78 规格部分孔位重合。也就是说，通过变位，15-78 规格多孔反力架承压顶板孔位可覆盖完成其图 1填充型环氧涂层钢绞线斜拉索单根张拉示意图图 2不同规格斜拉索锚板孔位布置 61他规格钢绞线斜拉索的张拉。2.2可拆卸标准化立柱根据带传感器的单根钢绞线斜拉索张拉工艺，多孔反力架的高度跟钢绞线斜拉索规格无关，由垫片厚度、传感器高度、单孔锚高度、承压顶板厚度、定位底板厚度以及一定的操作余量确定，如图 4所示。通过分析，张拉工艺涉及的各构件高度均可统一，因此，多孔反力架支撑立柱可统一高度为：H=La+Lb+Lc+Lf-t2=195 mm式中 La为填充型环氧钢绞线单孔锚高度，选用55 mm；Lb为传感器高度，选用 90 mm；Lc为垫片高度，选用 30 mm；Lf为操作空间余量，按经验取 35 mm；t2为定位底板高度，取 15 mm；t1为承压顶板高度。多孔反力架工作时，通过承压顶板、支撑立柱、定位底板依次向下传递张拉反力至支撑面，原反力架各构件连接焊缝位置不承受较大的复杂应力，可优化为可拆卸的螺栓连接结构，如图 5所示。优化为螺栓连接结构后，不仅加工包装运输更加经济方便，如由于张拉工艺调整，垫片厚度、传感器高度、单孔锚高度、承压顶板厚度、定位底板厚度发生变化时，仅需调整更换支撑立柱即可，各构件均可实现标准化。2.3承压顶板尺寸优化原多孔反力架承压顶板为 42CrMo 材质，调质硬度 HRC2226，厚度 50 mm。对该反力架进行有限元分析计算，弹性模量取 2.1105 MPa，泊松比取0.3，网格类型采用 SOLID185，网格尺度 10 mm，在应力较大部位局部进行加密，反力架底面进行约束，通过模拟千斤顶顶头接触方式加载，载荷为112 kN，最后查询反力确认计算结果的准确，有限元计算模型图如图 6所示。通过 ansys结构受力计算，原圆形承压顶板在内接六边形以外的区域应力较低，因此，承压顶板可优化为六边形。而后，针对 15-78 规格多孔反力架，计算得到不同六边形承压顶板厚度情况下，中心、外层钢绞线张拉时多孔反力架的应力分布情况，如图 712，表 1所示。单根钢绞线张拉过程中，周边孔位还承受较大的剪力，参考镦头锚具结构受力计算方式，剪应力计算公式如下：=T6ht1图 6有限元计算模型图 3变位法调整多孔反力架孔位图 4多孔反力架高度示意图 5多孔反力架螺栓连接 62填充型环氧钢绞线斜拉索张拉多孔反力架设计优化 姚永峰 等式中 T为张拉载荷，取 112 kN；h为孔间距，h=4 m。如图 13所示。剪应力计算结果如表 1所示。查锻 件 用 结 构 钢 牌 号 和 力 学 性 能（GB/T 17107），42CrMo 调质屈服强度为 650 MPa，根据表1，多孔反力架承压顶板厚度取 40 mm 时，结构仍安全可靠。图 7顶板厚50 mm中心钢绞线张拉综合应力云图（单位：MPa）图8顶板厚45 mm中心钢绞线张拉综合应力云图（单位：MPa）图 9顶板厚40 mm中心钢绞线张拉综合应力云图（单位：MPa）图10顶板厚35 mm中心钢绞线张拉综合应力云图（单位：MPa）图11顶板厚50 mm外层钢绞线张拉综合应力云图（单位：MPa）图12顶板厚40 mm外层钢绞线张拉综合应力云图（单位：MPa）图 13单根钢绞线张拉承压面示意图表 1不同顶板厚度下应力汇总表顶板厚度/mm50454035中心最大综合应力/MPa341446550683外层最大综合应力/MPa202/485/最大剪应力/MPa93104117133 633优化方案比较依托工程为双塔双索面斜拉桥，需 8 套设备同时进行斜拉索的安装张拉。通过上述优化分析，兼顾通用性，填充型环氧涂层钢绞线斜拉索单根张拉多孔反力架最终设计为 8套 15-78规格标准化、可拆卸的通用结构，通过变位可满足全桥所有规格钢绞线斜拉索的单根张拉，优化后的多孔反力架主要参数如表 2所示。优化后的多孔反力架承压顶板为六边形结构，厚度为 40 mm，支撑立柱高为 195 mm，具体参数见表 2。承压顶板和定位底板之间通过螺栓连接，实现标准化、可拆卸化。与原焊接结构多孔反力架相比，重 量 降 低 了 83%，体 积 降 低 了 95%，如 表 3所示。4结 语填充型环氧涂层钢绞线作为斜拉索重要的结构形式之一，其安装张拉工艺值得深入研究，本文结合依托工程，对填充型环氧涂层钢绞线斜拉索单根张拉多孔反力架进行分析，提出以下三种优化措施：（1）通过变位法实现多孔反力架的通用性，单个15-78多孔反力架能满足 15-39，15-47，15-55，15-59，15-73，15-78六种规格钢绞线斜拉索的单根张拉。（2）优化多孔反力架焊接连接为螺栓连接，实现多孔反力架各构件的标准化和可拆卸化，尤其是支撑立柱。（3）根据强度等级 1860 MPa 的15.2 mm 填充型环氧涂层钢绞线破断拉力，通过有限元结构计算，优化多孔反力架承压顶板的厚度和形状，使其受力状态更加合理。按上述优化措施设计的多孔反力架已在依托工程上应用，取得了较好的经济效益，值得类似项目借鉴。后续将对填充型环氧涂层钢绞线斜拉索锚板、承压板与多孔反力架之间的定位连接进行深入研究。参考文献：1 张灵湘，陈定平.钢绞线斜拉索存在的技术问题与改进措施 J.湖南交通科技，2003，29（2）：72-73.2 谭毅勇，何国明，付委，等.平行钢绞线斜拉索单根张拉装置改进探讨 J.道路桥梁，2019，46（23）：128-129.3 单继安，姜平，许奇峰，等.桥梁钢绞线拉索发展应用技术研究 J.安徽建筑，2019，26（12）：151-154.4 李国平，黎金星.基于无应力长度目标的平行钢绞线斜拉索张拉方法 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