江津觀音巖疊合梁斜拉橋施工過程靜力穩定性分析

劉 偉

(西南交通大學土木學院,四川 成都 610031)

隨著施工技術的發展、分析理論的完善以及新材料、新工藝的廣泛應用,當前斜拉橋的發展具有“跨大塔高”的鮮明特點。而由于大跨度疊合梁斜拉橋的獨特性,其桿件多、施工工序復雜,主梁剛度在施工期間相對鋼斜拉橋和混凝土斜拉橋更小,導致其施工階段的幾何非線性影響更加顯著,相應的穩定性問題也愈來愈突出,這一直是設計和施工單位十分關注的問題。本文針對重慶江津觀音巖長江公路大橋,考慮施工過程的變形和應力的疊加效應,用包含梁、殼和索單元的空間結構混合模型,運用大型通用程序ANSYS10.0進行了大橋的結構行為分析,著重研究了在施工全過程中的結構靜力穩定性問題。

1 工程概況

重慶江津觀音巖長江大橋目前正在建設中,其主橋是雙塔雙索面疊合梁斜拉橋,縱向半漂浮體系,主跨 436m,橋跨布置為(35.5+186+436+186+35.5)m,其中 35.5 m為壓重T梁。大橋采用鉆石型索塔,主梁截面型式為雙工字鋼疊合梁。其橋型布置如圖 1所示。

圖1 觀音巖疊合梁斜拉橋橋型布置圖(單位:cm)

本文按照該橋的施工程序,將該橋的施工過程結構靜力穩定性分析劃分為 221個計算工況,即:

(1)工況 1:斜拉橋索塔及過渡墩、輔助墩施工。

(2)工況 2～工況 203:工字鋼縱梁吊裝、栓接,橫梁吊裝、栓接,橋面板安裝、濕接縫澆注以及斜拉索的各次張拉等。

(3)工況 204～工況 220:全橋的第四次調索。

(4)工況 221:橋面鋪裝及其它附屬設置施工等,全橋施工結束。

其中:工況 99為最大雙懸臂狀態,工況 197為最大單懸臂狀態。

2 施工過程靜力穩定性分析的有限元方法

2.1 計算方法

研究穩定可以從小范圍內觀察,即在鄰近原始狀態的微小區域內進行研究;為揭示失穩的真諦,也可以從大范圍內進行研究。前者以小變形理論為基礎,而后者則建立在大變形非線性理論的基礎上,從而引出了研究穩定問題的兩種形式[1]:第一類穩定,分支點失穩問題;第二類穩定,極值點失穩問題。本文只研究重慶江津觀音巖長江公路大橋施工過程的第一類穩定,即分支點失穩問題。

在有限元計算中,考慮結構的幾何剛度,該剛度反應了結構的不穩定因素。當外力增加 λ倍時,桿力和幾何剛度矩陣也增大了 λ倍,因而可以寫出下式:

如果 λ足夠大,使得結構達到隨遇平衡狀態,節點位移矩陣由{δ}變為{δ}+{⊿ δ},上式平衡方程也能滿足,則:

同時滿足上述兩式的條件是:

式中:[K]D為結構總體彈性剛度矩陣;[K]σ為結構總體幾何剛度矩陣;λ為結構穩定安全系數;

這就是計算穩定安全系數的特征方程式。如果方程有n階,那么理論上存在 n個特征值 λ1,λ2…λn,工程問題中只有最低階特征值才有意義。

根據斜拉橋穩定性計算原則、穩定性分析模型以及通用有限元軟件 ANSYS的特點,關于重慶江津觀音巖長江公路大橋施工過程的第一類穩定性分析的特征值求解流程如圖2所示。

圖2 第一類穩定求解流程

2.2 大橋的有限元模型概況

為了能正確模擬主梁的抗扭剛度和橋面板的剪力滯效應,模型中按實際的主梁結構建立施工過程第一類穩定分析模型。根據該橋的施工圖及工字形鋼主梁梁段劃分,主橋施工全過程結構第一類穩定分析模型的橋梁計算長度為 808 m。其中,斜拉索用 LINK 8單元模擬,單元數量為 136個;橋面板用 SHELL181單元模擬,單元數量為 3328個;索塔、過度墩、輔助墩、工字鋼主梁、工字鋼橫梁、小縱梁等用BEAM 44單元模擬,單元數量為 2917個;斜拉索與主梁及索塔之間用大剛度單元模擬,單元數量為 272個;全橋單元總數為 6653個。離散后的大橋計算模型如圖3所示。

圖3 觀音巖疊合梁斜拉橋有限元離散圖

按靜力等效原則將主要施工荷載(吊機、拼接板、錨拉板、吊裝反力、邊跨壓重等)處理為等效節點力施加到有限元模型上。

3 計算結果及分析

公路斜拉橋設計細則[2]要求斜拉橋的“結構穩定安全系數應大于 4”,該值是“參照拱橋的穩定安全系數取用”。在公路橋梁中,傳統的對拱橋整體穩定安全系數K要求大于 4～5的概念來源于第一類穩定問題,本質上是針對簡化的平面計算模型所給出的彈性穩定安全系數[3]。

根據前面介紹的方法計算了該橋各施工全過程的第一類穩定安全系數,其隨施工過程的變化曲線如圖 4所示。

圖4 第一類穩定安全系數隨施工階段變化曲線

圖4表明,在單懸臂和雙懸臂施工階段,第一類穩定安全系數整體上均呈下降趨勢,這是由于隨著懸臂梁段的伸長,結構變得細長,結構的整體剛度降低,主梁軸向壓力的增大導致;只是在這兩種狀態的轉折點有突變,這是因為點為施工至輔助墩,增大了結構的整體剛度的原因。總之,該橋施工過程的第一類穩定安全系數均大于 4,滿足規范中關于斜拉橋的“結構穩定安全系數應大于 4”的要求。可見,從《橋規》的角度而言,在施工過程中,重慶江津觀音巖長江公路大橋的彈性穩定性是滿足要求的。

4 結論與展望

計算分析結果表明,隨著懸臂的增大,結構的整體穩定性在逐漸降低,因此有必要對大跨度橋梁在施工過程的穩定性進行全過程分析,為設計和施工提供指導作用。

本文側重分析了該橋施工過程的第一類穩定性,而疊合梁斜拉橋施工過程中混凝土的收縮徐變問題、結構的幾何非線性、材料非線性的影響等對結構的受力特性的影響較大,期待以后能綜合考慮各項因素對施工狀態的影響進行第二類穩定性分析,這樣才能更加真實地反映結構在施工過程中的穩定性。

[1]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版社,2001

[2]JTG/T D 65-01-2007公路斜拉橋設計細則 [S]

[3]謝幼藩,趙雷.萬縣長江大橋 420m鋼筋混凝土箱型拱的施工穩定性分析[J].橋梁建設,1995(1):77-81