雙拱塔斜拉橋施工控制計算
2010-12-31 00:00:00任銀,曾德榮,宋成偉
中華建設科技 2010年10期
【摘 要】本文針對雙拱塔斜拉橋的特點，對斜拉索、水平索初張索力、成橋索力的確定方法進行了探討并以此為基礎進行了這2個階段的索力確定，并進行了全橋施工過程仿真計算和施工過程中參數影響性分析。結果表明，采用該方法來確定斜拉橋的合理施工狀態是可行的，結果是合理的，為該橋的施工控制提供了依據。
【關鍵詞】雙拱塔斜拉橋;預應力混凝土梁;施工控制;仿真計算
Calculation of Construct on Control of Double Arches Tower Cable-Stayed Bridg
Ren Yin，Zeng De-rong，Song Cheng-wei
(Chongqing transportation university Chongqing 400074)
【Abstract】In this paper， the characteristics of double arches tower cable-stayed bridge，first cable tension of stay cable and horizontal cable and finished-stage cable force determination methods are discussed as the basis for these two phases to determine cable forces， and the simulation calculation of the construction process of the overall bridge wasmade.The parametric analysis of the completed bridge were conductde as well.The method takes account of the effect of geometrical nonlinearity characteristic of longspan cable-stayed bridge as well as the additional bending moments due to the vertical profile of the bridge deck.
【Key words】Double arches tower cable-stayed bridge; Prestressed concrete girder; Construction control; Simulation calculation
1. 工程概況
荔波縣官塘大橋位處荔波縣城區東面，樟江大橋下游800m官塘大道上，是連接荔波縣城時來壩片區與老城區的重要橋梁。橋長180m，橋梁起點樁號K0+030.5，終點樁號K0+210.5。跨徑布置為85+85m雙拱式獨塔雙索面PC雙主梁式斜拉橋(無引橋)。橋梁設計等級為公路-Ⅰ級，橋面總寬32m，雙向四車道。
圖1 橋梁立面布置圖
主梁采用C55混凝土，為實體雙主梁截面。全橋采用等高度截面，截面高度均為2.24m(主梁中心線處)。標準截面縱向每隔8m設一道橫隔板。橋面劃分為8個施工梁段，標準節段長8m，合龍段長2m，采用后支點掛籃懸澆施工。主塔為Q345D級鋼結構，截面輪廓尺寸為3200×2500mm(橫橋向×順橋向)，鋼箱壁厚J0-J2段為40mm，其余段均為30mm。鋼塔施工采用節段懸臂拼裝。全橋共設置2×9根水平索和4×9根斜拉索。橋梁的總體布置見圖1和圖2。
圖2 橋梁平面布置圖
2. 施工控制分析方法
2.1 成橋受力狀態的確定方法。
主要方法有:剛性支承連續梁法、零位移法、內力平衡法、指定應力法、彎曲能量最小法、彎矩最小法、用索量最小法和影響矩陣法等[1]。本橋采用彎曲能量最小法得到基本合理的成橋狀態下的一組索力值。此時的成橋狀態并不能完全滿足合理性要求，往往存在個別索力的突變問題。采用最小二乘法進行成橋索力的二次調整，保持結構彎矩較小的基礎上，得到的索力值比較均勻。
2.2 確定合理施工狀態的計算方法。
一般來說初張索力對成橋后的受力狀態并不起控制作用(體系轉換后的張拉力起控制作用)，但它對施工監控工作來說具有很大的意義，它是保證成橋后滿足合理成橋狀態(具體來說主要就是保證主梁線形和拉索索力)的重要調整手段。初張索力的確定還需滿足當前施工工況下的結構受力安全的要求。
目前確定合理施工狀態的計算方法一般有以下四種倒退分析法、前進倒退交互迭代法、無應力狀態控制法和正裝迭代法[2]。
本橋采用調試法確定斜拉索和水平索的初張索力，它是根據澆筑的混凝土方量按比例初定一個索力值，代入正裝計算，再根據各施工階段掛籃和主梁受力情況做適當調整，直到滿足要求為止。本橋斜拉索張拉次數為2次，水平索張拉次數為3次。以斜拉索為例，先按設計成橋索力的80%為初張索力值，代人模型進行計算，各施工階段中若主梁上緣壓應力或下緣拉應力達到其容許應力說明索力過大;若主梁上緣拉應力或下緣壓應力達到其容許應力說明索力過小。調整索力值(調整值在設計成橋索力的±5%內)，直到各施工階段主梁應力、撓度和索塔的偏移值(不超過5cm)符合要求。
3. 計算模型
3.1 計算模型離散。
監控計算采用橋梁博士V3. 10結構計算軟件建立官塘大橋的平面桿系有限元模型。將結構離散為183個平面梁單元， 217個節點。其中主梁96個單元，塔座6個單元，主塔48 個單元，斜拉索27個單元用拉索單元模擬，橋墩6個單元。塔座與橋墩固結。掛籃利用軟件中的掛籃系統模擬，每套掛籃劃分為2個單元。結構離散圖見圖3。
圖3 結構離散圖
3.2 施工階段的劃分。
為了達到施工控制的目的，必須首先通過計算來確定橋梁結構施工過程中每個階段受力和變形的理想狀態，以此為依據來控制施工過程中每個階段的結構行為，使之最終成橋線形和受力狀態與設計成橋線形和索拉力相符[3]。本橋采用后支點掛籃懸臂澆筑施工，全橋施工計算劃分見表1。
4. 主要計算內容和結果
荔波縣官塘大橋施工控制仿真計算的主要內容有:
(1)斜拉索索力。
(2)主梁撓度。
(3)主梁上緣應力、下緣應力。
(4)索塔偏移與應力。
4.1 施工過程索力的確定。
確定合理的成橋索力和初張拉索力，應綜合考慮以下有關因素: (1)已澆梁段的應力應控制在安全的范圍之內，不允許出現過大的拉壓應力; (2)主梁前端撓度變化值不宜太大;(3)鋼拱塔的偏移不宜過大，應力應控制在安全的范圍之內。
表1 官塘大橋施工階段計算步驟表
根據以上原則，以設計成橋索力為合理成橋索力的目標值，根據主梁受力情況反復調試確定初始張拉索力，最終計算成橋索力與設計索力如下表2和圖4，初始張拉索力如下表3。
表2 模型計算成橋索力與設計成橋索力
通常合理的彎矩分布應該是在主跨部分保持相當的負彎矩，而在塔墩梁固結處保持相當的正彎矩。在此原則下還可以根據具體情況進行局部分組調索使梁塔內力更合理[4]。由圖5可知官塘大橋的主梁彎矩圖符合以上標準。
合理成橋狀態下主梁內力圖見圖5:
圖4 設計成橋索力與計算成橋索力對比圖
表3 模型計算初張拉索力
圖5 合理成橋主梁彎矩圖(KN m)
4.2 主梁撓度。
主梁線形控制作為斜拉橋施工控制的主要內容之一，其重要性主要表現在線形的好壞直接影響到整個橋梁的美觀與橋梁的內力分布，而且決定著監控質量的優劣。
8號節段澆筑后梁端撓度為-24.6cm，8號節段斜拉索張拉后梁端撓度值為-1.48cm，合龍段澆筑后此處撓度值為2.43cm，順利合龍。最大懸臂施工過程中梁段最大撓度在2號節段末端為1.49cm。二期恒載施工前梁段最大撓度在7號節段末端為5.36cm。二期恒載施工后使主梁撓度下降較大，梁段最大撓度在7號節段末端為1.97cm。由圖6可知成橋階段最大撓度在5號節段末端為14.5cm。
圖6 成橋階段縱向撓度圖
4.3 主梁上緣應力、下緣應力。
主梁應力控制直接關系到橋梁施工安全，本模型計算結果:
懸臂施工階段主梁上緣最大壓應力9.69MPa;下緣最大壓應力14.3MPa;下緣最大拉應力1.43MPa，施工階段應力滿足規范要求。成橋時主梁上緣最大壓應力13.8MPa;下緣最大壓應力19MPa;下緣最大拉應力 0.08MPa，成橋階段應力滿足規范要求。
圖7 施工階段索塔最大縱向偏移圖
4.4 索塔偏移與應力。根據本模型模擬分析及圖7可知塔頂最大偏移量發生在張拉0號梁段斜拉索和水平索力后，偏移值為-3.8cm。由圖8可知成橋時塔頂偏移值較小為2.34cm。
懸臂施工時索塔最大壓應力為82.9 MPa;成橋時索塔最大壓應力為91MPa，應力滿足設計要求。
5. 參數影響性分析
混凝土斜拉橋施工過程中的結構狀況往往會偏離理論軌跡 ，造成這種偏離 ，很大程度上與計算參數的取值以及溫度、臨時荷載等因素相關[5]。因此 ，在前期對結構進行影響性分析時 ，有必要了解各種因素對結構內力和線形的影響 ，從而把握關鍵性影響因素 ，為施工控制提供依據。
成橋狀態計算涉及的主要設計參數包括混凝土彈性模量、混凝土容重。為分析設計參數對成橋狀態的影響 ，監控計算時針對以上參數分別取不同的數值進行了計算 ，具體參數取值如下: (1)所有參數按規范取值; (2)混凝土容重由 25KN/ m 增加到 25.5 KN/ m 對結構的影響; (3)主梁混凝土彈性模量提高到 3.9 ×104 MPa 對結構的影響。
圖8 成橋階段索塔最大縱向偏移圖
對計算結果整理發現 ，不同參數對應的成橋狀態不一樣。圖9和表4為以上幾種參數取不同數值時引起的成橋累計位移和成橋索力的變化圖表。從圖9和表4 來看 ， 混凝土彈性模量對成橋狀態的影響最大，其次為混凝土容重。因此 ，在施工控制中應把混凝土材料參數的識別作為計算參數識別的重點。
圖9 計算參數變化對成橋累計撓度影響圖
6. 結論
(1)比較合理施工狀態的幾種計算方法，采用彎曲能量最小法和最小二乘法確定成橋索力，采用調試法確定拉索初張索力是合理跟可行的。
(2)施工過程仿真計算結果表明施工過程結構的內力和位移均在規范允許范圍內，施工過程中張拉索力合理。
(3)成橋狀態參數影響分析表明， 混凝土彈性模量對該橋成橋狀態的位移和索力影響最大。
表4 計算參數變化對成橋索力影響
參考文獻
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[2] 向海帆.高等橋梁結構理論[M].人民交通出版社，2008，11
[3] 徐君蘭.大跨徑橋梁施工控制[M].人民交通出版社，2000，8
[4] 王成發.斜拉橋成橋索力的探討及施工過程分析[碩士學位論文].長安大學，2008
[5] 袁建新等.重慶忠縣長江大橋斜拉橋施工控制計算[J].橋梁建設，2009(1)
[文章編號]1619-2737(2010)10-01-207
[作者簡介] 任銀(1985.9-)，女，在讀碩士研究生，所學專業:土木與隧道工程，研究方向:橋梁設計理論與施工控制。
