Dr.BridgeV3.0仿真模擬斜拉橋構件探究

【摘 要】本文依托某市某平轉施工斜拉橋的施工監控項目。通過埋設應力計，對本橋進行了長期持續的監控與測量，得出了本橋應力的實測值。使用專業橋梁有限元軟件Dr.BridgeV3.0依據設計圖紙對本橋進行仿真模擬，經過計算得到本橋的理論值。經對比發現本橋的應力實測值與理論值較為吻合，可以通過模型模擬來較為真實的反應平轉施工斜拉橋在實際施工中的受力狀態。由于本橋是滿堂支架施工，實測下緣應力在某一施工階段出現了拉應力，表明實際施工主梁底緣與支架間出現了局部受力，而這點很難再仿真分析中表現出來，所以需要加強實際施工中的應力監控。

【關鍵詞】斜拉橋；應力；理論值；實測值；平轉施工

0.引言

目前對斜拉橋進行結構分析采用最多的是有限單元法，利用有限元中各單元的特性模擬斜拉橋的不同部位。在對斜拉橋支架施工過程模擬分析和轉體前后分析時，要盡可能真實的模擬：主梁、拉索、索塔、混凝土的收縮以及徐變、預應力筋的張拉、施工荷載形式、邊界條件等。[1]

本文以遷西轉體斜拉橋為背景，以橋梁工程專用的結構分析與優化設計軟件橋Dr.Bridge.V3.0建立施工控制仿真分析模型。模型的主要部分斜拉索采用索單元，塔、墩、梁采用梁單元。全橋離散為107個節點，126個單元。其中主梁共88個單元，塔18個單元，斜拉索共20個單元。

1.工程概況

本工程線路基本為南北走向，在里程K4+405處上跨京哈、津山鐵路。立交橋起點里程為K4+027.96（橋臺前墻處），終點里程為K4+610.040（橋臺前墻處），全長582.08米，共跨越京哈線、津山線及東聯線，與京哈鐵路上行線以71°、津山鐵路上行線以72°角度斜交、與津山鐵路下行線及京哈鐵路下行線以69°角度斜交。和營業線分別相交于鐵路里程K168+115.2（京哈線）、K293+441.6（津山線）、K0+541.2（東聯線）。

立交橋主橋為2×96m轉體斜拉橋構造，采用支架現澆，平面轉體施工；引橋為2×30m、3×30m、3×30m、2×30m先簡支后連續裝配式預應力混凝土箱梁，預制架設施工。

橋梁轉體施工，是利用兩岸地形采用簡單支架順著岸邊預制拼裝龐大的橋梁結構，然后采用摩擦系數很小的轉鉸和滑道組成的轉盤結構，以簡單的設備，將橋梁整體旋轉安裝到位的施工方法。[2]

在跨度200m以內的斜拉橋，常采用獨塔斜拉橋。[3]

2.全橋結構的構件模擬

本文依托某市某平轉施工斜拉橋的施工監控項目。作者通過埋設應力計，對本橋進行了長期持續的監控與測量，得出了本橋應力的實測值。作者使用專業橋梁有限元軟件Dr.BridgeV3.0依據設計圖紙對本橋進行仿真模擬，經過計算得到本橋的理論值。通過得出實際通過對某市平轉施工斜拉橋的應力監控與建模分析，分別得出斜拉橋的實測應力值和理論應力值。[4]

2.1 主梁的模擬

梁單元截面依據設計圖紙在CAD中畫出，然后導入Dr.Bridge.V3.0。梁單元采用全預應力混凝土構件，截面材料采用中交新混凝土：C50混凝土。先把梁單元安成橋后狀態建成模型，然后依據施工順序劃分施工階段。

2.2 斜拉索的模擬

斜拉索直接采用Dr.Bridge.V3.0中特有的索單元進行模擬。本橋把拉索轉化成中交新預應力筋：270K級鋼絞線（15.2）來進行模擬，截面面積為：18549 。因為本橋斜拉索鋼絲采用塑包平行鋼束，鋼絲采用163φ7高強鋼絲與270K級鋼絞線（15.2）彈性模量較為接近。此橋為獨塔雙索面，所以把實際中同一邊并排的兩根索轉化成一根索進行模擬。[5-8]

2.3 索塔的模擬

本文索塔采用梁單元來進行模擬。

2.4 主梁預應力的模擬

作者根據不同的施工工況和施工階段，對主梁應力進行了相應的監控和數據測量。

2.5 實測數據與理論數據對比

作者通過埋設應力計，對本橋進行了長期持續的監控與測量，得出了本橋應力的實測值。作者使用專業橋梁有限元軟件Dr.BridgeV3.0依據設計圖紙對本橋進行仿真模擬，經過計算得到本橋的理論值。

通過實測數據與理論數據應力圖表對比分析，可以看出有較好的規律性，從中可以得出以下結論和規律：

（1）實測數據與理論數據是有誤差的，從第3施工階段（A0段張拉預應力筋前）以后， 主梁上緣應力實測值的均大于理論值.從第5施工階段（A2段張拉預應力筋后）以后， 主梁下緣應力實測值的均大于理論值.

（2）從第7施工階段（A3段張拉預應力筋前）以后，主梁上緣應力和下緣應力理論值走勢較為吻合.

（3）從第7施工階段（A3段張拉預應力筋前）以后，主梁上緣應力實測值與理論值的最大差值為1.22MPa；主梁下緣應力實測值與理論值得最大差值為0.3MPa。

（4）第1-4施工階段主梁下緣出現了拉應力。由于本橋采用滿堂支架施工，這表明斜拉橋在實際施工中支架與主梁底緣發生了局部受力。實際施工中的局部受力狀態，在有限元仿真模擬中很難體現出來。

（5）主梁上下緣壓應力呈現出此消比長得狀態，當某個主梁截面下緣壓應力減小時，主梁上緣會增加。當某個主梁截面下緣拉應力增加時，主梁上緣的壓應力也會增加。

（6）在第4施工階段（A1張拉后），主梁下緣出現了最大拉應力，實測數據最大拉應力為-1.01MPa，理論數據最大拉應力為-0.08MPa。

3.結束語

通過以上計算分析，可以得出如下結論：

（1）本文采用專業橋梁有限元軟件Dr.BridgeV3.0依據設計圖紙對本橋進行仿真模擬，經過計算得到本橋的理論值。經對比分析理論值和實測發現較為吻合，可以通過模型模擬來較為真實的反應平轉施工斜拉橋在實際施工中的受力狀態。

（2）由于本橋是滿堂支架施工，實測下緣應力在某一施工階段出現了拉應力，表明實際施工主梁底緣與支架間出現了局部受力，而這點很難再仿真分析中表現出來，所以要加強主梁底緣的應力監控和測量。

（3）實測值與理論值是存在誤差的，這與測量誤差和有限元軟件模擬誤差是有關的。誤差在允許范圍內。

（4）實際測量的應力和理論計算的應力均是滿足設計要求的。

（5）本橋為矮塔斜拉橋，采用平面轉體和滿堂支架施工法。其中支架與主梁底部之間的摩阻力對主梁有怎么樣的影響，以及平面轉體施工過程中主梁的受力狀態還有待進一步探究。

【參考文獻】

[1]橋梁施工控制技術北京：人民交通出版社，2001.

[2]林元培.斜拉橋.北京：人民交通出版社，1997.

[3]范立礎.橋梁工程（上）.北京：人民交通出版社，1983.

[4]中華人民共和國行業標準.公路橋涵設計通用規范（JTJ021-89）.北京：人民交通出版社.1989.

[5]中華人民共和國行業標準.公路斜拉橋設計規范（試行）.北京：人民交通出版社，1992.

[6]陳寶春，彭桂瀚.部分斜拉橋發展綜述華東公路，2004（3）：89-96.

[7]周孟波主編.斜拉橋手冊.北京：人民交通出版社，2004.

[8]吳鴻慶，任俠.結構有限元分析.北京：中國鐵道部出版社，2000.