利用MI DAS實現斜拉橋無應力狀態施工控制

錢 江

（檀慕信息技術（上海）有限公司，上海 200233）

0 引言

對于斜拉橋成橋合理狀態的確定，可以用剛性支撐連續梁法、零位移法、影響矩陣法等一系列方法進行求解。但是斜拉橋的施工過程很大程度影響了成橋結構內力狀態與成橋線型，同時對于混凝土結構，收縮徐變又增加了問題的復雜性，如何確定斜拉橋滿足成橋目標狀態要求的中間施工過程的內力和線形，這是一個值得思考的問題。

傳統習慣用倒拆與正裝的方法，以成橋的目標狀態為計算的起始點，按正裝的逆序進行倒拆計算，通過內力和位移數值的累加確定斜拉橋施工各中間階段的結構內力和線形。由于倒拆是一個虛擬的過程，倒拆計算完成后，需按倒拆計算確定的施工各階段的斜拉索張力值進行正裝計算。但是考慮收縮徐變及體系轉換的影響，倒拆與正裝的結果是閉合不了，同時由于其計算較為復雜，又是以力作為中間的控制量，考慮實橋施工的臨時荷載和溫度影響時，效果往往不太理想［1］。

隨著橋梁結構和施工復雜程度的增加，尋找和控制合理施工狀態的難度加大，傳統方法已不適應工程的發展需要，一種用構件無應力狀態量聯系過程狀態和最終狀態的無應力狀態控制法應運而生［1］，該方法由中鐵大橋局秦順全提出，已成功的運用于國內多座大型斜拉橋，取得了良好效果。

本文主要利用MIDAS軟件建立三維模型，采用無應力狀態法模擬施工階段，控制無應力長度及無應力曲率保持不變，最終結構的內力與目標狀態精確閉合。

1 無應力狀態法原理

無應力狀態法可以簡單的描述為：一定的外荷載、結構體系、支承邊界條件、單元的無應力狀態量組成的結構，其對應的結構內力和位移是唯一的，與結構的形成過程無關［2］。

結構單元的內力和位移隨結構的加載、體系的轉換和斜拉索的張拉而變化，單元無應力長度只有人為調整才發生變化，當荷載和結構體系一定時，單元無應力長度的變化必然唯一對應單元軸力的變化［3］。

只要安裝過程采用合理成橋狀態的無應力狀態量，則通過分階段安裝計算得到的成橋狀態的內力必然自動滿足合理成橋狀態的要求［4］。而無應力狀態量與施工階段的內力可相互轉換，因此可由無應力狀態量的正裝計算很方便的求解施工中間狀態。

2 求解索單元無應力長度

結合某實際工程，240m+450m+240m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主塔采用H型，主梁斷面采用閉合箱型，頂面全寬21.2m，梁高4.5m，設置雙向2%的橫坡。斜拉索間距采用15m，采用PES7熱擠聚乙烯平行鋼絲拉索，PESM7冷鑄鐓頭錨錨固體系，塔端為張拉端，梁段為固定端，斜拉索兩端均采用張拉端錨具。斜拉索規格有PES7-121，PES7-139，PES7-163，PES7-199，PES7-241，PES7-283，PES7-337，PES7-451 共計8種規格，在midas Civil中建立全橋三維仿真模型，如圖1所示。

圖1 全橋三維模型

由于全橋邊中跨比接近0.5，因此可以采用零位移法思路進行成橋索力調整，定義主梁與拉索相接點為豎向位移零點，利用midas未知荷載系數法功能，求解成橋索力，目標為控制關鍵點的豎向位移為0，得到索力系數后，微調端部索力，以達到“塔直梁平”的最優狀態，最后得到目標成橋狀態內力分布，如圖2所示。

圖2 調索后合理成橋狀態的內力

建立模型后，定義一次落架的施工階段，考慮大位移幾何非線性分析，斜拉索用索單元模擬，最后可以得到每根索的無應力長度，如表1所示。

表1 拉索的無應力長度

3 考慮無應力狀態施工模擬

建立施工階段正裝模型，共分為38個施工階段，考慮施工臨時荷載包括掛籃重量等影響，輸入每根索的無應力長度，定義幾何非線性分析。無應力狀態法操作的關鍵有兩點，一個是無應力長度保持不變，第二個是無應力曲率不變。為了讓分階段模擬的正裝計算結果能與一次落架模型結果閉合，需要保證合龍段激活時候是平曲線接順，這是無應力狀態法操作的核心。

通過正裝模擬，在中跨合龍前，梁段的轉角為0.00594rad，為了讓合龍段以平曲線接順的方式激活，施工過程一般用臨時加重或者調整索力的方式，讓其轉角達到0。本文采用臨時加重的方式來處理，可以通過影響矩陣法的思路進行求解，最后求得當配重為2612.5kN時，剛好使得其轉角為0。同時合龍前，梁端水平向位移為0.233m，采用頂推的方式，結合上述的思路，可以推算的水平力為312kN時，其水平位移為0。通過上述操作，最終得到結構的內力狀態如圖3所示。數值上與圖2一致，可以說是精確閉合。

圖3 考慮頂推作用結構最終內力

實際施工有時可能不做頂推模擬，在此也進行了有限元數值仿真分析，即合龍前只考慮豎向配重，不考慮水平頂推力，這樣施工結束后結構的內力如圖4所示。對比圖3和圖4可以發現，合龍前不考慮水平推力，對于主梁的內力影響不大，通過數值對比，誤差大概在2%左右。但是對于主塔的內力有較大的影響，原目標狀態主塔的內力基本接近為308kN·m，而不考慮頂推作用，最終主塔內力為11738kN·m，這個變化在實際施工過程是不能忽略，需要慎重考慮。

圖4 不考慮頂推作用結構最終內力

4 結語

本文重點闡述了無應力狀態法的原理，結合某實際工程，采用無應力狀態法進行斜拉橋正裝分析。通過計算標明在實際施工過程中需要控制無應力長度及無應力曲率保持不變，即保證合龍段是平曲線接順，施工結束后最終可以達到完全閉合的要求，這也證明了無應力狀態法理論的正確性與實用性。同時若不考慮合龍頂推模擬，最終可能對主塔的內力有較大的影響，這點在施工過程中需要慎重考慮。

［1］秦順全.橋梁施工控制—無應力狀態法理論與實踐［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］秦順全.無應力狀態控制法斜拉橋安裝計算的應用［J］.橋梁建設，2008（2）.

［3］黃曉航，高宗余.無應力狀態控制法宗述［J］.橋梁建設，2010（1）.

［4］李斌.無應力狀態法結合梁斜拉橋施工控制中的應用［D］.成都:西南交通大學，2010.