空間鉆石形三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)變形特性研究

黃永春

(上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司,上海 200065)

0 引 言

斜拉橋因其自重輕、跨越能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)受力合理等特點(diǎn),在鐵路、公路以及城市景觀橋等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但斜拉橋結(jié)構(gòu)受力性能復(fù)雜,為了達(dá)到設(shè)計(jì)的成橋狀態(tài)和線形,必須選擇合適的施工方法,并在過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的變形內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,確保橋梁安全、順利地合龍[2-6]。賴(lài)志樂(lè)[7]對(duì)某斜拉橋塔梁同步施工的方法進(jìn)行了理論分析,研究了結(jié)構(gòu)受力和變形在施工過(guò)程中的變化;岳青等[8]使用以無(wú)應(yīng)力狀態(tài)為基礎(chǔ)的施工控制方法保證了結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求。本文采用有限元計(jì)算模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法,分析空間鉆石形三塔斜拉橋在水平索、斜拉索張拉過(guò)程中橋跨結(jié)構(gòu)的變形,研究施工過(guò)程中多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全性。

1 工程背景

宜興市范蠡大橋?yàn)槿嗡髅驿撓淞盒崩瓨?主橋跨徑為(82+168+168+82) m,橋塔采用鉆石形空間四塔柱鋼結(jié)構(gòu)框架,橋梁采用塔墩固接、塔梁分離的連續(xù)梁支撐體系。單箱多室扁平鋼箱梁中心線處梁高2.8 m,標(biāo)準(zhǔn)斷面梁寬39 m。斜拉索按扇形布置,邊塔兩側(cè)共7對(duì)索,中塔兩側(cè)共9對(duì)索,每對(duì)斜拉索之間布置一對(duì)水平索,總體布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖Fig.1 Overall layout of bridge

橋跨結(jié)構(gòu)采用廠內(nèi)分段制作,現(xiàn)場(chǎng)分段吊裝,鋼箱梁采用分段拼裝滑移就位,鋼梁合龍后掛索,先從ZS9/BS71到ZS1/BS1依次張拉水平索,再三塔同時(shí)張拉斜拉索,從ZZ9/BB7/BZ7到ZZ3/BB1/BZ1、ZZ2、ZZ1依次張拉。

2 計(jì)算模型和測(cè)試方案

采用有限元軟件Midas Civil建立全橋梁?jiǎn)卧Ｐ?模擬實(shí)際的施工過(guò)程,拉索用桁架單元模擬,并考慮索的垂度效應(yīng)空間,全橋節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)1 040個(gè),只受拉單元(斜拉索)共計(jì)138個(gè),空間梁?jiǎn)卧灿?jì)914個(gè),如圖2所示。施工過(guò)程中臨時(shí)支架采用只受壓支承模擬,各索塔橫梁處主梁臨時(shí)固結(jié),即主梁與索塔橫梁6個(gè)自由度均固結(jié),塔柱底部6個(gè)自由度均約束。全橋合龍調(diào)索后,拆除臨時(shí)支架,主梁與索塔橫梁按設(shè)計(jì)圖布置縱向和豎向約束。本文根據(jù)水平索、斜拉索依次張拉的施工順序,進(jìn)行有限元模擬計(jì)算,對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 有限元計(jì)算模型圖Fig.2 Finite element calculation model

為研究實(shí)橋水平索和斜拉索張拉引起的橋跨結(jié)構(gòu)變形,在塔柱布置水平位移測(cè)點(diǎn),其中P15塔布置2個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于西塔柱頂端和南塔柱中間部位;P16塔南、北塔柱中間部位布置2個(gè)測(cè)點(diǎn);主梁布置13個(gè)豎向位移測(cè)點(diǎn),如圖3所示。位移監(jiān)測(cè)用徠卡Leica TS30全站儀,根據(jù)張拉信號(hào)同步開(kāi)始循環(huán)測(cè)量各位移測(cè)點(diǎn),并在張拉結(jié)束后繼續(xù)測(cè)量30分至橋跨結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定。

圖3 橋跨結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Measuring point layout of bridge structure

3 結(jié)構(gòu)變形特性分析

3.1 水平索張拉塔柱位移

圖4為P16塔水平索ZS9單根張拉過(guò)程中塔柱的縱向位移實(shí)測(cè)值,圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為塔柱測(cè)點(diǎn)的縱向位移,以向北為正方向。由圖4可知:ZS9張拉分4次完成,南、北塔柱位移測(cè)值均隨時(shí)間增大,其中張拉期間(約7 min),結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后南、北塔柱的變形分別為8.2 mm、7.9 mm,與理論計(jì)算值(7.98 mm)基本吻合。

圖4 P16塔ZS9張拉過(guò)程塔柱縱向位移

3.2 斜拉索張拉塔柱位移

圖5為三塔6根斜拉索BB7、BZ7、ZZ9同時(shí)張拉過(guò)程中,P15塔的南、西塔柱測(cè)點(diǎn)的縱向位移實(shí)測(cè)值,圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為縱向位移,以向北為正方向。P15塔的南、西塔柱縱向位移理論計(jì)算值分別為0.83、0.54 mm。由圖5可知:斜拉索張拉過(guò)程中(約50 min)塔柱變形波動(dòng)較大,其最大值分別為1.8 mm、2.4 mm,穩(wěn)定后為0.8 mm、0.6 mm,西塔柱測(cè)點(diǎn)張拉過(guò)程中出現(xiàn)的大值為最終穩(wěn)定值的3倍;各塔斜拉索張拉瞬時(shí)的不同步使塔柱產(chǎn)生較大變形,在張拉結(jié)束后,其值仍在一段時(shí)間內(nèi)上下波動(dòng),趨于穩(wěn)定后塔柱位移的數(shù)值與理論計(jì)算基本吻合。

圖5 P15塔BB7 BZ7 ZZ9張拉過(guò)程塔柱縱向位移Fig.5 Longitudinal displacement of tower column in BZ7/ ZZ9 of P15 tower in tensioning process

3.3 斜拉索張拉主梁線形變化

圖6為中塔(P16)2根斜拉索 ZZ1同時(shí)張拉過(guò)程中主梁測(cè)點(diǎn)8、6的豎向位移實(shí)測(cè)值,圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為豎向位移,豎向位移計(jì)算值分別為3.6 mm、6.4 mm。由圖6可知:斜拉索張拉過(guò)程中(約50 min),主梁豎向位移與索塔相似,波動(dòng)較大,其最大值分別為5.0 mm、7.8 mm,穩(wěn)定后為3.5 mm、6.1 mm,圖8測(cè)點(diǎn)8張拉過(guò)程中出現(xiàn)的大值與穩(wěn)定值相差43%。在張拉結(jié)束后,其值仍在一段時(shí)間內(nèi)上下波動(dòng),主梁穩(wěn)定后豎向位移數(shù)值與理論計(jì)算基本吻合。

圖6 ZZ1張拉過(guò)程主梁豎向位移Fig.6 Vertical displacement of girder in ZZ1 in tension process

圖7為ZZ2張拉后主梁豎向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比,圖中橫坐標(biāo)為主梁縱向位置,以向北為正方向,橋長(zhǎng)500 m,縱坐標(biāo)為主梁豎向位移。圖8斜拉索張拉前后主梁的豎向位移實(shí)測(cè)與計(jì)算值對(duì)比,其中實(shí)測(cè)值1為由Leica TS 30記錄的斜拉索張拉前后測(cè)量值,實(shí)測(cè)值2為臨時(shí)支座脫空量。由上述圖可知:斜拉索張拉后,主梁豎向位移與理論計(jì)算基本吻合。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)空間鉆石形三塔斜拉橋在水平索、斜拉索張拉過(guò)程中橋跨結(jié)構(gòu)的變形特性進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:

圖7 ZZ2張拉后主梁豎向位移Fig.7 Vertical displacement of main girder after ZZ2 tension

圖8 斜拉索張拉后主梁豎向位移Fig.8 Vertical displacement of main girder after tension cable tension

(1)水平索張拉時(shí)塔柱縱向位移隨時(shí)間增大,實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值基本吻合;

(2)各塔斜拉索張拉瞬時(shí)的不同步,使塔柱縱向位移、主梁豎向位移波動(dòng)較大,最終穩(wěn)定值與張拉過(guò)程中出現(xiàn)的大值差值分別為300%、43%;

(3)多塔斜拉索張拉時(shí),應(yīng)控制張拉過(guò)程以保證同步平穩(wěn)張拉,避免張拉過(guò)程中產(chǎn)生遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值的結(jié)構(gòu)變形。