超寬異形獨塔斜拉橋施工結構分析

■吳 帥

(新疆交通規劃勘察設計研究院， 烏魯木齊 830000)

橋梁結構是現代交通系統的重要組成部分，其中斜拉橋具有跨度大、自重輕、造價經濟、外形美觀等優點，在實際工程中得到了廣泛應用[1-4]。近年來，斜拉橋整體跨徑越來越大， 城市大寬幅景觀橋的使用上也越來越多。 因此，施工結構分析是保障橋梁安全施工的重要措施。 橋梁的施工結構分析的內容包含了施工過程中涉及的溫度、預應力、收縮徐變等影響因素和橋梁的大跨和掛籃施工的結構特點[5-6]。結構分析過程中通過理論計算和現場實測的數據對比來更好地保證橋梁的施工順利。 本文以湖北省孝感市老澴河景觀橋梁工程天仙南路橋為背景，采用MIDAS/CIVIL 建立全橋數值計算模型，對其進行結構分析。

1 工程概況

本文以孝感市天仙南路橋為工程背景，其橋型為跨徑(25+35+45+35)m 的超寬獨塔斜拉橋。斜拉索布置在橋梁中心線處，上部結構主梁采用變截面混凝土箱梁，采用C50 混凝土，采用水中插打鋼管樁，上鋪貝雷梁法一次整體現澆。主梁橫向布置為：3.5 m(人行道)+4 m(拉索區)+8.5 m(機動車道)+8.5 m(機動車道)+4 m(拉索區)+ 3.5 m(人行道)。

橋梁主塔采用變截面異形主塔， 截面為矩形，塔高54.5 m，主塔下端接承臺，主塔上部兩分肢間采用系梁連接。 主塔采用C40 混凝土，主塔承臺采用C30 混凝土[7]。

全橋共設置36 根拉索， 拉索關于主梁中心線對稱布置。 為方便分析，將順橋向左側拉索編號為：ZA1～ZA9，ZB1～ZB9， 右側拉索編號為YA1～YA9，YB1～YB9，橋梁總體布置圖如圖1 所示。

圖1 橋梁總體布置圖

2 有限元分析

主梁采用的是超寬幅混凝土箱梁，由于寬幅較大，故采用梁格法建模。 索塔采用實體單元模擬，主塔是異形塔。 拉索為受拉壓構件，由于在施工過程中要給斜拉索施加預拉力，本橋中斜拉索可以采用桁架單元模擬，建模過程中，與索塔單元以節點相連接， 與主梁實際接觸部分采用剛性連接進行連接，并且對主梁和斜拉索實際接觸的地方按設計資料里面的要求進行加強，防止在有限元計算時局部應力過大[8-10]。

邊界條件的模擬方式為： 在箱梁兩端的支座位置將順橋向(x 方向)，橫向(y 方向)，豎向(z 方向)的位移進行約束。 在對橋梁各個構件進行建模之后，最后將各構件進行約束連接，形成全橋的有限元模型[11](圖2)。

圖2 全橋有限元計算模型

3 各施工階段受力分析

3.1 主梁結構分析

工況1：在自重作用下混凝土箱梁位移云圖，梁單元應力云圖分別如圖3～4 所示， 其最大位移為-15.65 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉應力為4.70 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大壓應力為6.95 MPa，位于第二、第三支座處。

圖3 混凝土箱位移云圖

工況2： 在二期恒載作用下混凝土箱梁位移云圖，梁單元應力云圖分別如圖5～6 所示，其最大位移為-1.27 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉應力為0.37 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大壓應力為0.55 MPa，位于第二、第三支座處。

圖4 混凝土箱梁應力云圖

圖5 主梁位移云圖

圖6 主梁應力云圖

工況3： 在活載作用下混凝土箱梁位移云圖，梁單元應力云圖分別如圖7～8 所示， 其最大位移為-2.12 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉應力為1.8 MPa， 位于第一、 第三支座處， 最大壓應力為14.86 MPa，位于第三支座處。

工況4：混凝土收縮徐變后，混凝土箱梁位移云圖，梁單元應力云圖分別如圖9～10 所示，其最大位移為-5.68 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉應力為2.72 MPa，位于第一、第三支座處，最大壓應力為10.4 MPa，位于第三支座處。

圖7 混凝土箱梁位移云圖

圖8 混凝土箱梁應力云圖

圖9 混凝土箱梁位移云圖

圖10 混凝土箱梁應力云圖

工況5：在成橋+活載工況下，混凝土箱梁位移云圖，梁單元應力云圖分別如圖11～12 所示，其最大位移-20.56 mm，位于主梁第四跨跨中，最大拉應力為1.81 MPa，位于第一、第三支座處，最大壓應力為14.86 MPa，位于第三支座處。

圖11 混凝土箱梁位移云圖

圖12 混凝土箱梁應力云圖

由以上5 種工況所計算出的位移及應力結果可知， 主梁成橋最大位移為最終拉應力1.81 MPa，略小于主梁采用的C50 混凝土的軸心抗拉強度設計值ftd=1.83 MPa。最大壓應力14.86 MPa，小于C50混凝土軸心抗壓強度設計值ftcd=22.4 MPa。因此主梁應力滿足安全要求。

3.2 斜拉索內力變化分析

斜拉索在不同工況下的內力大小如表1 所示。

表1 在不同工況下斜拉索內力(單位：N)

續表(單位：N)

由表1 可以看出，左右兩側相對應的斜拉索內力相差不大，且在恒載和成橋狀態下的拉索內力較小，平均為24 N 和40 N，說明這2 種工況下拉索幾乎不受力的作用。 總體荷載加上活載后，拉索內力明顯變大，平均為5553 N。在MIDAS 軟件有限元模擬計算下，斜拉索最大內力為8.05 kN，設計斜吊桿成橋內力最大為10 kN，與設計值相差19.5%，計算結果誤差不大。 最大內力出現在YB8 拉索上，相對ZB8 的內力也較大，為了使橋梁在正常工作狀態下所有斜吊桿所受拉力基本接近，降低斜吊桿最大拉力值的峰值，保證在橋梁正常工作時各斜吊桿都在安全范圍內， 應該合理地調整YB8、ZB8 斜拉索的初拉力。

4 結論

本文以湖北省孝感市老澴河天仙南路橋為工程背景， 以結構有限元仿真計算為基礎， 采用MIDAS/CIVIL 結構有限元分析軟件建立橋梁結構的整體計算模型，對該橋梁在各個施工階段的受力狀態進行了研究和分析，具體結論如下：

(1)針對超寬幅的橋梁結構，由于在橋梁寬度方向位移和應力狀態都不一樣，所以在建立有限元分析模型時， 混凝土箱梁使用梁格法進行模擬分析，斜拉索則采用只受拉壓力的桁架單元或者索單元進行模擬。

(2) 對于具有斜拉索的橋梁在施工過程中一般要對橋梁的斜拉索施加初拉力，斜拉索施加初拉力的同時，橋梁整體結構就會出現內力重分布，所以在施工階段要進行實時的監控和分析，避免在施工過程中結構內力與理論值相差較大，影響橋梁的正常使用。

(3) 在結構有限元模型建立之后要聯系實際施工中出現的誤差對各參數進行修正，避免在指導施工時出現較大誤差，影響施工的正常進行。

(4) 在測試橋梁斜拉索內力時要注意對斜拉索的邊界條件及斜拉索的長度進行綜合考慮，對于短拉索采用頻率法計算得知的斜拉索內力誤差是比較大的，所以在計算后要對其加以修正。

(5) 針對結構有限元軟件邁達斯在不同施工階段計算的結構具體內力和位移進行分析，并計算得到結構施工各關鍵階段位移與應力均能滿足要求。