獨塔混合梁斜拉橋施工控制仿真分析

渠 廣 鎮

(山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031)

獨塔混合梁斜拉橋施工控制仿真分析

渠 廣 鎮

(山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031)

以某獨塔混合梁斜拉橋采用滿堂支架法施工為例，介紹了其結構形式，進行了施工過程的仿真分析，結果表明，全部拉索張拉后鋼箱梁截面最大應力沿縱向呈“S”形，但在施加橋面鋪裝后，鋼箱梁受力變得均勻，索塔和主梁在施工過程中應力滿足規范要求。

支架法施工，斜拉橋，混合梁，施工控制，仿真分析

0 引言

鋼混混合梁斜拉橋[1]由于其特殊的結構形式和結合方法被廣泛采用，像國內建成的廣州東沙特大橋，國外法國諾曼底橋等。斜拉橋多數跨越大江大河或峽谷等，其施工方法多采用懸臂拼裝(澆筑)的施工方法。也有部分采用滿堂支架拼裝(澆筑)主梁的施工方法，此類施工方法多用于城市景觀橋梁，其地勢平坦，施工條件良好。文獻[2][3]主要介紹了獨塔單索面混合梁斜拉橋采用懸拼法施工控制技術，而主梁全部采用滿堂支架施工實例很少，本文主要研究采用滿堂支架法施工斜拉橋其全過程仿真分析，以指導施工。

1 橋梁概況

某大橋主橋為獨塔單索面混合梁斜拉橋，主橋長285 m，主跨175 m，橋梁立面布置如圖1所示。主跨164.5 m范圍內采用鋼箱梁結構(包含3.2 m的鋼混結合段)，小部分主跨(距離主墩10.5 m)及邊跨采用預應力混凝土箱梁結構，主塔為鋼管混凝土結構。主梁采用滿堂支架法施工，鋼箱梁共分為13個節段，從索塔向邊墩編號依次為G1～G13。索塔兩側各布置13對斜拉索，從橋塔向主跨方向的編號依次為H1～H13，向邊跨方向的編號依次為A1～A13。橋塔分下塔、中塔、上塔三部分，下塔采用分離式雙鋼管混凝土塔柱形式；中塔為斜拉索錨固段，將兩個鋼管混凝土塔柱通過兩塊50 mm厚的腹板連接成整體。邊跨箱梁內設置壓重混凝土。

該橋空間受力特征明顯，尤其是塔、墩、梁固結節點部位的受力復雜，承受來自主梁的彎剪扭及軸力作用。為保證在施工過程中結構的安全以及成橋階段的線形滿足要求，本文考慮了溫度、收縮徐變以及在施工過程中的各種荷載，對各施工階段索塔、斜拉索、鋼箱梁及混凝土箱梁的應變和變形進行仿真分析，分析結果為該橋的施工控制提供理論依據。

2 仿真分析模型的建立

采用Midas Civil有限元軟件建立本橋的計算模型，如圖2所示。全橋共離散195個單元，312個節點。主梁采用單主梁模型模擬[4]，拉索采用只受拉桁架單元模擬，運用Ernst[5]公式計算等效彈性模量。斜拉索與梁、塔間的錨固通過斜拉索錨固點與主梁和塔形心之間的剛臂單元連接。支架通過建立受壓彈簧來模擬，受壓彈簧線剛度盡量大，當梁體受拉索張拉力上拱時與支架脫離，當梁體下撓時，支架則受力。

3 施工階段及主要計算參數

施工控制前期準備階段，結構計算中的參數主要取自設計提供的有關資料和規范的規定，但根據工程經驗對某些參數作修改以便更符合實際情況。施工控制階段，根據結構設計參數與實際情況的差異、施工誤差、測量誤差、結構計算分析模型與實際情況的差異等確定是否對控制計算參數作調整[6,7]。

在仿真分析中混凝土及鋼材的材料特性取值如表1所示，彈性模量及線膨脹系數均按規范取值。斜拉索選用φ7 mm鍍鋅高強鋼絲，各拉索選用絲數在163束～253束之間，單根最大重量約為15 t，抗拉強度為1 670 MPa。鋼箱梁的截面特性考慮縱向加勁肋的影響。

表1 鋼材及混凝土材料特性匯總

根據設計圖紙和施工組織設計，將整個計算分為15個工況，如表2所示。

4 施工過程仿真分析主要結果

通過對表2各工況的計算分析，得到了主梁、索塔在各施工階段的應力和位移以及斜拉索的索力。表3給出了斜拉索的設計索力及成橋索力。各典型工況主塔截面最大應力的分布如圖3所示，各施工階段索塔h/2塔高及塔頂的水平位移變化如圖4所示。在所有拉索張拉完畢及成橋狀態下鋼箱梁、混凝土箱梁截面的最大應力分別如圖5,圖6所示。

表2 施工階段計算工況

表3 斜拉索設計索力與成橋索力

仿真分析結果表明，索塔在施工過程中處于全截面受壓狀態，從圖3可以看出，主塔最大應力值為48.8 MPa，其出現在所有拉索張拉完成時；拉索張拉使主塔截面應力變化較為均勻，但橋面鋪裝對主塔h/2塔高內應力影響較大；成橋狀態下主塔受力均勻，最大值31.9 MPa。從圖4可以看出，在施工過程中，塔頂的最大水平位移為-24.5 mm，在成橋后，塔頂水平位移為15.8 mm，施加橋面鋪裝對其影響大。

從圖5可以看出，拉索張拉后鋼箱梁截面最大應力沿縱向呈“S”形，受力不均勻，最大值70.5 MPa，但在施加橋面鋪裝后，鋼箱梁受力則較為均勻，最大值為46.8 MPa，其值小于規范容許應力值。從圖6可以看出，由于混凝土箱梁截面其剛度大，施加橋面鋪裝對應力值影響較小，成橋狀態混凝土箱梁截面最大應力值為8.1 MPa，小于規范容許應力值。

5 結語

介紹了獨塔混合梁斜拉橋的構造特點及施工方案，對施工過程進行詳細的仿真分析，得出了施工控制中的基礎數據及施工中主梁、主塔的變化情況。仿真分析結果表明，鋼箱梁和混凝土箱梁在施工過程中受力滿足規范要求，鋼管混凝土橋塔始終處于全截面受壓狀態。

[1] 林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2] 羅瑞華，黃中華.無錫蓉湖橋鋼混凝土混合梁斜拉橋施工技術[J].鐵道標準設計，2005(10):52-54.

[3] 鮑莉霞.單塔單索面斜拉橋施工控制研究——蓉湖大橋施工控制[D].武漢：華中科技大學，2004.

[4] 張 為，趙 星.斜拉橋有限元建模和動力特性分析[J].鐵道建筑，2006(3)：8-10.

[5] 王 頠，瞿偉廉.大跨度公鐵斜拉橋的幾何非線性效應[J].華僑大學學報,2009,30(2):215-220.

[6] 狄 謹，黃 慶.無背索斜塔鋼—混凝土結合梁斜拉橋施工控制仿真[J].長安大學學報,2004,24(3):43-47.

[7] 靳敏超，夏元友，馮仲仁.曲塔混合梁斜拉橋施工控制仿真分析[J].公路，2009(9):238-241.

Simulation analysis of construction control for hybrid girder cable-stayed bridge with single tower

Qu Guangzhen

(ShandongTransportationResearchInstitute,Jinan250031,China)

The structure configuration and for hybrid girder cable-stayed bridge with single tower were introduced, which was constructed using full framing cast-in-place method. The indices for construction control were calculated. The results show that the maximum stress of steel box girder along the longitudinal section is “S”type after all the cable tensioning. However, stress becomes uniform when the deck pavement is applied. The stress of cable tower and main girder in the construction procedures meet with the prescriptions of design code.

full framing cast-in-place method, cable-stayed bridge, hybrid girder, construction control, simulation analysis

1009-6825(2017)20-0168-03

2017-05-08

渠廣鎮(1985- )，男，工程師

U448.27

A