斜拉橋壓重混凝土與斜拉索張拉順序研究
——基于有限元軟件MIDAS CIVIL的理論研究與施工

李麗寧

(中交路橋華北工程有限公司，北京 101100)

1 工程概況

位于遼寧省大連市河口灣大橋總長408 m，為雙塔單索面斜拉橋，跨徑布置為50 m+96 m+192 m+70 m=408 m，采用塔梁固結、塔墩分離的體系。橋面以上Z4塔高56.5 m，Z5塔高36.5 m，其中Z4塔9對斜拉索，Z5塔5對斜拉索，共計56根單索。

為保證成橋后斜拉橋支座不發生脫空，并抵抗成橋后由于曲線橋可能產生的扭矩。根據設計圖紙在斜拉索張拉區兩側即Z3墩和Z6墩內側澆筑壓重混凝土，為提高支架的安全性并保護支座，同時由于Z3墩地下存在特殊構造物對地基承載力有嚴格要求，因此要把控好壓重混凝土澆筑時機。

2 有限元模型建立

根據可能發生的實際施工情況，通過MIDAS CIVIL軟件建立有限元模型，通過計算不同工況下結構受力情況以采用最佳施工方案。

2.1 計算原則

1)為安全考慮，受力構件應滿足承載能力要求及滿足變形要求。

2)為簡化計算，對構件受力最大時進行靜力分析，另選取構件受力最不利位置進行分析。

3)均按照極限應力法計算。根據實際工況又分為以下兩種情況進行分析：①未張拉斜拉索，但壓重混凝土已經澆筑完成：(自重+鋼箱梁橫隔板+壓重混凝土)×1.3+人機堆載×1.5；②張拉斜拉索，壓重混凝土澆筑完成：(自重+鋼箱梁橫隔板+壓重混凝土)×1.3+斜拉索索力×1.0+人機堆載×1.5。

4)根據施工階段的劃分，分別對未張拉斜拉索和張拉斜拉索并完全澆筑壓重混凝土兩個工況進行。

5)為切合實際受力狀況，對壓重區域采取超范圍計算。

2.2 劃定計算區域

壓重混凝土區域長21 m，影響4～5組支架。考慮到建模的簡易性，節約建模成本，因此模型采用局部受力分析，同時由于鋼箱梁已連接成一體，支架間力學性能相互影響，且為了保證計算的精確度，最后決定對計算區域采用超范圍局部整體建模。以Z3墩為例，Z3墩壓重混凝土影響支架為4組，索為3組，在模型建立時本著上述思想，對Z3墩開始往大樁號側5組支架范圍內的鋼箱梁及對應鋼箱梁進行建模分析。

2.3 確定鋼箱梁邊界條件

由于本工程采用支架法施工，根據施工經驗，兩支架內的鋼箱梁可用簡支梁代替受力分析，由結構力學知識不難得出跨中剪力為0，位移與相同條件下的懸臂梁相似。因此，在模型中鋼箱梁隔離處采用0邊界條件、0位移的方式進行分析。

2.4 荷載確定

以Z3墩為例說明MIDAS CIVIL模型中荷載計入方式。

1)鋼箱梁一般位置、支架自重MIDAS CIVIL自動計入。

2)鋼箱梁橫隔板自重采用節點荷載35 kN計入。

3)壓重混凝土采用單元荷載，按三部分計入，分別為：鋼箱梁中間位置1.8×3×24=129.6 kN/m，鋼箱梁左側位置6.4×0.9×24=138.24 kN/m，鋼箱梁右側位置6.4×0.9×24=138.24 kN/m。

4)索力僅計入計算區域，具體分為B6-1、B6-2、B7-1、B7-2、B8-1、B8-2、B9-1、B9-2的豎直有效分量，即：①B6-1、B6-2：2740×sin(29.63°)+2740×sin(29.60°)=2708.049 kN；②B7-1、B7-2：2940×sin(28.50°)+2940×sin(28.47°)=2804.340 kN；③B8-1、B8-2：3040×sin(28.40°)+3040×sin(28.35°)=2889.461 kN；④B9-1、B9-2：3190×sin(28.30°)+3190×sin(28.26°)=3022.722 kN。分別以節點荷載計入MIDAS CIVIL。

5)人機堆載：以2.5 kN/m單元荷載計入。

2.5 模型截面形式

鋼箱梁根據設計圖紙采用MIDAS CIVIL SPC導入，其余構件采用MIDAS CIVIL內置截面形式建立。立柱為φ325×6.0 mm鋼管，聯梁為[10槽鋼，分配梁為32a雙拼工字鋼。

利用SPC工具建立鋼箱梁一般截面的過程如下。

1)首先根據圖紙，標準繪制鋼箱梁一般斷面，并將CAD另存為DEX形式文件。

2)打開MIDAS CIVIL中的“工具》截面特性計算器”并進入。此界面為全英文界面，筆者暫未發現漢化版本。

3)進入“截面特性計算器”，首先彈出單位設置窗口，根據CAD圖紙設置即可，完成后點擊“OK”。本模型中以單位mm進行。

4)依次單擊以下內容“File》Import》AutoCAD DEX”，進入后選擇另存為DEX鋼箱梁截面導入即可。

5)導入后需要賦予線段寬度，即賦予鋼箱梁鋼板厚度。操作如下：單擊“Change Width》Width”，根據實際依次選擇線段并賦予。本模型中為簡化模型計算過程，均賦予20 mm。

6)寬度賦予完成后進行截面特性值計算。進行以下操作“Section》Generate》Line》”，全選后，單擊“Apply”。

7)最后將該文件另存為“SEC文件”即可。操作如下：“Export Section》MIDAS Section File》全選》Apply”。

8)在MIDAS CIVIL中導入鋼箱梁一般斷面，操作如下：“特性》截面特性值》添加》數值》任意截面》導入SEC文件”即可。至此鋼箱梁一般斷面建立完成。

2.6 確定橋梁中軸線與支架位置

由于本工程為曲線橋，直接通過坐標建立模型存在較大難度，因此可通過CAD將DEX文件導入的方式進行建立，操作如下：在設計圖紙中提取計算位置的橋梁中軸線及支架位置，此時根據經驗，在支架的位置確定可以通過小“X”形式在支架立柱處進行標記，導入后對多余節點、單元進行刪除即可。

MIDAS CIVIL導入操作如下：“單擊左上角圖標》導入》AutoCAD DEX文件”導入后消隱刪除多余單元和節點即可得到橋梁上部結構模型，即支架橋面處的投影位置。

2.7 建立支架單元

根據支架實際規格選擇MIDAS CIVIL內置截面形式。根據CAD導入的支架立柱位置，在Z軸方向依次復制節點后，最后按照常規梁單元模型建立即可，具體過程不再贅述。在建立的過程中為了避免錯誤或者遺漏，應從下至上利用激活等方式依次建立。

2.8 添加約束條件

1)內部約束條件。由于支架與分配梁之間、分配梁與小支墩之間、小支墩與鋼箱梁之間梁單元方向不同等原因，實際單元約束不能用共節點的方式進行模擬解決，因此為了模型結果的正確性。用“邊界》彈性約束》剛性”來模擬實際焊接關系。具體操作不予贅述。

2)外部約束條件。此模型的外部邊界條件分為支座約束和支架約束兩種。支座約束參照實際支座的限制條件進行模擬，即不容許y、z、Rx、Ry、Rz方向的位移。支架下端采用完全固結予以添加，即不容許x、y、z、Rx、Ry、Rz方向的位移。

2.9 添加荷載

根據本文中章節2.4所確定的荷載按照實際作用位置添加即可，需要注意的是，由于本模型要進行兩種工況的計算，并在后續過程可能會驗算其他工況下荷載(因為此時還不確定支架和地基承載力是否滿足條件，可能會對施工荷載工況進行調整)。為了避免建模的重復性，保證模型的普適性，應對各個荷載予以不同荷載工況的區分。

2.10 MIDAS CIVIL后處理

至此，模型建立基本完成，可進行MIDAS CIVIL后處理流程以得到計算結果。

1)荷載組合。根據極限應力法確定荷載組合。

2)屈曲模態分析。對該支架穩定性進行驗算，即對模型進行屈曲分析，操作如下，“前處理模式》分析》屈曲》輸入數據》后處理模式》振型”。完成上述操作后，即可分別查看模型受力及穩定性，然后進行分析即可。

2.11 計算結果

通過MIDAS CIVIL模型得到必要數據后，對數據進行處理和分析以得到最終計算成果，本工程計算成果見表1，具體計算過程本文不再贅述。

表1 MIDAS CIVIL計算成果匯總表

3 施工工序

通過表1的計算結果可以得知，在完全澆筑混凝土最不利情況下，支架和支座承載能力完全滿足要求，因此支架和支座的承載能力對施工工序的確定不起到控制作用。該工程Z3墩位置地下存在特殊構造物，對地基承載力有嚴格要求，因而要據此進行二次分析，Z6墩無此要求，可以按照先打壓重混凝土后張拉的施工工序進行。

3.1 Z3墩地質條件

Z3處支架下方設有地下停車場，地下停車場頂板覆蓋圖層為1.55 m厚，根據地下停車場設計施工單元提供數據，地下停車場頂板承受荷載不得超過70 kPa，否則存在頂板垮塌的危險。在前期施工時為了減少分擔地面荷載，采用了筏板基礎，而壓重混凝土影響區域內的全部支架基礎均為筏板基礎。

3.2 地基承載能力初步驗算

為驗證壓重混凝土全部澆筑完成后是否滿足情況，對此種工況進行驗算。該區域由于地下存在特殊構造物，支架基礎采用筏板基礎，地基承載力要求每平方米不能超過70 kN，即70 kPa。且由于土層的影響，地標上表面承載能力應不超過70-27.9=42.1 kPa。

因此，為簡化計算過程將單個支架取出(每個支架包含4個立柱，取MIDAS CIVIL計算中最大的一個為標準計算)單獨驗算，認為每個支架下方6 m×6 m區域為有效區域，其為軸心受力構件。計算如下：

因此，地基承載力不滿足要求。

3.3 確定施工工序

根據上述計算結果，決定分兩次澆筑壓重混凝土，中間穿插斜拉索的張拉，憑借斜拉索張拉力抵消一部分壓重混凝土荷載，以保證地基承載能力。為保證混凝土澆筑的完整性和施工方便，現初步擬壓重混凝土采用兩次澆筑，第一次澆筑中間箱室全部的壓重混凝土，第二次澆筑余下兩側壓重混凝土。

3.3.1 僅澆筑中間箱室的壓重混凝土

計算方式同章節3.2[1]。

計算公式如下：

因此，地基承載能力滿足條件。

該工序可以進行，之后根據本章節開頭所述思路，張拉斜拉索以抵消這部分壓重混凝土荷載，根據所加入壓重混凝土荷載進行如下計算：

取壓重混凝土混凝土重量(138.24+129.6)×21=5624.64 kN。

斜拉索設計索力如表2所示。

3.3.2 張拉力的確定

為簡化計算，夾角取28°為準。根據力學原理得到抵消重力作用的斜拉索的拉力為：

F=G/sin28°=5624.64/0.469=11993 kN

表2 斜拉索索力計算

根據計算結果，占設計索力值大小的68%。所以斜拉索初次張拉力應為60%張拉。因而先計劃在兩次壓重混凝土澆筑間隔張拉60%索力，再對全部澆筑完成后的工況進行驗算，如通過即說明方案可行。

3.3.3 壓重混凝土完全澆筑完成后地基承載能力

計算方法同上，計算如下：

地基承載能力滿足條件，方案可行。

3.4 最終施工工序

通過上述計算分析，本著施工方便安全的原則，可以確定施工工序如下。

1)Z3墩：先澆筑中央索區壓重混凝土→張拉壓重混凝土影響范圍內60%索力→澆筑余下壓重混凝土→完成斜拉索的張拉。

2)Z6墩：一次性澆筑壓重混凝土→張拉斜拉索。

實際施工過程嚴格按照方案進行，在施工各個階段實時對支架應力、變形進行測量，支架變形情況與理論計算結果在誤差范圍內。

4 結束語

上述方案在實際施工過程中起到了良好的效果，這主要得益于前期理論分析的成果，保證了方案的合理性，也說明MIDAS CIVIL等有限元軟件的使用對橋梁施工方案的合理性選擇有極大的促進作用。

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