范偉強(qiáng) 宋學(xué)招

(1、中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410004 2、中建四局,廣東 廣州510000)

1 概述

混合梁斜拉橋與常規(guī)斜拉橋相比較有許多優(yōu)點(diǎn)：該類型斜拉橋主梁在主梁構(gòu)成上由兩種不同的材料構(gòu)成,主跨由鋼材構(gòu)成的鋼主梁,邊跨(或伸入主跨一部分)的梁體為混凝土梁。邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁,可以抵消鋼主梁恒載,且邊跨各支點(diǎn)均不出現(xiàn)支反力,而且由于邊跨斜拉索索距相對(duì)主跨的較小,從總體上將整體主梁剛度提升。極大提高主跨的跨越能力需要,同時(shí)降低邊跨和主跨長(zhǎng)度比。當(dāng)主跨布置活載時(shí),主跨的梁體變形和主塔變位均有減小趨勢(shì),實(shí)際上邊跨結(jié)構(gòu)起到了很好的錨固作用,針對(duì)獨(dú)塔混合梁斜拉橋而言,主邊跨合理設(shè)置能使主跨鋼梁的恒載與邊跨混凝土梁各支承點(diǎn)的正反力平衡。近年來(lái),城市橋梁需要更加突出城市美觀,斜拉橋獨(dú)特的建筑外形能增添城市外觀之美,曲線混合梁斜拉橋受力特征相對(duì)一般直線斜拉橋而言要復(fù)雜。城市寬幅路面道路要求建設(shè)的寬幅主梁等特征進(jìn)一步增加了受力復(fù)雜程度,給施工增添不少難度。通過(guò)適當(dāng)?shù)氖┕た刂品椒ù_保施工狀態(tài)的合理性,一座斜拉橋的合理施工狀態(tài)可以通過(guò)控制方法如無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法、正裝迭代法、倒拆法等。獲得斜拉橋張拉施工索力,滿足工程要求。本文以上海蘊(yùn)藻浜大橋?yàn)槔?該斜拉橋索力施工控制方法選擇合適的方法,得到正確張拉施工索力。

2 工程概況

陸翔路- 祁連山路貫通工程(I 標(biāo)段)蘊(yùn)藻浜大橋采用獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋,其跨徑布置為132+65m=197m,其中邊跨位于半徑為251m的平曲線上,橋梁立面布置圖如圖1 所示。

圖1 斜拉橋布置圖

主跨為132m 鋼箱梁,鋼梁全寬42m,主跨主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu),鋼梁材質(zhì)Q345qD。鋼梁為單箱六室鋼結(jié)構(gòu)箱梁,中心線處箱梁腹板凈高2.6m,箱梁挑臂4m,鋼梁采用全焊接結(jié)構(gòu)。邊跨主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,采用C50 混凝土,全斷面布置六個(gè)箱室,中心線處梁高2.55m。斜拉索采用扭絞型平行鋅鋁合金機(jī)械層鋼絲斜拉索,冷鑄錨,鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1770MPa,斜拉索采用近似平行雙索面布置,全橋共2X24=48 根斜拉索,斜拉索在塔端及梁端均安裝內(nèi)置式斜拉索減震器,主橋采用塔梁固結(jié)、塔墩分離的結(jié)構(gòu)體系。

3 模型建立

本橋采用橋梁有限元專業(yè)軟件Midas/Civil,軟件盡可能按照設(shè)計(jì)圖紙準(zhǔn)確模擬出真實(shí)情況的有限元模型,根據(jù)圖紙的材料參數(shù),結(jié)構(gòu)形式、邊界條件,施工階段全橋采用416 個(gè)節(jié)點(diǎn),337 個(gè)單元,其中梁?jiǎn)卧?89 個(gè),只受拉桁架單元48 個(gè),現(xiàn)列主梁、主塔和斜拉索的結(jié)構(gòu)參數(shù)值以及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)和邊界條件,橋梁有限元模型如圖2 所示。

圖2 斜拉橋有限元模型

4 確定合理施工方案

4.1 合理施工狀態(tài)

蘊(yùn)藻浜大橋結(jié)構(gòu)形式是一座獨(dú)塔雙索面塔梁固結(jié)體系的混合梁斜拉橋,主梁采用箱梁截面,索塔呈“豎琴”型,索塔采用工廠分塊分段制造,現(xiàn)場(chǎng)拼裝的施工方法,主跨主梁通過(guò)Pm07 岸側(cè)的頂推平臺(tái)完成鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝,并且通過(guò)河中三組臨時(shí)墩完成步履式頂推施工方法,邊跨采用現(xiàn)澆滿堂支架完成混凝土預(yù)壓后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑工藝,局部可采用少支架現(xiàn)澆工藝。主、邊跨主梁合龍段采用鋼混結(jié)合段。

確定斜拉橋合理施工方案,保證施工完成后具備合理成橋狀態(tài),合理成橋狀態(tài)需要合理成橋索力,確定一個(gè)合理施工方案能確保成橋索力符合設(shè)計(jì)要求,合理施工狀態(tài)的確定通常有無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法、倒拆法和正裝- 倒拆迭代法,這些方法在不同情況下都存在一定的不閉合問(wèn)題,即通過(guò)正裝計(jì)算時(shí)獲得的施工狀態(tài)控制參數(shù),與合理成橋狀態(tài)不一致。導(dǎo)致不閉合的原因有兩個(gè)[1-2]：(1)拆除合攏段或支座時(shí),有不平衡桿端或反力；(2)結(jié)構(gòu)非線性,如混凝土收縮、徐變、拉索垂度效應(yīng)等材料和幾何非線性。正裝迭代基本思路為：需提前假設(shè)一組斜拉索張拉力,在得到一個(gè)成橋狀態(tài)后,與之前確定好的合理成橋狀態(tài)比較,按照最小二乘法使兩個(gè)施工狀態(tài)相差最小,以此來(lái)迭代修正之前的張拉索力,進(jìn)行下一步的正裝計(jì)算,直到滿足誤差要求為止,此方法只需作正裝計(jì)算,可以將不閉合原因造成的影響通過(guò)最小二乘法降低到最小。

4.2 正裝迭代法的基本定義以及應(yīng)用

正裝迭代基本思路為：需提前假設(shè)一組斜拉索張拉力,在得到一個(gè)成橋狀態(tài)后,與之前確定好的合理成橋狀態(tài)比較,按照最小二乘法使兩個(gè)施工狀態(tài)相差最小,以此來(lái)迭代修正之前的張拉索力,進(jìn)行下一步的正裝計(jì)算,直到滿足誤差要求為止,此方法只需作正裝計(jì)算,可以將不閉合原因造成的影響通過(guò)最小二乘法降低到最小。

本文以正裝迭代法做理論支撐,以上海蘊(yùn)藻浜大橋?yàn)楣こ瘫尘暗那闆r下,檢驗(yàn)該方法在全橋索力保證達(dá)到目標(biāo)索力的情況下滿足結(jié)構(gòu)安全性。已知斜拉索張拉完索力為{T0}以及成橋索力{T1},n為斜拉索根數(shù),則每根斜拉索實(shí)際索力差值為：

將得到的差值進(jìn)行與第一輪施工張拉所需斜拉索力進(jìn)行相加得到第二輪正裝張拉所需索力{T2}:

并且得到第二輪張拉完成后的成橋索力{F2},同時(shí)再次與合理成橋狀態(tài)索力存在差值{b2},最后計(jì)入{T2}得到{T3}。以此反復(fù)正裝循環(huán)迭代,逼近成橋合理狀態(tài),直到收斂為止。以下通過(guò)正裝迭代得出每輪模擬施工張拉值{Ti}和差值{bi}。通過(guò)該方法實(shí)際運(yùn)用可得知,有限元模型的結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、材料參數(shù)相同的條件下,正裝迭代法進(jìn)行索力擬合不斷通過(guò)減小索力差值達(dá)到目標(biāo)索力。本例中直接采用合理成橋狀態(tài)下的目標(biāo)索力,能減小迭代次數(shù)并且計(jì)算方便。考慮收縮徐變,得出三次迭代結(jié)果,以東側(cè)邊跨索力為例,結(jié)果如表1 所示。

表1 正裝迭代索力與成橋合理索力對(duì)比差值(kN)

經(jīng)過(guò)采集完現(xiàn)場(chǎng)索力后,圖4 中數(shù)據(jù)可以看出,在主梁完成二次恒載施工后,各個(gè)梁段線型有個(gè)別超出誤差范圍,但整體線型變化趨勢(shì)與成橋設(shè)計(jì)線型變化吻合,根據(jù)本工程自身跨徑較小,剛度大,仍然以索力監(jiān)控為主,線型控制為輔助,即使主梁稍微超出控制值也影響不大。因此總體而言,主梁線型基本滿足要求。

5 結(jié)論

圖3 正裝迭代法成橋索力值

表2 正裝迭代法得出的成橋?qū)崪y(cè)索力(kN)

圖4 張拉施工后實(shí)測(cè)成橋線型圖

使用正裝迭代法確定施工張拉得出成橋索力值并結(jié)合上海蘊(yùn)藻浜曲線斜拉橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),該方法每次迭代結(jié)合相同的結(jié)構(gòu)體系、邊界支承條件、荷載組合并且考慮混凝土收縮徐變。從迭代次數(shù)以及迭代效果,正裝迭代法得出的成橋索力最終值與目標(biāo)成橋索力幾乎吻合。迭代過(guò)程中。每次正裝迭代得到的成橋索力與目標(biāo)索力的誤差在不斷減小,且變化平順,斜拉索之間索力的相對(duì)變化也未出現(xiàn)太大差異,整體都是朝目標(biāo)索力進(jìn)行擬合。