斜拉橋成橋狀態的影響參數分析

吳曉偉 全治宇 田 俊

1 概述

斜拉橋是一種由索(拉)、塔(壓彎)、梁(壓彎)三種基本要素形成的復雜空間超靜定結構體系[1]。在斜拉橋設計階段,設計參數通常均按規范取值。施工過程中的實際參數值與規范建議值均存在差異。設計參數的偏差將直接影響成橋后的主梁線型與受力狀態,在施工階段,若不進行設計參數的修正或主要影響參數的嚴格控制,最終成橋狀態將會遠遠偏離預先設計的合理成橋內力與合理成橋線型。對于影響成橋狀態的參數有:梁段自重、施工荷載、結構剛度,包括梁、塔、索三大部分的 EA和EI(軸向剛度和彎曲剛度)、斜拉索張拉力、溫度的影響等等。確定出影響敏感的設計參數顯的尤為重要。因此為實現合理的成橋狀態,確定出影響敏感的設計參數是保證斜拉橋成功、順利修建不可缺少的重要工作。

2 工程概況

杭州灣跨海大橋南通航孔道斜拉橋為A形單塔雙索面三跨連續半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋,全長578 m,跨徑布置為100 m+160 m+318 m(橋型布置如圖1所示)。橋面縱坡為2.5%(-2.05%),位于R=20 000 m,T=455 m,E=5.176 m的圓弧豎曲線上。

主梁為扁平鋼箱梁,采用低合金鋼Q345-D。梁高3.5 m(中心線),鋼箱梁橫隔板標準間距為3.75 m,鋼箱梁內設置兩道中縱腹板,其距鋼箱梁中心線間距為8.50 m。

索塔總高度為194.3 m,塔柱分為上、中、下三部分,上塔柱中間設置了鋼錨箱,為斜拉索的錨固結構。斜拉索采用直徑為7 mm的高強度低松弛鍍鋅鋼絲,斜拉索共分六類,鋼絲根數分別為109絲、121絲、139絲、163絲、187絲、199絲。斜拉索在鋼箱梁上的錨固采用耳板銷接連接方式,標準索距為15 m。

3 計算模型

采用有限元程序ANSYS進行空間結構分析。鋼箱梁、塔均采用梁單元模擬(Beam188)。其中上塔柱內設有鋼錨箱,鋼錨箱與塔柱混凝土形成鋼混組合結構,對于鋼混組合結構的上塔柱采用換算截面法進行模擬的。拉索采用桿單元模擬(Link10),拉索由于垂度而帶來的非線性問題,采用Ernst和Podolny提出的等效模量法,即通過修正彈性模量的方法來考慮[2],斜拉索彈性模量的修正值按簡化的Ernst公式計算,塔底為固定約束,邊跨與主跨支座只約束橫橋向和豎向位移及縱橋向的轉動。

4 敏感性參數分析

4.1 梁段自重誤差

梁段自重誤差主要來源于梁段成型尺寸誤差。假設所有的梁重均超重5%,對成橋狀態下主梁豎向累計位移、成橋索力的影響圖如圖2,圖3所示。

從圖2,圖3可知,有梁段超重會導致成橋狀態下主梁累計位移明顯減小,索力偏大,影響不容忽視。施工臨時荷載的影響規律與梁重誤差影響是相似的,數值上可作以下分析:標準梁段主梁面積為1.653 1 m2,取容重為100.2 kN/m3,則5%的梁重誤差為124 kN。通常橋面影響最大的臨時施工荷載是吊車和提前堆放的斜拉索。一臺吊車約200 kN;如一根PES7-187型斜拉索長196 m,則重量可達116 kN。施工荷載容易造成塔的不平衡受力,對主梁標高的影響會更大,因此,施工臨時荷載是影響很大的因素,應嚴格控制。

4.2 結構剛度誤差

4.2.1 主梁剛度誤差

主梁的抗彎慣性矩由于橫隔板的影響,往往比計算的值高,但是這部分的影響又難以計入。假設所有主梁單元的抗彎慣性矩增大5%,對于主梁豎向累計位移和索力的影響見圖4,圖5。

從圖4,圖5可知,主梁剛度對主梁豎向位移和索力影響均不大。

4.2.2 塔的剛度誤差

主塔混凝土彈性模量實際值往往比規范建議值高,這與實際混凝土強度往往偏高有關,在許多橋上都發現這一現象,通常可高達10%左右。假設所有的主塔單元的彈性模量均增大10%,對主梁豎向累計位移和索力的影響如圖6,圖7所示。

從圖6,圖7可知主塔剛度誤差對主梁豎向累計位移、索力的影響很小。

4.2.3 斜拉索剛度誤差

斜拉索的剛度誤差主要來源于鋼絲的彈性模量和截面面積。由于鋼絲的制作精度較高,截面面積誤差很小,高強鋼絲的彈性模量也較穩定,因此,這項誤差通常都不大。只是斜拉索的垂度會引起索的軸向剛度下降,一般的計算均通過換算彈性模量予以修正,在現行跨度規模的斜拉橋中已有足夠精度。假設彈性模量增大3%,通過分析對主梁豎向累計位移和索力的影響可知,斜拉索的剛度誤差對主梁豎向累計位移和索力的影響比較小。

4.3 斜拉索張拉力誤差

斜拉索的張拉力可通過張拉千斤頂的油表讀數,或者用頻率法通過測定索的自振頻率來換算索力,也可以用錨下安裝荷重傳感器來測定索力。第一種方法誤差較大,通常不以此為準;頻率法較常用,但換算系數較難算準;第三種方法較準確,但使用成本較高,難以對每根索均使用。另外,斜拉索在張拉操作時也很難拉至指定的理論值。因此,斜拉索的張拉力總是存在誤差的。假設張拉控制索力增大5%,通過分析對主梁豎向累計位移和索力的影響可知,斜拉索張拉力誤差對主梁豎向累計位移和前端索力的影響較明顯。

5 結語

通過以上對各種設計參數誤差的影響分析,可以看出:梁重、臨時施工荷載、索力張拉值、主梁撓度、成橋索力影響較大,其中臨時荷載的影響尤為明顯,而結構剛度偏差影響較小。斜拉索張拉力誤差對主梁豎向累計位移和前端索力的影響較明顯。在施工過程中應對這些參數進行嚴格管理和控制,并對敏感性參數進行必要修正,確保成橋后結構受力和線型滿足設計要求。

[1] 田 俊.空間扭索斜拉橋合理成橋狀態與合理施工狀態耦合分析方法[D].西安:長安大學碩士論文,2010.

[2] 鄭凱鋒,陳 寧,張曉翹.橋梁結構仿真分析技術研究[J].橋梁建設,2003(2):10-15.

[3] 周 艷,宋君超.斜拉橋損傷分析[J].山西建筑,2009,35(1):340-341.