威海首座跨海斜拉橋合龍仿真分析

王 慧 張自強 王振清

斜拉橋是一種橋面體系受壓(或受彎壓)，支承體系以斜索受拉、橋塔受壓為主的橋梁。斜拉橋合龍段施工是整座橋施工過程中最為關(guān)鍵的部分之一，在斜拉橋合龍段施工時，結(jié)構(gòu)具有最大的懸臂長度，此時的荷載和溫度變化對結(jié)構(gòu)的變形也最為敏感，既要保證成橋后的線形，又要保證成橋后的內(nèi)力合理。合龍段的施工控制關(guān)系到全橋的線形平順和結(jié)構(gòu)的永存內(nèi)力狀態(tài)，因此在實際合龍施工前就必須通過有限元模擬合龍狀態(tài)，尋找最優(yōu)參數(shù)以指導實際施工［1］。

1 工程實例

長會口大橋主橋為跨徑組合為(117+230+117)m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔雙索面豎琴式斜拉橋。主梁為雙邊主梁肋板式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁全寬約20.1 m，邊肋高度2.0 m，主梁全高為2.2m，橋面板厚度為32 cm，肋間橫梁間距與拉索間距相同，厚度28 cm。主梁采用C60混凝土，全橋共三個合龍段，兩邊跨分別為1.5m，中跨為2 m。全橋共104根拉索，標準索距8 m。大橋兩側(cè)引橋分別采用25m，35m兩種跨徑的預(yù)制T梁，采用先簡支后墩梁固結(jié)體系。大橋全長2 020m，橋高33.2m，主塔高106.414m，采用“H”形橋塔，為雙向四車道混合交通大橋，橋梁設(shè)計荷載為公路—Ⅰ級標準，設(shè)計車速為80 km/h，設(shè)計通航標準為2 000 t級單孔雙向通航、3 000 t級單孔單向通航，設(shè)計使用年限為100年。

2 斜拉橋合龍影響因素

1)溫度的影響。斜拉橋設(shè)計會有一個理想合龍溫度，此溫度一般為15℃左右，稱為合龍基準溫度，但是由于真實溫度不一定與理想溫度吻合，所以要預(yù)先計算實際溫度與基準溫度的差異對合龍的影響范圍從而指導合理施工。

2)荷載的影響。斜拉橋懸臂合龍段施工，結(jié)構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)，此時臨時荷載以及不均衡荷載都可能造成結(jié)構(gòu)的較大位移，對合龍造成不利影響。

3)合龍壓重的影響。處于懸臂合龍的斜拉橋，承受荷載時中跨跨中為最不利截面，這里也是最大撓度發(fā)生的位置，所以必須要采用合理的配重方案才能使橋梁內(nèi)力和標高達到要求。

4)體系轉(zhuǎn)換的影響。為了方便懸臂合龍，必須進行塔梁、墩梁的臨時固結(jié)，而在合龍完成后則要進行體系轉(zhuǎn)換，解除約束，這將對主梁內(nèi)力和撓度產(chǎn)生影響，這些需要有限元軟件進行精確計算得到最有利的控制參數(shù)指導順利合龍。

3 有限元仿真計算

為了提高合龍精度，本橋采用Madis/Civil 2006和Dr.Bridge V3.0軟件共同進行分析，以校核數(shù)據(jù)的正確性。Madis建模中雙主肋、索塔、橋墩用梁單元模擬，橋面板用板單元模擬，斜拉索用只受拉桁架單元模擬，全橋離散單元共計2 041個，節(jié)點2 441個，98個施工階段。

建模把全橋離散共劃分314個單元，125個施工階段。

3.1 溫度對主梁線形、應(yīng)力及索力的影響

由于本橋合龍時間為9月中旬，夜間氣溫為25℃左右，比合龍溫度高5℃，這就需要計算溫度對主梁線形、內(nèi)力及索力的影響。

1)邊跨合龍前為最大雙懸臂狀態(tài)，全橋合龍前，由溫度引起的跨中最大豎向位移Madis計算為40 cm，Dr.Bridge計算為34.5 cm。

2)主梁應(yīng)力的變化，由有限元軟件計算，氣溫在25℃時容易引起較大的應(yīng)力變化，跨中下緣最大壓應(yīng)力達到16 MPa，上緣壓應(yīng)力也有5 MPa。

3)由于拉索數(shù)量較多只取靠近岸邊一側(cè)索力作為參考，在25℃溫度條件下Madis，Dr.Bridge計算的索力與設(shè)計索力相比較，部分計算值已超出設(shè)計索力，見圖1。

3.2 壓重對全橋的影響

斜拉橋懸臂施工，最不利截面發(fā)生在跨中截面，此處的撓度較大，而且下緣壓應(yīng)力較小，在合龍布滿荷載后容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，為了成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力更加合理，在中跨跨中截面預(yù)留部分抵抗活載的應(yīng)力，增大截面應(yīng)力貯備。通過計算分析在中跨懸臂端兩側(cè)施加307 kN/m的配重，在第13號索全部張拉完畢后，在合龍口懸臂端兩側(cè)的13號塊307 kN/m，以提供預(yù)壓力，見表1。

配重307 kN/m還將使得索塔向河側(cè)多偏移1.04 cm，對成橋后索塔受力影響較為不利。經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)對應(yīng)力的不利影響較小，綜合其影響，雖然在13號塊上配重307 kN/m對索塔不利，但對結(jié)構(gòu)運營有較大的好處。可以認為，配重對整個橋梁結(jié)構(gòu)而言利大于弊。

表1 壓重后對主梁內(nèi)力的影響MPa

表2 合龍方案

4 合龍方案的確定

1)通過Madis計算分析邊中跨均加載30.7 t，兩邊均下降不到2 cm;如邊跨壓10 t，中跨壓20 t，邊跨抬升2 cm多，中跨下降4 cm多，塔往跨中偏2 cm(可根據(jù)壓重關(guān)系調(diào)整塔的偏位)。此時頂推，跨中縱向已經(jīng)約束，之后溫度變化會引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

2)低溫焊接勁性骨架，與1.5 m現(xiàn)澆段鎖定。升溫邊跨支座壓力會加大，處于有利狀態(tài)。如果橋面升溫過大，則勁性骨架應(yīng)力比較大，通過兩大有限元分析勁性骨架軸向應(yīng)力60 MPa左右，勁性骨架的焊接質(zhì)量應(yīng)引起重視。如果混凝土養(yǎng)護幾天白天氣溫比較高，必須采取橋面降溫措施(如整個橋面澆水等)。

3)頂推中跨壓重按35 t，引起中跨下降5 cm，塔往中跨偏2 cm，邊跨支座力減小11 t左右。在邊跨合龍前壓重(單根樁基的拉力在100 t多點)，澆筑混凝土合龍完成見表2。

5 結(jié)語

1)通過兩種有限元模型分析對比得到更加合理的施工控制參數(shù)，便于指導施工。2)懸臂施工中，不均衡的臨時荷載容易引起主梁標高、索力、內(nèi)力的變化較大，所以臨時荷載應(yīng)該對稱放置在距離主塔最近的0號，1號塊附近。3)每次澆筑混凝土時必須選擇一天中相對穩(wěn)定的均勻溫度場，最佳時間為清晨或晚上。

［1］ 向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］ 邱金亮，方水平.彎橋計算分析［J］.山西建筑，2010，36 (14):312-313.