斜拉橋換索模擬研究

秦詞峰 高建博

(1.中交集團(tuán)第二航務(wù)工程局，湖北武漢 430000; 2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

斜拉橋換索模擬研究

秦詞峰1高建博2

(1.中交集團(tuán)第二航務(wù)工程局，湖北武漢 430000; 2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

介紹了無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法在橋梁換索中的優(yōu)勢(shì)，并以無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法作為指導(dǎo)思想，對(duì)斜拉橋換索施工進(jìn)行了分析，指出將無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量作為控制量進(jìn)行換索施工，達(dá)到了方便施工的效果。

無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法，斜拉橋，換索施工，索力值

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，隨著斜拉橋越來(lái)越多的投入使用，斜拉索的更換也成為了一個(gè)橋梁領(lǐng)域非常熱門的話題及研究方向，針對(duì)于這種情況，探索新的斜拉橋換索施工技術(shù)就顯得尤為關(guān)鍵了。

1 無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法在換索中的優(yōu)勢(shì)

1)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法在計(jì)算結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程時(shí)，因?yàn)橹恍枰M(jìn)行正裝計(jì)算，所以相比較于倒拆分析法在倒退分析之后還要進(jìn)行一輪的正裝計(jì)算而言，計(jì)算量減少了1/2。并且，無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量作為一個(gè)穩(wěn)定的固有量相比較于倒拆分析法中需要計(jì)算每個(gè)過(guò)程的內(nèi)力和位移再進(jìn)行迭代這種方法，錯(cuò)誤率也更低，應(yīng)變能力更強(qiáng)［1］。2)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法可以保證施工過(guò)程的例如混凝土的澆筑等工序與索力調(diào)整的同步作業(yè)［2］。3)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法是以無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度差作為調(diào)索的單位，在操作過(guò)程中，可以更精確地進(jìn)行施工過(guò)程中的調(diào)整，自由度更大。若以索力作為調(diào)整的基礎(chǔ)量，還需考慮一根索的索力調(diào)整時(shí)對(duì)其他索的影響，這種傳統(tǒng)的方法在施工過(guò)程中往往會(huì)導(dǎo)致很多錯(cuò)誤的產(chǎn)生［3］。

2 實(shí)際模擬

2.1 成橋概況

以武漢市某橋?yàn)槔緲虿捎肕IDAS/Civil建立斜拉橋模擬換索設(shè)計(jì)模型，模型中，最主要的為索單元，而主梁和主塔則采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，橋塔根據(jù)拉索的錨固點(diǎn)位置來(lái)劃分單元，在主梁的單元?jiǎng)澐趾凸?jié)點(diǎn)位置設(shè)置上，對(duì)于每個(gè)拉索的錨固點(diǎn)位置都設(shè)置相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

全橋離散為373個(gè)節(jié)點(diǎn)，360個(gè)單元。成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)初步計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

由于成橋本身并沒(méi)有投入使用多久，所以對(duì)此橋的模擬需要通過(guò)改變斜拉索的初始索力來(lái)模擬斜拉橋運(yùn)行多年而產(chǎn)生的各種斜拉索病害帶來(lái)的對(duì)索力值的影響。

通過(guò)多次的迭代，得出了一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合理的斜拉索病害模擬的索力值。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的計(jì)算

無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度:結(jié)構(gòu)體系內(nèi)任意構(gòu)件單元，受荷載變形后單元兩節(jié)點(diǎn)之間的幾何距離就是單元有應(yīng)力時(shí)的長(zhǎng)度。假設(shè)卸除該單元的軸向力，單元軸向變形恢復(fù)，此時(shí)單元上兩節(jié)點(diǎn)的幾何距離定義為單元的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。

圖2 無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算圖

如圖2所示，單元兩節(jié)點(diǎn)i，j的坐標(biāo)為(xi，yi)和(xj，yj)兩節(jié)點(diǎn)變位為(ui，vi)和(uj，vj)。

根據(jù)上述公式，結(jié)合該橋的具體參數(shù)，得出了所有的斜拉索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)。并根據(jù)求得的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)值作為控制量，將無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)代入模型中驗(yàn)算，求得該成橋在換索后的理論成橋索力，并與結(jié)構(gòu)在斜拉索模擬病害前的成橋索力進(jìn)行對(duì)比可得表1。

表1 通過(guò)無(wú)應(yīng)力法求得的索力值與原值比較

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法求得的斜拉橋索力值與原橋完好狀態(tài)下的索力值幾乎相等，故可以說(shuō)明，以無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)作為控制量的換索工程無(wú)論是在計(jì)算還是在施工過(guò)程，都有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

3 換索施工過(guò)程

斜拉橋換索主要分為對(duì)原有的斜拉索進(jìn)行放張、拆除，然后安裝新的斜拉索，最后進(jìn)行全橋的索力調(diào)整。而無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法在換索的過(guò)程中，它的價(jià)值也主要體現(xiàn)在斜拉索的新索安裝過(guò)程中。

由于舊索的放張和拆除與傳統(tǒng)方法一致，這里就不作詳細(xì)說(shuō)明了。

新索安裝。由于斜拉索是以無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)作為最后張拉到位的判定條件，所以對(duì)于無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的確定，也是施工中的一大重點(diǎn)。根據(jù)前期的模型計(jì)算，不難算出每一根斜拉索的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)量，但是在具體的施工中，需要保證，在斜拉索的張拉過(guò)程中，張拉至成橋目標(biāo)狀態(tài)下的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)值。

體現(xiàn)在具體的施工步驟中，主要包括:張拉是在塔端進(jìn)行，在張拉的過(guò)程中不需要滿足一步到位，但張拉的過(guò)程最好保持對(duì)稱進(jìn)行，即同時(shí)張拉的兩根索是塔兩端對(duì)稱的斜拉索，根據(jù)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法的理論分析，由于無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度并不與施工過(guò)程等相關(guān)，所以，在張拉的過(guò)程中，可以同時(shí)進(jìn)行其他的加固等施工。

斜拉索的張拉分5級(jí)張拉，唯最后一級(jí)的張拉，將斜拉索張拉至成橋目標(biāo)狀態(tài)下的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，并且由于無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度與索力是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在最后一級(jí)張拉時(shí)同時(shí)滿足無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)以及相對(duì)應(yīng)的斜拉索的索力，即可滿足斜拉索的最后換索任務(wù)［4］。

根據(jù)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法，由于每一根的索已經(jīng)達(dá)到了成橋目標(biāo)的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量，所以不需再對(duì)斜拉索的索力進(jìn)行調(diào)整，只需最后測(cè)量所有的成橋索力，再與原設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比即可。

4 結(jié)語(yǔ)

從模擬以及現(xiàn)有的換索施工中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于斜拉橋換索施工中的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法有著天然的適用性，在換索過(guò)程中，以無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)作為控制量可以保證與其他工序的同步進(jìn)行，并且在發(fā)生施工錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)誤差時(shí)，可以較為快捷的處理，不需像傳統(tǒng)的工藝那樣需要對(duì)之前所有的斜拉索進(jìn)行再一次的倒拆分析計(jì)算，為施工省去了許多不必要的麻煩，節(jié)約了許多時(shí)間。并且在索力調(diào)整時(shí)可以不必像之前那樣，對(duì)每一根索進(jìn)行重新調(diào)整。

［1］秦順全.橋梁施工控制——無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法理論與實(shí)踐［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］黃曉航，高宗余.無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法綜述［J］.橋梁建設(shè)，2010 (1):71-74.

［3］秦順全.分階段施工橋梁的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法［J］.橋梁建設(shè)，2008(1):8-14.

［4］中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司.重慶市涪陵長(zhǎng)江大橋技術(shù)改造工程施工總結(jié)［Z］.2013.

Study on cable replacement simulation of cable-stayed bridge

Qin Cifeng1Gao Jianbo2
(1.CCCC Second Harbor Engineering Bureau，Wuhan 430000，China; 2.Wuhan University of Technology＆Science，Wuhan 430070，China)

The paper introduces advantages of stress-free status mehtod in the bridge cable replacement，takes stress-free status method as the guiding idea，analyzes the cable replacement construction of cable-stayed bridge，and takes stress-free status quantity as the control quantity for cable replacement construction，and finally achieves the convenient construction effect.

stress-free status method，cable-stayed bridge，cable replacement construction，cable force value

U445

:A

1009-6825(2016)36-0181-02

2016-10-19

秦詞峰(1974-)，男，高級(jí)工程師; 高建博(1992-)，男，在讀碩士