三塔鋼箱梁斜拉橋制造線形計(jì)算分析

冼 尚 鈞

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510330)

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三塔鋼箱梁斜拉橋制造線形計(jì)算分析

冼 尚 鈞

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510330)

以港珠澳大橋之江海直達(dá)船航道橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肕idas有限元軟件，基于零初始位移法，計(jì)算了鋼箱梁制造線形和安裝線形，并和設(shè)計(jì)線形進(jìn)行了比較，分析了制造誤差對(duì)制造線形的影響，指出懸拼施工時(shí)應(yīng)以安裝線形進(jìn)行線形控制。

三塔斜拉橋，鋼箱梁，制造線形，安裝線形，線形控制

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大跨度鋼箱梁斜拉橋正在不斷修建,而鋼箱梁的施工多采用懸臂拼裝方式進(jìn)行，施工過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)體系不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致每個(gè)梁段的狀態(tài)也隨之變化[1]。施工過(guò)程中涉及到三種線形，分別為制造線形、安裝線形和設(shè)計(jì)線形。這三種線形各不相同卻有著內(nèi)在的聯(lián)系，施工人員極為容易混淆。

本文將結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算分析比較這三種線形的區(qū)別，本文中鋼箱梁制造線形計(jì)算方法是在Midas施工模型正裝計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于零初始位移法的原理，計(jì)算出鋼箱梁拼裝時(shí)梁段之間的夾角關(guān)系從而得到制造線形。

1 制造線形計(jì)算方法

制造線形[2，3]：主梁在制造過(guò)程中無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的線形，該線形由主梁無(wú)應(yīng)力構(gòu)型組成，鋼箱梁在工廠胎架制造上的線形可認(rèn)為就是鋼箱梁的無(wú)應(yīng)力線形，因?yàn)榇藭r(shí)梁變形很小，基本處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。

安裝線形：主梁在懸臂拼裝過(guò)程中各新安裝梁段自由端連接而成的線形。對(duì)于懸臂拼裝施工橋梁來(lái)說(shuō)，由于各梁段不可能同時(shí)達(dá)到安裝狀態(tài)，因此其安裝線形是一條虛擬曲線。施工過(guò)程累計(jì)位移的反值便是安裝線形。

設(shè)計(jì)線形：是指橋梁施工完成后所需要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)線形。

鋼箱梁制造線形計(jì)算的核心目的是確定相鄰梁段之間的無(wú)應(yīng)力夾角關(guān)系并在制造過(guò)程中按照此夾角切割梁段截面。

下一梁段吊裝時(shí)前一梁段會(huì)產(chǎn)生變形，為把N梁段的下一梁段的標(biāo)高安裝到既定位置，前后梁段間必產(chǎn)生a0和θdef的夾角，為此，在制造階段時(shí)通過(guò)梁段頂?shù)装彘L(zhǎng)度的修正來(lái)抵消吊梁過(guò)程所產(chǎn)生的焊縫處夾角。

其中，a0為前一梁段在吊梁階段發(fā)生的剛體位移轉(zhuǎn)角；θdef為前一梁段在吊梁階段發(fā)生的截面轉(zhuǎn)角變形。其中a0和θdef的求法見(jiàn)式(1)和式(2)[4]。

(1)

(2)

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

港珠澳大橋三大通航孔橋之江海直達(dá)船航道橋，采用中央單索面三塔鋼箱梁斜拉橋，跨徑組合為110+129+258+258+129+110=994 m。鋼箱梁全寬38.8 m，中心線處高度4.5 m，江海直達(dá)船航道橋采用高強(qiáng)低松弛平行鋼絲外包雙層PE護(hù)層的扭絞型成品拉索，空間扇形布置，全橋共7×2×3=42根斜拉索，橋塔為剛索塔。全橋結(jié)構(gòu)體系采用六跨半漂浮體系，主梁與主塔間設(shè)置豎向球形鋼支座加縱向阻尼裝置、橫向抗風(fēng)支座，主梁與輔助墩、過(guò)渡墩間設(shè)置球形鋼支座加縱向阻尼裝置、橫向抗風(fēng)支座。江海直達(dá)船航道橋鋼箱梁共劃分為75個(gè)梁段，其中邊跨整體吊裝段總長(zhǎng)143.36 m，重約3 477.2 t；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段梁段長(zhǎng)15 m，采用對(duì)稱(chēng)懸臂施工，重約323.1 t；單節(jié)最重梁段為327.5 t；合龍段長(zhǎng)8.6 m，重約179.0 t。

2.2 有限元模型建立

由Midas有限元軟件所建立的三塔斜拉橋模型見(jiàn)圖1。建模時(shí)，主梁、主塔、墩均采用三維梁?jiǎn)卧焕鞑捎描旒軉卧⒂肊rnst公式考慮了索的垂度效應(yīng)。

2.3 大節(jié)段吊裝梁段制造線形分析

采用Midas/Civil有限元程序進(jìn)行施工過(guò)程正裝分析計(jì)算，得出相應(yīng)的施工過(guò)程累計(jì)位移。大節(jié)段整體吊裝，其線形變化過(guò)程猶如滿(mǎn)堂支架施工，故施工過(guò)程累計(jì)位移的反值便是其制造線形，由此可得各大節(jié)段的制造線形，如圖2所示。

由圖2可知，大節(jié)段整體吊裝施工的梁段，其制造線形與安裝線形統(tǒng)一，故大節(jié)段梁段間夾角可直接由梁段的安裝線形計(jì)算。

2.4 懸拼梁段制造線形分析

運(yùn)用Midas的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)式(1)和式(2)，計(jì)算出懸拼梁段的無(wú)應(yīng)力夾角，其具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各梁段無(wú)應(yīng)力夾角及焊縫寬度表

由表1可知，焊縫寬度最大值為8.6 mm，大多數(shù)梁段焊縫寬度為2 mm～3 mm。可見(jiàn)，大多數(shù)由于預(yù)制單元角度調(diào)整引起的頂?shù)装彘L(zhǎng)度調(diào)整是很小的。在胎架上把所有梁段匹配，按長(zhǎng)線法制造時(shí)，其表現(xiàn)出的制造線形如圖3所示。

由圖3可知，三種線形間是有較大的差值，其中安裝線形與設(shè)計(jì)線形最大差值為217 mm，制造線形與設(shè)計(jì)線形最大差值為159 mm。安裝線形與制造線形間最大差值為169 mm。在梁段級(jí)別上顯現(xiàn)的差別很小，但在其整體線形上卻相差很大，故需要確保梁段的制造精度。

下面分析梁段制造精度對(duì)制造線形的影響，假如表1中每個(gè)梁段的焊縫寬度都增大了1 mm，其變化后的制造線形與變化前的制造線形的差值如圖4所示。

由圖4可知，制造線形變化量最大值為93 mm，這說(shuō)明制造線形對(duì)于轉(zhuǎn)角的誤差是非常敏感的，在懸拼過(guò)程誤差是累積的并急劇放大，這與文獻(xiàn)[5]中的相關(guān)結(jié)論是一致的。制造過(guò)程中誤差是不可避免的，單靠加強(qiáng)制造過(guò)程精度的控制來(lái)消除誤差是不太切合實(shí)際且不可能實(shí)現(xiàn)的，這必然會(huì)導(dǎo)致制造線形與理論制造線形有較大的誤差。為此，在懸拼過(guò)程，匹配梁時(shí)完全按照梁端切角來(lái)定位時(shí)需慎重，懸臂施工時(shí)應(yīng)以安裝線形來(lái)定位梁段的標(biāo)高，以更好進(jìn)行線形控制，確保最終達(dá)到設(shè)計(jì)成線。

3 結(jié)語(yǔ)

1)大節(jié)段吊裝施工梁段的制造線形與安裝線形是一致的，大節(jié)段梁段間夾角可直接由梁段的安裝線形計(jì)算，進(jìn)而確定每個(gè)梁段的制造尺寸。

2)制造線形梁段間無(wú)應(yīng)力夾角所引起的梁段頂?shù)装宓男拚亢苌伲从吃谥圃炀€形上卻與安裝線形和設(shè)計(jì)線形有很大的區(qū)別。

3)梁段頂?shù)装逍拚课⑿〉恼`差，所造成的制造線形的誤差卻是巨大的，故懸拼過(guò)程應(yīng)用安裝線形進(jìn)行標(biāo)高控制，制造線形隨著逐段施工，新增節(jié)點(diǎn)達(dá)到安裝線形。

[1] 陳太聰,蘇 成.橋梁懸臂拼裝施工中鋼箱梁制造尺寸的確定[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2011(4)：50-56.

[2] 李 喬,唐 亮.懸臂拼裝橋梁制造與安裝線形的確定[A].第十六屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(上冊(cè))[C].2004:297-302.

[3] 李 喬,卜一之,張清華,等.大跨度斜拉橋施工全過(guò)程幾何控制概論與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2009.

[4] 林楨楷.高低塔混合梁斜拉橋合理施工狀態(tài)確定與施工控制[D].廣州:華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[5] 梁 鵬,肖汝誠(chéng),徐 岳.超大跨度斜拉橋的安裝構(gòu)形與無(wú)應(yīng)力構(gòu)形[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(7):49-53.

Calculation analysis of fabrication geometryon steel box girder cable-stayed bridge with three pylon

Xian Shangjun

(Guangzhou Metro, Guangzhou 510330, China)

Based on Jianghai direct ship channel bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, finite element software Midas was used to calculate the fabrication geometry and rib alignment base on zero-initial-displacement method, and compare with the design linetype, manufacturing error also analyzed the impact of the manufacturing line, come to a conclusion that use the rib alignment to control the alignment when cantilevered assembling.

cable-stayed bridge with three pylon, steel box girder, fabrication geometry, rib alignment, linear control

1009-6825(2016)12-0162-02

2016-02-16

冼尚鈞(1987- )，男，碩士，助理工程師

U448.27

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