三塔鋼箱梁斜拉橋制造線形計算分析

冼 尚 鈞

(廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330)

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三塔鋼箱梁斜拉橋制造線形計算分析

冼 尚 鈞

(廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330)

以港珠澳大橋之江海直達船航道橋為工程背景，采用Midas有限元軟件，基于零初始位移法，計算了鋼箱梁制造線形和安裝線形，并和設計線形進行了比較，分析了制造誤差對制造線形的影響，指出懸拼施工時應以安裝線形進行線形控制。

三塔斜拉橋，鋼箱梁，制造線形，安裝線形，線形控制

0 引言

隨著中國經濟的發展,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行，施工過程中橋梁結構體系不斷發生變化，導致每個梁段的狀態也隨之變化[1]。施工過程中涉及到三種線形，分別為制造線形、安裝線形和設計線形。這三種線形各不相同卻有著內在的聯系，施工人員極為容易混淆。

本文將結合工程實例，計算分析比較這三種線形的區別，本文中鋼箱梁制造線形計算方法是在Midas施工模型正裝計算結果的基礎上，基于零初始位移法的原理，計算出鋼箱梁拼裝時梁段之間的夾角關系從而得到制造線形。

1 制造線形計算方法

制造線形[2，3]：主梁在制造過程中無應力狀態下的線形，該線形由主梁無應力構型組成，鋼箱梁在工廠胎架制造上的線形可認為就是鋼箱梁的無應力線形，因為此時梁變形很小，基本處于無應力狀態。

安裝線形：主梁在懸臂拼裝過程中各新安裝梁段自由端連接而成的線形。對于懸臂拼裝施工橋梁來說，由于各梁段不可能同時達到安裝狀態，因此其安裝線形是一條虛擬曲線。施工過程累計位移的反值便是安裝線形。

設計線形：是指橋梁施工完成后所需要達到的設計目標線形。

鋼箱梁制造線形計算的核心目的是確定相鄰梁段之間的無應力夾角關系并在制造過程中按照此夾角切割梁段截面。

下一梁段吊裝時前一梁段會產生變形，為把N梁段的下一梁段的標高安裝到既定位置，前后梁段間必產生a0和θdef的夾角，為此，在制造階段時通過梁段頂底板長度的修正來抵消吊梁過程所產生的焊縫處夾角。

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

(1)

(2)

2 實例分析

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，江海直達船航道橋采用高強低松弛平行鋼絲外包雙層PE護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。全橋結構體系采用六跨半漂浮體系，主梁與主塔間設置豎向球形鋼支座加縱向阻尼裝置、橫向抗風支座，主梁與輔助墩、過渡墩間設置球形鋼支座加縱向阻尼裝置、橫向抗風支座。江海直達船航道橋鋼箱梁共劃分為75個梁段，其中邊跨整體吊裝段總長143.36 m，重約3 477.2 t；標準節段梁段長15 m，采用對稱懸臂施工，重約323.1 t；單節最重梁段為327.5 t；合龍段長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圖1。建模時，主梁、主塔、墩均采用三維梁單元；拉索采用桁架單元并用Ernst公式考慮了索的垂度效應。

2.3 大節段吊裝梁段制造線形分析

采用Midas/Civil有限元程序進行施工過程正裝分析計算，得出相應的施工過程累計位移。大節段整體吊裝，其線形變化過程猶如滿堂支架施工，故施工過程累計位移的反值便是其制造線形，由此可得各大節段的制造線形，如圖2所示。

由圖2可知，大節段整體吊裝施工的梁段，其制造線形與安裝線形統一，故大節段梁段間夾角可直接由梁段的安裝線形計算。

2.4 懸拼梁段制造線形分析

運用Midas的計算結果，根據式(1)和式(2)，計算出懸拼梁段的無應力夾角，其具體結果見表1。

表1 各梁段無應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，大多數梁段焊縫寬度為2 mm～3 mm。可見，大多數由于預制單元角度調整引起的頂底板長度調整是很小的。在胎架上把所有梁段匹配，按長線法制造時，其表現出的制造線形如圖3所示。

由圖3可知，三種線形間是有較大的差值，其中安裝線形與設計線形最大差值為217 mm，制造線形與設計線形最大差值為159 mm。安裝線形與制造線形間最大差值為169 mm。在梁段級別上顯現的差別很小，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制造線形的影響，假如表1中每個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，這說明制造線形對于轉角的誤差是非常敏感的，在懸拼過程誤差是累積的并急劇放大，這與文獻[5]中的相關結論是一致的。制造過程中誤差是不可避免的，單靠加強制造過程精度的控制來消除誤差是不太切合實際且不可能實現的，這必然會導致制造線形與理論制造線形有較大的誤差。為此，在懸拼過程，匹配梁時完全按照梁端切角來定位時需慎重，懸臂施工時應以安裝線形來定位梁段的標高，以更好進行線形控制，確保最終達到設計成線。

3 結語

1)大節段吊裝施工梁段的制造線形與安裝線形是一致的，大節段梁段間夾角可直接由梁段的安裝線形計算，進而確定每個梁段的制造尺寸。

2)制造線形梁段間無應力夾角所引起的梁段頂底板的修正量很少，但反映在制造線形上卻與安裝線形和設計線形有很大的區別。

3)梁段頂底板修正量微小的誤差，所造成的制造線形的誤差卻是巨大的，故懸拼過程應用安裝線形進行標高控制，制造線形隨著逐段施工，新增節點達到安裝線形。

[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].中國公路學報,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].第十六屆全國橋梁學術會議論文集(上冊)[C].2004:297-302.

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

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

[5] 梁 鵬,肖汝誠,徐 岳.超大跨度斜拉橋的安裝構形與無應力構形[J].長安大學學報，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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