獨塔疊合梁斜拉橋施工階段模擬分析

張倩 候振華 孫建鵬 姜開明

摘 要：針對疊合梁斜拉橋在施工階段中的內力控制問題，借助Midas Civil有限元軟件，采用倒拆正裝迭代法對某疊合梁斜拉橋施工過程進行模擬計算，并對各構件在不同施工階段中的靜力行為和內力分布特點進行分析，詮釋了施工全程中橋體關鍵部位內力演變機理。分析結果表明：該橋采用塔梁固結體系，第一對索間距較大且索力較小，會造成鋼主梁最大拉、壓應力出現在塔梁固結附近；在懸臂拼裝施工時，吊機荷載會引起懸臂端橋面板出現拉應力。

關鍵詞：疊合梁；斜拉橋；有限元；靜力行為

中圖分類號：U448.27 文獻標志碼：B

Simulation Analysis of Construction Process of Compositegirder Cablestayed Bridge

ZHANG Qian1， HOU Zhenhua1， SUN Jianpeng1， JIANG Kaiming2

（1. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， Shaanxi， China；

2. Pingyang Headquarters of Traffic Engineering Construction， Wenzhou 325400， Zhejiang， China）

Abstract： Aimed at the problem of internal force control of compositegirder cablestayed bridge during the construction process， forwardbackward iterative method was applied to conduct the simulation calculation by means of Midas Civil， a finite element analysis software. The static behaviors and the characteristics of internal force distribution of the components in different construction stages were analyzed， and the mechanism of the development of internal force at crucial spots was expounded. The results show that with the tower rigidly connected with the girders， the first pair of cables have large span and small force， and the maximum tensile stress and compressive stress might emerge where the tower and girders are rigidly connected. When erecting the cantilevers， the crane load could cause the tensile stress at the cantilever side of the deck.

Key words： composite girder； cablestayed bridge； finite element； static behavior

0 引 言

疊合梁斜拉橋是由鋼主梁與混凝土橋面板通過剪力釘、濕接縫形成組合截面共同受力的一類組合結構橋梁，具有跨越能力大、梁高小、自重輕、造價合理等優點，近年來在中國橋梁建設中得到廣泛應用。但疊合梁斜拉橋的施工過程比較復雜，必須進行模擬計算來確定施工過程各階段橋梁結構的受力和變形，從而加以管控，使其成橋狀態滿足設計要求。

斜拉橋施工狀態是通過施工階段模擬計算確定的，其施工階段模擬計算方法在整個施工控制系統中起決定作用。對此國內外學者進行了相關研究，其中最早的是前聯邦德國的橋梁大師F.Leonhardt提出的倒拆計算方法，基本思路是以設計規定的成橋目標狀態作為計算的起點，按橋梁建造的逆順序進行倒退分析計算，以確定橋梁施工安裝各個階段的內力狀態和結構的位移狀態；2008年，秦順全基于最小勢能原理，并引入構件單元的無應力狀態，建立了分階段施工成橋結構的力學平衡方程，該方法從理論上驗證了無應力狀態

法，表明橋梁結構施工狀態可直接求解，無需進行施工階段的計算累加，因此無應力狀態法可以實現斜拉橋施工中的多工序同步作業，提高了效率；2011年，田維峰等利用無應力狀態法確定了拱橋施工過程中的扣索索力；2012年，鄭遠宏等采取無應力狀態法進行了鋼箱梁斜拉橋施工線形控制，結果表明該方法控制精度可靠[13]。

本文以某疊合梁斜拉橋為背景，采用倒拆正裝迭代法[4]對施工過程進行模擬計算，以此著重分析最大雙懸臂施工階段、最大單懸臂施工階段和橋面鋪裝施工階段下的結構靜力行為；并獲取各構件在施工中受力最不利位置，分析其原因并提出合理施工意見，作為同類工程指導施工的依據和參考。

1 工程概況

某疊合梁斜拉橋橋跨布置為130 m+150 m，采用鋼邊主梁結合橋面板的整體斷面，全橋斷面上共有2片鋼縱梁。組合梁縱梁、橫梁、懸臂梁、小縱梁均采用Q345qD工字型鋼，縱梁梁高為28 m，標準梁段長為8 m，縱梁橫向中心間距為255 m，橋面橫向標準段寬為390 m，橋塔處橋面最寬為475 m。沿順橋方向每4 m設置一道鋼橫梁，橫梁中部設置一道小縱梁，懸臂梁為人行道及非機動車道，標準段懸臂梁橫橋向寬為653 m，橋面寬為39 m；因索塔附近的懸臂梁須繞塔而過，故在索塔附近順橋向14 m范圍內加寬懸臂梁 ，此處橋面寬至475 m，之后在順橋向16 m范圍內，橋面寬漸變為39 m。橋面板為預放6個月的C55鋼筋混凝土橋面板，橋面鋪裝采用10 cm厚的瀝青混凝土。橋面板和主梁采用剪力釘連接。整體結構為塔梁固結體系、獨塔空間雙索面密索體系，全橋拉索共64根。其中，斜拉索采用Φ5 mm鍍鋅高強低松弛鋼鉸線索。全橋共采用4類拉索型號，根據拉索受力的大小，0 號索采用15237，1～6號索采用15243，7～12 號索采用15255，13～15號索采用15261。索塔為鉆石形，塔高為994 m，橋面以上高約為83414 m，橋面以下高約為15986 m，材料為C50混凝土。主橋橋型布置如圖1所示。

2 計算模型

2.1 施工荷載模擬

施工荷載主要包括結構恒載、施工臨時荷載、預應力、斜拉索張力和混凝土的收縮徐變[57]。為了準確模擬施工中的荷載，對其作如下處理。

（1）恒載。一期恒載主要包括梁、索塔、拉索和混凝土板的自重， 其中索塔按實際斷面取重?；炷涟宀豢紤]橫向坡度，按26 mm標準斷面計重。豎向加勁肋根據截面面積和鋼材容重計算求得自重，并以集中力方式作用于其位置。二期恒載主要有橋面鋪裝和防撞護欄，以均布荷載作用在橋面板上，取值為48.9 kN·m-1。

（2）施工臨時荷載。臨時荷載主要有吊車荷載和臨時壓重。根據設計，全橋共4臺吊機，單側各2臺，每臺自重40 t。吊機荷載以集中力方式作用在橫梁和主梁交接處。

（3）預應力鋼束。鋼束預應力在模型中采用整體式分析方法，根據預應力的特性和位置手動輸入，并通過模擬灌漿封錨來實現預應力效應。

（4）斜拉索張力。通過倒拆分析獲得初始張力，然后以體外力方式進行正裝分析。

2.2 有限元模型

為了準確、方便地建模，在實際工程的基礎上對模型進行了如下簡化。

（1）不考慮截面橫坡的影響。

（2）不考慮溫度的影響。

（3）施工臨時托架簡化成只受壓力的彈性支座。

全橋模型采用空間桿系單元建立[8]，其中鋼主梁和混凝土橋面板分別賦予各自截面特性和材料特性，并用梁單元模擬，最后將鋼主梁單元和混凝土橋面板單元進行剛性連接[9]；小縱梁、橫梁、懸臂梁、橋塔都用梁單元模擬；斜拉索采用恩斯特公式修正的等效桁架單元模擬。全橋單元共計889個，其中鋼主梁單元222個，鋼橫梁單元146個，小縱梁單元109個，懸臂梁單元146個，混凝土橋面板單元150個，拉索單元64個，索塔單元50個。全橋有限元模型如圖2所示。

3 施工過程模擬

全橋共劃分為126個施工階段，先后順序為：進行索塔、過渡墩施工；架設0#、1#梁段臨時托架，并在托架上完成0#、1#梁段施工；進入對稱施工，對稱安裝第1臺橋面吊機，完成2#梁段施工；對稱安裝至15#梁段；安裝16#梁段，完成邊跨合龍；主跨單懸臂施工至主跨合龍；二期施工。其中，標準梁段施工順序依次是：安裝鋼主梁；第1次張拉斜拉索；吊裝橋面板；澆筑橋面板濕接縫；濕接縫達到一定強度后，第2次張拉斜拉索；安裝下一個標準梁段。

4 計算分析

該橋施工階段較多，限于篇幅，取施工過程中3個典型階段進行分析，即最大雙懸臂施工階段、最大單懸臂施工階段和橋面鋪裝施工階段。這3個施工階段基本代表各構件出現最不利受力時的工況，雖然不排除個別構件的某截面在其他工況下可能會出現最不利受力，但分析結果不失一般性[10]。

4.1 施工過程中鋼主梁內力

鋼主梁是疊合梁斜拉橋主要承重構件之一，其在施工中的內力情況直接決定斜拉橋施工中的安全。為此，本文給出主梁最大壓、拉應力等值線，如圖3、4所示，典型工況下鋼主梁上、下緣最大應力值及出現位置見表1。

由圖3、4可知：鋼主梁應力比較均勻，只有索塔附近的鋼主梁應力呈“刺狀”，這是由拉索索力的豎向分力引起的；另外，主梁最大拉應力為129 MPa，最大壓應力為127.66 MPa，均小于容許應力（203 MPa），滿足規范要求。

由表1可得，鋼主梁最大拉應力出現在最大雙懸臂施工階段塔梁固結處，最大壓應力出現在橋面鋪裝施工階段0#梁段左右邊緣處，且各施工工況下最大拉、壓應力出現位置基本相同。塔梁固結處附近出現最大拉、壓應力是由于采用塔梁固結體系，第1對索間距（30 m）較大，但索力不大，因此在施工中應密切關注此處。

4.2 施工過程中橋面板內力

由于疊合梁斜拉橋施工中混凝土橋面板比較脆弱，因此除了分析3種典型階段外，本文還對邊跨合龍和主跨合龍施工階段進行分析。同樣僅給出鋼主梁在施工階段發生最大拉應力和最大壓應力的等值線，如圖5、6所示。

由圖5、6可知，施工階段混凝土橋面板應力比較均勻，上、下翼緣基本受壓?；炷翗蛎姘迳稀⑾乱砭壴谑┕るA段中最大壓應力為948 MPa，最大拉應力為152 MPa，其中最大拉應力出現在主跨合龍施工階段中合龍段附近。典型階段混凝土橋面板上、下翼緣最大拉應力及出現位置見表2。

在最大雙懸臂、邊跨合龍施工工況中懸臂端板出現拉應力，這是由于在懸臂拼裝施工時將吊機荷載簡化為集中力作用在主梁上，而實際施工中吊機荷載是以局部面荷載形式作用在主梁上，應力比計算值小。

圖7為主跨邊緣處橋面板應力的變化曲線，可以看出，截面拉應力在主跨合龍段混凝土板生效后會急劇增加。這是由于混凝土橋面板形成一個整體，混凝土收縮、徐變引起拉應力增長。但隨著橋面預應力鋼束施工完成，拉應力呈下降趨勢，原因是預應力鋼束的軸向壓力抵消了部分橋面板收縮、徐變和彎矩產生的拉應力。圖8為主跨合龍段橋面板和17#橋面板交接處應力的變化曲線，可以看出，其截面拉應力在17#橋面板施工過程中有所增加，其后的幾個施工階段拉應力不變，直到主跨合龍過程，應力增加較快，在主跨合龍完成時應力最大，隨后應力呈下降趨勢。

4.3 施工過程中索塔內力

本模型未考慮塔橫梁預應力鋼束的影響，因此只對塔柱進行分析。表3為典型施工階段主塔應力最大值，可知主塔在3種典型施工階段下最大壓應力的出現位置在塔橫梁和塔柱交接處，而不在塔底。其原因是：雖然塔底彎矩最大，但塔底截面也是最大，這就增大了抗彎剛度。其最大壓應力為11.49 MPa，出現在橋面鋪裝施工階段，位于塔橫梁和塔柱交接處，壓力值在規范容許值范圍內，塔柱沒有出現拉應力。

4.4 施工過程中拉索內力

最大雙懸臂、最大單懸臂和橋面鋪裝施工工況下斜拉索的應力分布情況如圖10～12所示。

5 結 語

通過Midas有限元軟件對某鋼混疊合梁斜拉橋進行施工階段靜力分析，得出該橋主梁、橋面板、索塔、斜拉索在3種典型施工階段下的應力均在規范容許范圍內，結構的靜力性能滿足安全要求，但對各個階段下可能出現的最不利受力狀態，在施工中應密切關注。

（1）塔梁固結體系斜拉橋的鋼主梁最大拉、壓應力基本都出現在塔梁固結處附近。在施工前應充分考慮多種不利荷載，避免施工臨時荷載的變更引起不安全因素。

（2）在懸臂拼裝施工過程中，吊機荷載會引起懸臂端板出現拉應力 ，因此應嚴格控制懸臂端臨時荷載的大小。

（3）在合龍段施工中，其附近橋面板拉應力過大，故在合龍段前2～3個梁段施工階段時應明確施工作業的作用體系，對于出現不可避免的臨時荷載，應更新模型并給出安全意見，及時進行物理和幾何測量。

參考文獻：

[1] 秦全順.分階段施工橋梁的無應力狀態控制法[J].橋梁建設，2008，38（1）：814.

[2] 秦全順.無應力狀態控制法斜拉橋安裝計算的應用[J].橋梁建設，2008，38（2）：1316.

[3] 吳遠宏，岳 青，江 湧，等.基于無應力狀態法的鋼箱梁斜拉橋成橋目標線形的實現[J].橋梁建設，2012，42（5）：6368.

[4] 楊德燦，張先蓉，金清平.計入幾何非線性影響的斜拉橋施工索力的確定[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2005，29（6）：833836.

[5] 張 善，盧明康，惠 新，等.單索面預應力混凝土部分斜拉橋施工控制技術及關鍵施工工藝的研究[J].公路，2004，59（12）：5761.

[6] 姜開明，程慶慶，孫建鵬，等.鋼混疊合料斜拉橋桓載索索力優化分析[J].筑路機械與施工機械化，2016，33（2）：117120.

[7] 冉志紅，李 喬.提高斜拉索索力估算精度的一種新方法[J].公路交通科技，2007，24（8）：9698.

[8] 顏東煌.斜拉橋合理設計狀態確定與施工控制[D].長沙： 湖南大學，2001.

[9] 程 進，江見鯨，肖汝誠，等.ANSYS 二次開發技術在確定斜拉橋成橋初始恒荷載索力中的應用[J].公路交通科技， 2002，19（3）：5052.

[10] 謝支鋼， 趙擁軍.基于“零位移法+應力平衡法”確定疊合梁斜拉橋的合理成橋索力[J].中國市政工程，2012（2）：3637.

[責任編輯：高 甜]