基于受力和位移計算分析的獨塔斜拉橋換索順序選擇

陶小委 劉海寬 付志方

摘 要：本文應用MIDAS/Civil對某斜拉橋兩種換索施工順序進行模擬，并對兩種換索順序過程中斜拉索索力、主梁和主塔的位移與受力進行對比分析。計算結果對比分析顯示，對于該橋采用由主塔向兩側依次更換斜拉索的正序施工方案更為合理。

關鍵詞：斜拉橋;換索順序;應力;位移

中圖分類號：U448.27 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0082-04

Research on the Order of Cable Replacement of Cable-stayed Bridge

TAO Xiaowei1，2 LIU Haikuan1，2 FU Zhifang1，2

（1.Henan Transportation Research Institute Co. ，Ltd.， Zhengzhou Henan 450015;2.Highway Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Transportation Industry Research and Development Center，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： MIDAS/Civil was used to simulate the construction sequence of two cable-stayed bridges， and the cable tension， the displacement of the main beam and the main tower and the force of the main cable were compared and analyzed. The analysis showed that it was more reasonable to use the positive sequence construction scheme for the bridge.

Keywords： cable-stayed bridge;order of cable replacement;stress;displacement

斜拉橋在長期使用后，受外界環境影響或車輛碰撞，斜拉索會產生PE護套開裂、斜拉索錨頭銹蝕、鋼絲銹蝕或斷裂等病害。病害產生原因主要有斜拉索防護體系不過關、施工導致的拉索防護體系缺陷、斜拉索檢查養護不當等。當橋梁檢測發現存在斜拉索內高強鋼絲銹蝕、拉索錨頭及螺母嚴重銹蝕、拉索疲勞斷絲等病害時，應及時進行斜拉索更換，以保證橋梁的安全運營。斜拉索更換是一項復雜的工作，需要管養、設計、施工、監控等多個單位協同配合進行，合理的換索施工方案應使換索過程橋梁結構內力和位移變化值較小，且在控制范圍以內，以確保換索施工過程中的結構安全。斜拉索的更換一般存在兩種施工順序，即正序更換和逆序更換。其中，正序更換為由主塔向兩邊逐對依次更換，逆序更換為由兩側向主塔逐對依次更換。本文以某斜拉橋換索工程為例，利用有限元軟件對兩種換索施工順序進行計算分析，并分別對斜拉索、主梁及主塔等受力和位移結果進行對比分析，確定斜拉橋的合理換索施工順序。

1 工程項目概況

某獨塔斜拉橋建成于1997年，位于我國中部某省，橋跨布置為60m+90m，設計為塔、梁、墩固結的單索面混凝土斜拉橋，橋梁立面布置如圖1所示。橋梁90m跨主梁為單箱雙室混凝土箱梁，60m跨為實心混凝土梁，梁高均為1.8m，橋面全寬19m，90m跨主梁橫斷面如圖2所示。橋梁主塔、主梁設計采用50號混凝土，設計荷載等級為汽車-超20級，掛車-120。全橋共設12對，24根斜拉索，舊索為標準抗拉強度[fpk]=1 670MPa的低松弛鍍鋅高強平行鋼絲索，本次更換的新索為抗拉標準強度[fpk]=1 770MPa的低松弛鍍鋅高強平行鋼絲索[1]。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創新驅動）2019年第01期_103595＼Image＼NWYM2M3Y_DY8{2E%SPTOU$I.png>[6 000][230+11×420+1 150][邊跨側][9 000][1 650+11×630+420][主跨側][伸縮縫][2#臺][1#塔墩][常水位][0#臺][伸縮縫][邊跨索：B1-B12

主跨索：Z1-Z12]

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創新驅動）2019年第01期_103595＼Image＼OYN9YSS@}SU45D0F$NOKV2X.png>[橋梁中心線][1.5%][1.5%][25][25][17][17][17][520][30][375][575][50][1 900][30][520][575][375]

圖2 主梁標準橫斷面圖（單位：cm）

2 有限元計算模型

如圖3所示，應用橋梁有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁的計算模型，主梁、主塔采用梁單元進行模擬，斜拉索采用索單元進行模擬，邊界條件按橋梁施工階段實際情況進行模擬。計算模型對兩種換索順序分別進行施工階段分析，并以設計成橋索力為最終控制目標，施工過程中新換斜拉索一次張拉到位，有限元模擬施工步驟如表1所示。

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圖3 全橋有限元模型

表1 有限元模擬施工步驟

[正序施工 逆序施工 施工

步驟 模擬施工內容 施工

步驟 模擬施工內容 1 卸載并拆除舊索B1、Z1 1’ 卸載并拆除舊索B12、Z12 2 安裝并張拉新索B1、Z1 2’ 安裝并張拉新索B12、Z12 …… …… …… …… 23 卸載并拆除舊索B12、Z12 23’ 卸載并拆除舊索B1、Z1 24 安裝并張拉新索B12、Z12 24’ 安裝并張拉新索B1、Z1 ]

3 張拉千斤頂的選擇

斜拉橋換索工程針對每一對斜拉索，要先進行舊索卸載，再進行新索張拉。以設計成橋索力為目標，考慮斜拉索一次張拉到位，進行正裝迭代計算，將兩種換索順序下的舊索卸載索力和新索張拉索力進行對比分析，結果如下。

①對于舊索的拆除，正序施工與逆序施工所需的最大張拉力分別為4 489kN與4 647kN，且均為斜拉索B12;正序施工與逆序施工所需的最小張拉力分別為2 079kN與1 908kN，分別為斜拉索Z11與B2[2]。

②對于新索的張拉，正序施工與逆序施工所需的最大張拉力分別為4 415kN與4 308kN，且均為斜拉索B12;正序施工與逆序施工所需的最小張拉力分別為2 069kN與2 131kN，且均為斜拉索Z4。

為保證千斤頂在斜拉索上施加張拉力的準確性，在千斤頂的選擇上，應盡量使每根斜拉索的張拉控制力只達到所用千斤頂允許能力的50%～85%。根據計算結果，正序施工與逆序施工選擇500t千斤頂進行舊索拆卸和新索張拉，均能滿足使用要求，兩種施工方式對千斤頂噸位選擇無差異。

4 主梁、主塔的位移與受力

4.1 主梁位移與受力

選擇在施工過程中撓度較大的主跨1/2L截面，將兩種換索順序下的撓度進行對比，如表2所示。從表2可知，逆序施工過程中跨1/2L截面撓度普遍小于正序施工，其各施工階段的撓度平均為正序施工換索撓度的88%。其中，正序施工過程中，撓度最大值出現在施工步驟13拆除B7、Z7號斜拉索時，其累計撓度最大值為-127.2mm[3]。

表2 主跨1/2L截面各計算施工步驟累計撓度

[正序施工 逆序施工 施工

步驟 主梁位移/mm 施工步驟 主梁撓度/mm 施工

步驟 主梁撓度/mm 施工

步驟 主梁位移/mm 1 -69.2 13 -127.2 1’ -87.4 13’ -89.7 2 -64.1 14 -86.4 2’ -69.1 14’ -52.9 3 -72.1 15 -122.0 3’ -88.7 15’ -81.8 4 -64.5 16 -83.5 4’ -69.6 16’ -59.3 5 -80.1 17 -109.9 5’ -90.2 17’ -83.3 6 -67.9 18 -77.8 6’ -66.2 18’ -66.1 7 -93.1 19 -96.6 7’ -92.6 19’ -82.5 8 -76.3 20 -73.2 8’ -60.6 20’ -68.6 9 -109.7 21 -90.9 9’ -93.1 21’ -77.9 10 -84.9 22 -71.4 10’ -56.4 22’ -68.8 11 -125.8 23 -91.3 11’ -92.9 23’ -73.5 12 -85.5 24 -70.8 12’ -55.1 24’ -67.8 ]

注：負值為向下，正值為向上。

由于主跨1/2L截面的撓度在各施工步驟中較大，因此該截面底板的受力變化也應成為重點控制的內容。將兩種換索施工順序下的主跨1/2L截面底板應力計算值進行對比，如表3所示。經過對比分析，兩種換索順序下的主梁主跨1/2L截面底板應力并未表現出明顯差異。

綜合主梁撓度和受力分析，兩種換索施工順序中主梁在主跨1/2L截面位置底板應力值較為接近，但由于正序施工換索過程中撓度值較逆序施工偏大，因此，單從主梁撓度控制角度分析，對于該斜拉橋，采用逆序施工換索具有一定優勢。

4.2 主塔偏位與受力

主塔偏位是換索施工過程中需要重點控制的內容之一。在塔頂預設觀測點，對比正序施工與逆序施工換索兩種施工順序下的主塔塔頂偏位，計算數據如表4所示。由于斜拉橋換索導致的主塔偏位主要體現在橋梁縱橋向上，因此表中僅列出橋塔沿縱橋向方向上的偏位。由表4數據可知，主塔偏位在兩種換索順序中表現出巨大的差異，在順橋向方向上，逆序施工換索的偏位值明顯大于正序換索，平均是正序換索偏位值的2.69倍，各施工步驟平均比正序換索偏位值大20.7mm[4]。

在換索施工過程中，除了需要關注主塔的偏位情況，還需要重點關注主塔根部的受力情況[5]。由表4可知，各施工步驟主塔偏位主要是偏向主跨一側，因此，計算主塔根部邊跨一側的應力值，并將兩種換索順序下的主塔根部邊跨一側的應力值進行對比，如表5所示。從表5可知，正序換索過程中主塔根部邊跨一側的壓應力儲備較逆序換索明顯偏大，平均是逆序換索應力值的1.58倍。

綜合主塔偏位和受力分析，兩種換索施工順序中，從主塔偏位和受力控制角度考慮，針對此斜拉橋，正序換索具有決定性的優勢[6]。

5 結語

本文對兩種換索施工順序進行了施工階段模擬計算分析，對斜拉索、主梁及主塔的各控制截面位移和受力進行了計算對比分析。對于卸載和張拉斜拉索，正序施工與逆序施工選擇500t千斤頂均能滿足使用要求，兩種施工方式對千斤頂噸位選擇無差異;從主梁變形與受力角度來看，在主跨1/2L截面，兩種換索施工順序應力相近，但逆序施工換索主梁撓度較小，對施工過程中主梁線形控制有利;而從主塔偏位及根部受力的角度來看，逆序施工的塔頂偏位值明顯大于正序換索，平均是正序施工的2.69倍，平均比正序換索偏位值大20.7mm，且正序換索過程中主塔根部邊跨一側的壓應力儲備較逆序施工明顯偏大，平均是逆序換索應力值的1.58倍。因此，針對該斜拉橋換索工程，建議采取由主塔向兩側依次更換的正序施工方案較為合理。

參考文獻：

[1]王文濤.斜拉橋換索工程[M].北京：人民交通出版社，1997.

[2]中交第二航務工程局有限公司.公路橋梁施工系列手冊.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2014.

[3]溫敏.獨塔斜拉橋換索施工控制研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[4]葛俊穎.橋梁工程軟件MIDAS Civil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]劉士林.斜拉橋設計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]劉多特.斜拉橋換索技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2010.