確定混合梁斜拉橋張拉施工的索力控制方法

范偉強 宋學招

(1、中南林業科技大學 土木工程學院,湖南 長沙410004 2、中建四局,廣東 廣州510000)

1 概述

混合梁斜拉橋與常規斜拉橋相比較有許多優點：該類型斜拉橋主梁在主梁構成上由兩種不同的材料構成,主跨由鋼材構成的鋼主梁,邊跨(或伸入主跨一部分)的梁體為混凝土梁。邊跨預應力混凝土梁,可以抵消鋼主梁恒載,且邊跨各支點均不出現支反力,而且由于邊跨斜拉索索距相對主跨的較小,從總體上將整體主梁剛度提升。極大提高主跨的跨越能力需要,同時降低邊跨和主跨長度比。當主跨布置活載時,主跨的梁體變形和主塔變位均有減小趨勢,實際上邊跨結構起到了很好的錨固作用,針對獨塔混合梁斜拉橋而言,主邊跨合理設置能使主跨鋼梁的恒載與邊跨混凝土梁各支承點的正反力平衡。近年來,城市橋梁需要更加突出城市美觀,斜拉橋獨特的建筑外形能增添城市外觀之美,曲線混合梁斜拉橋受力特征相對一般直線斜拉橋而言要復雜。城市寬幅路面道路要求建設的寬幅主梁等特征進一步增加了受力復雜程度,給施工增添不少難度。通過適當的施工控制方法確保施工狀態的合理性,一座斜拉橋的合理施工狀態可以通過控制方法如無應力狀態控制法、正裝迭代法、倒拆法等。獲得斜拉橋張拉施工索力,滿足工程要求。本文以上海蘊藻浜大橋為例,該斜拉橋索力施工控制方法選擇合適的方法,得到正確張拉施工索力。

2 工程概況

陸翔路- 祁連山路貫通工程(I 標段)蘊藻浜大橋采用獨塔雙索面混合梁斜拉橋,其跨徑布置為132+65m=197m,其中邊跨位于半徑為251m的平曲線上,橋梁立面布置圖如圖1 所示。

圖1 斜拉橋布置圖

主跨為132m 鋼箱梁,鋼梁全寬42m,主跨主梁采用鋼箱梁結構,鋼梁材質Q345qD。鋼梁為單箱六室鋼結構箱梁,中心線處箱梁腹板凈高2.6m,箱梁挑臂4m,鋼梁采用全焊接結構。邊跨主梁采用預應力混凝土箱梁,采用C50 混凝土,全斷面布置六個箱室,中心線處梁高2.55m。斜拉索采用扭絞型平行鋅鋁合金機械層鋼絲斜拉索,冷鑄錨,鋼絲標準強度1770MPa,斜拉索采用近似平行雙索面布置,全橋共2X24=48 根斜拉索,斜拉索在塔端及梁端均安裝內置式斜拉索減震器,主橋采用塔梁固結、塔墩分離的結構體系。

3 模型建立

本橋采用橋梁有限元專業軟件Midas/Civil,軟件盡可能按照設計圖紙準確模擬出真實情況的有限元模型,根據圖紙的材料參數,結構形式、邊界條件,施工階段全橋采用416 個節點,337 個單元,其中梁單元289 個,只受拉桁架單元48 個,現列主梁、主塔和斜拉索的結構參數值以及結構材料參數和邊界條件,橋梁有限元模型如圖2 所示。

圖2 斜拉橋有限元模型

4 確定合理施工方案

4.1 合理施工狀態

蘊藻浜大橋結構形式是一座獨塔雙索面塔梁固結體系的混合梁斜拉橋,主梁采用箱梁截面,索塔呈“豎琴”型,索塔采用工廠分塊分段制造,現場拼裝的施工方法,主跨主梁通過Pm07 岸側的頂推平臺完成鋼箱梁現場拼裝,并且通過河中三組臨時墩完成步履式頂推施工方法,邊跨采用現澆滿堂支架完成混凝土預壓后進行現場預應力混凝土澆筑工藝,局部可采用少支架現澆工藝。主、邊跨主梁合龍段采用鋼混結合段。

確定斜拉橋合理施工方案,保證施工完成后具備合理成橋狀態,合理成橋狀態需要合理成橋索力,確定一個合理施工方案能確保成橋索力符合設計要求,合理施工狀態的確定通常有無應力狀態控制法、倒拆法和正裝- 倒拆迭代法,這些方法在不同情況下都存在一定的不閉合問題,即通過正裝計算時獲得的施工狀態控制參數,與合理成橋狀態不一致。導致不閉合的原因有兩個[1-2]：(1)拆除合攏段或支座時,有不平衡桿端或反力；(2)結構非線性,如混凝土收縮、徐變、拉索垂度效應等材料和幾何非線性。正裝迭代基本思路為：需提前假設一組斜拉索張拉力,在得到一個成橋狀態后,與之前確定好的合理成橋狀態比較,按照最小二乘法使兩個施工狀態相差最小,以此來迭代修正之前的張拉索力,進行下一步的正裝計算,直到滿足誤差要求為止,此方法只需作正裝計算,可以將不閉合原因造成的影響通過最小二乘法降低到最小。

4.2 正裝迭代法的基本定義以及應用

正裝迭代基本思路為：需提前假設一組斜拉索張拉力,在得到一個成橋狀態后,與之前確定好的合理成橋狀態比較,按照最小二乘法使兩個施工狀態相差最小,以此來迭代修正之前的張拉索力,進行下一步的正裝計算,直到滿足誤差要求為止,此方法只需作正裝計算,可以將不閉合原因造成的影響通過最小二乘法降低到最小。

本文以正裝迭代法做理論支撐,以上海蘊藻浜大橋為工程背景的情況下,檢驗該方法在全橋索力保證達到目標索力的情況下滿足結構安全性。已知斜拉索張拉完索力為{T0}以及成橋索力{T1},n為斜拉索根數,則每根斜拉索實際索力差值為：

將得到的差值進行與第一輪施工張拉所需斜拉索力進行相加得到第二輪正裝張拉所需索力{T2}:

并且得到第二輪張拉完成后的成橋索力{F2},同時再次與合理成橋狀態索力存在差值{b2},最后計入{T2}得到{T3}。以此反復正裝循環迭代,逼近成橋合理狀態,直到收斂為止。以下通過正裝迭代得出每輪模擬施工張拉值{Ti}和差值{bi}。通過該方法實際運用可得知,有限元模型的結構形式、邊界條件、材料參數相同的條件下,正裝迭代法進行索力擬合不斷通過減小索力差值達到目標索力。本例中直接采用合理成橋狀態下的目標索力,能減小迭代次數并且計算方便。考慮收縮徐變,得出三次迭代結果,以東側邊跨索力為例,結果如表1 所示。

表1 正裝迭代索力與成橋合理索力對比差值(kN)

經過采集完現場索力后,圖4 中數據可以看出,在主梁完成二次恒載施工后,各個梁段線型有個別超出誤差范圍,但整體線型變化趨勢與成橋設計線型變化吻合,根據本工程自身跨徑較小,剛度大,仍然以索力監控為主,線型控制為輔助,即使主梁稍微超出控制值也影響不大。因此總體而言,主梁線型基本滿足要求。

5 結論

圖3 正裝迭代法成橋索力值

表2 正裝迭代法得出的成橋實測索力(kN)

圖4 張拉施工后實測成橋線型圖

使用正裝迭代法確定施工張拉得出成橋索力值并結合上海蘊藻浜曲線斜拉橋結構特點,該方法每次迭代結合相同的結構體系、邊界支承條件、荷載組合并且考慮混凝土收縮徐變。從迭代次數以及迭代效果,正裝迭代法得出的成橋索力最終值與目標成橋索力幾乎吻合。迭代過程中。每次正裝迭代得到的成橋索力與目標索力的誤差在不斷減小,且變化平順,斜拉索之間索力的相對變化也未出現太大差異,整體都是朝目標索力進行擬合。