空間異形索塔組合梁斜拉橋張拉順序優(yōu)化研究

林東龍

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350108)

0 引言

在斜拉橋整體施工過程中，斜拉索張拉是其中最為重要的一道工序，不同的張拉順序?qū)蛄菏┕r和最終成橋狀態(tài)的受力和變形都會產(chǎn)生較大的影響。如何通過斜拉索的張拉使橋梁達(dá)到設(shè)計的成橋狀態(tài)，是斜拉橋施工最為關(guān)鍵的問題之一。大部分斜拉橋為對稱結(jié)構(gòu)，主塔及斜拉索對稱布置，恒載下受力對稱，斜拉橋的位移及應(yīng)力控制難度較小[1-4]，而空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋相較一般對稱斜拉橋，由于上下游側(cè)、中邊跨側(cè)斜拉索與主梁和主塔斜交角度均不同，且鋼混組合梁相比于混凝土梁剛度較小，采用不同的張拉方案拉索索力將對橋梁的內(nèi)力狀態(tài)和線形產(chǎn)生明顯的影響。因此，有必要對空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋張拉方案進(jìn)行比較優(yōu)選，選取一種最優(yōu)的張拉方案，從而減小主梁和主塔在張拉過程及成橋狀態(tài)下的變形及應(yīng)力，保證橋梁實際的成橋狀態(tài)與設(shè)計的成橋狀態(tài)一致[5-7]。

本文以某空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋為背景，分析了三種張拉方案下橋梁結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，從而選取一種最優(yōu)的張拉方案，并通過施工監(jiān)控數(shù)據(jù)測試分析，驗證其合理性。

1 工程背景

本文以某空間異形索塔鋼混組合梁斜拉橋為工程背景。該橋采用跨徑組合為70 m+160 m+70 m=300 m的雙塔雙索面斜拉橋，橋長300 m，橋?qū)?6 m。主梁采用鋼-混凝土組合梁，其中縱梁采用槽形截面，梁高2.6 m，頂板寬0.5 m，底板寬0.8 m。混凝土橋面板厚0.26 m。主塔采用水滴形橋塔，主塔塔身高69.75 m，塔座上方5.63 m范圍內(nèi)塔柱按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計，其余塔柱按鋼塔內(nèi)填充混凝土進(jìn)行設(shè)計；全橋共32對拉索，呈空間雙索面扇形布置；斜拉索為34-φs15.2 mm和43-φs15.2 mm PE包裹防護(hù)環(huán)氧噴涂鋼絞線兩種，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，鋼絞線拉索群錨體系，全橋共計4×8根。斜拉索在塔上采用分絲管式索鞍構(gòu)造，梁上采用鋼錨箱錨固構(gòu)造。主橋結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。

2 張拉順序優(yōu)化設(shè)計的原則

各斜拉索張拉過程會對其他斜拉索的索力產(chǎn)生影響，不同的張拉方案對塔梁結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力的影響也不一樣，因此需要優(yōu)化斜拉索張拉施工順序，在保證施工過程的安全和成橋狀態(tài)滿足設(shè)計要求情況下，減少二次調(diào)索的工作量，進(jìn)一步縮短總工期。

斜拉索張拉順序優(yōu)化設(shè)計的原則主要如下：

1)保證張拉過程主梁、主塔應(yīng)力不超過其容許值，確保橋面板不因應(yīng)力過大而開裂。

2)鋼混組合梁鋼縱梁采用槽型截面，剛度較小，主梁易發(fā)生較大豎向變形和扭轉(zhuǎn)變形，因此應(yīng)保證張拉過程主梁位移合理、線形平順。

3)空間異形索塔兩側(cè)索力不對稱，主塔容易發(fā)生偏位，應(yīng)控制主塔偏位在合理范圍內(nèi)。

4)方便施工、盡量減少工期。

5)二期恒載施工完后索力能最大限度的接近設(shè)計值，盡量減少二次調(diào)索的工作量。

3 斜拉索張拉方案設(shè)計

斜拉索張拉方案設(shè)計分析計算采用MIDAS Civil專業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件。本橋采用單主梁有限元模型(見圖2)，模型共631個節(jié)點，580個單元，斜拉橋主梁和主塔采用梁單元模擬，斜拉索采用只受拉單元(索單元)模擬。主塔底部采用一般支承，全方位固結(jié)；永久支座采用一般彈性連接；臨時墩采用僅受壓的彈性連接；斜拉索與塔柱的連接均以共節(jié)點的形式連接。

該橋總體施工方案為主梁頂推到位后安裝人行道板，安裝預(yù)制橋面板，然后澆筑濕接縫及預(yù)應(yīng)力施工，最后進(jìn)行斜拉索張拉施工及臨時支架拆除。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場情況，選取了3種張拉方案進(jìn)行優(yōu)化比選，不同張拉方案對比見表1。

表1 不同張拉方案對比

4 各張拉方案索力計算

為了達(dá)到設(shè)計成橋狀態(tài)的要求，對不同張拉方案下全部斜拉索的張拉力進(jìn)行了計算，計算結(jié)果如圖3，圖4所示。由于南北塔的索力對稱，表中僅列出南側(cè)索塔的索力值。由圖5，圖6可知，三種張拉方案下的成橋索力與設(shè)計成橋索力基本一致，表明三種張拉方案的拉索張拉力均滿足設(shè)計成橋索力的要求，需進(jìn)一步對施工過程中主梁主塔的內(nèi)力及位移進(jìn)行詳細(xì)分析比較。

5 不同張拉方案結(jié)構(gòu)受力分析

采用Midas Civil模型對三種不同張拉方案下主梁主塔的內(nèi)力及位移進(jìn)行計算，結(jié)果如下。

5.1 主梁位移

從圖7可看出：不同張拉方案作用下，張拉后主梁線形變化趨勢基本一致，主梁最大位移均出現(xiàn)在中跨跨中，但由于張拉順序及張拉索力的不同，不同方案下主梁最大最小位移均不同，在方案1、方案2、方案3作用下，斜拉索張拉后的最大主梁位移分別為172.1 mm，142.6 mm，142.3 mm；最小位移分別為：-6.1 mm，-4.2 mm，-4.1 mm。

由上可知，方案2、方案3在斜拉索張拉后主梁的豎向位移明顯大于方案1，故從主梁位移上方案2、方案3優(yōu)于方案1。

5.2 組合梁鋼梁部分應(yīng)力

不同張拉方案作用下施工過程的組合梁鋼梁部分應(yīng)力包絡(luò)圖對比見圖8。

方案1、方案2、方案3在張拉過程鋼混組合梁鋼梁部分最大拉應(yīng)力分別為60.7 MPa，72.3 MPa，61.9 MPa；最大壓應(yīng)力分別為-102.8 MPa，-101.0 MPa，-97.0 MPa。

從整體上看，三個張拉方案鋼梁應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，方案1在張拉過程中鋼梁的壓應(yīng)力最大，方案2在張拉過程中鋼梁的拉應(yīng)力最大，最大應(yīng)力均接近施工過程設(shè)計應(yīng)力控制值100 MPa，但未超過規(guī)范應(yīng)力允許值。

5.3 組合梁混凝土橋面板應(yīng)力

不同張拉方案作用下施工過程的組合梁橋面板應(yīng)力包絡(luò)圖對比見圖9。

方案1、方案2、方案3在張拉過程中鋼混組合梁橋面板部分最大拉應(yīng)力分別為+1.3 MPa，+1.6 MPa，+0.1 MPa；最大壓應(yīng)力分別為-6.0 MPa，-5.8 MPa，-5.9 MPa。

從整體上看，三個張拉方案張拉后橋面板混凝土應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，但在張拉過程中方案1、方案2橋面板的拉應(yīng)力明顯比方案3大，接近橋面板施工階段拉應(yīng)力容許值，方案3在張拉過程中橋面板僅在局部出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力。

5.4 主塔偏位

不同張拉方案下成橋狀態(tài)主塔縱向位移對比如圖10(a)所示。

從圖10(a)可看出：不同張拉方案作用下，主塔最大縱向位移均在頂部。在方案1、方案2、方案3作用下，主塔的最大縱向位移分別為24.8 mm，14.9 mm，15.1 mm，其中，方案1的主塔縱向位移超過規(guī)范的限值17.4 mm，方案2、方案3主塔縱向位移明顯較方案1小，最大縱向位移未超過規(guī)范要求，且線形基本平順。

5.5 主塔應(yīng)力

不同張拉方案作用下施工過程的鋼主塔應(yīng)力包絡(luò)圖對比見圖10(b)，圖10(c)。

方案1、方案2、方案3在張拉過程中鋼主塔最大拉應(yīng)力分別為36.8 MPa，36.5 MPa，36.6 MPa；最大壓應(yīng)力分別為-64.9 MPa，-64.5 MPa，-64.6 MPa。

從整體上看，三個張拉方案鋼主塔應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在25號單元處即主塔弧形中部，最大應(yīng)力均小于施工過程設(shè)計應(yīng)力控制值100 MPa，且未超過規(guī)范應(yīng)力允許值。

5.6 小結(jié)

通過以上三種方案的計算結(jié)果對比可知，方案2、方案3的主梁位移和主塔縱向位移較方案1小，方案3的橋面板拉應(yīng)力明顯較方案1、方案2小，不同張拉方案對結(jié)構(gòu)影響的差異主要在于施工過程中橋面板的應(yīng)力，以主跨1/4跨位置的應(yīng)力影響最明顯，主要原因為該區(qū)域橋面板未布置預(yù)應(yīng)力鋼束，斜拉索角度不同導(dǎo)致對主梁的豎向分力和橫向分力不同，先張拉短索相對先張拉長索短期對主梁施加的豎向拉力較大，橫向軸壓力較小，從而導(dǎo)致較大橋面板拉應(yīng)力。

綜合上述分析，結(jié)合現(xiàn)場施工的情況、施工工期等，選取方案3作為最終的張拉方案。

6 斜拉索張拉施工效果

選擇方案3長索到短索一次張拉方案，在張拉過程中，通過對主梁和索塔的監(jiān)測，應(yīng)力和線形均滿足控制及設(shè)計要求。斜拉索張拉完成后，對主梁線形進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖11。主梁線形整體規(guī)律與計算值基本一致，總體上主橋橋面縱向線形較平順，無明顯突變點。主梁、主塔位移和應(yīng)力實測值與計算值均較吻合，綜合表明了選取方案3作為實際的張拉方案是最優(yōu)最合理的(見表2)。

表2 斜拉索張拉后實測值與計算值對比

7 結(jié)論

本項目為雙塔雙索面斜拉橋，主梁采用鋼-混凝土組合梁，其中縱梁采用槽形截面，主塔采用水滴形橋塔，斜拉索呈空間雙索面扇形布置，為了尋求最優(yōu)的張拉順序，使結(jié)構(gòu)在滿足設(shè)計成橋狀態(tài)要求的同時最大程度的減小結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形和應(yīng)力，本文設(shè)計了三種不同的張拉方案，計算了各方案的張拉力，并從主梁主塔位移、組合梁鋼梁和橋面板應(yīng)力、主塔應(yīng)力等方面進(jìn)行了對比分析，得出主要結(jié)論如下:

1)在整個施工過程中，方案3主梁位移和主塔偏位均較小，特別是橋面板拉應(yīng)力明顯較小，變形和應(yīng)力最優(yōu)；且綜合考慮現(xiàn)場施工的情況、施工工期等其他方面的問題，選擇方案3作為實際最終的張拉方案。

2)實際斜拉索張拉過程中，通過對主梁和索塔進(jìn)行監(jiān)測，可知主梁、主塔線形和應(yīng)力均與計算結(jié)果較吻合，表明所采用方案3長索到短索的一次張拉方案是合理、可行的。

3)通過對斜拉索張拉方案的優(yōu)化設(shè)計研究，在確保施工過程的安全和成橋狀態(tài)滿足設(shè)計要求情況下，減少二次調(diào)索的工作量和縮短了工期，對今后類似工程的施工控制而言具有一定的參考價值。