矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型構(gòu)建與應(yīng)力分析

易成

摘 要：采用塔梁同步施工工藝可以在一定程度上縮短矮塔斜拉橋的施工工期，但也會(huì)給塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應(yīng)力形成較大影響。研究以我國(guó)蘭合鐵路某段矮塔斜拉橋?yàn)槔瑢?duì)該工程開(kāi)展同步施工階段矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型進(jìn)行構(gòu)建，分析了該工程局部應(yīng)力分布規(guī)律，通過(guò)模型模擬分析結(jié)果與實(shí)際工程測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)該模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：矮塔斜拉橋；塔梁墩；固結(jié)粘接部位；分析模型；局部應(yīng)力

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.58+8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0162-04

Local model construction and stress analysis of consolidation and bonding parts of pier of short tower cable-stayed bridge

YI Cheng

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xian 710043，China）

Abstract：The construction period of short tower cable-stayed bridge can be shortened to a certain extent by using the tower beam synchronous construction technology，but it also has a great influence on the local stress of the consolidation and bonding parts of tower beam pier.Taking a short tower cable-stayed bridge of Lanhe Railway as an example，a local model of the consolidation and bonding position of the tower girder pier of the short tower cable-stayed bridge during the synchronous construction phase of the project was constructed.The local stress distribution law of the project was analyzed and the accuracy of the modified model was verified by comparing the model simulation analysis results with the actual engineering test data.

Key words：low-pylon cable-stayed bridge;tower beam pier;consolidation and bonding site;analysis model;local stress

傳統(tǒng)的矮塔斜拉橋在施工過(guò)程中大多會(huì)選擇先塔后梁的技術(shù)，即先對(duì)矮塔進(jìn)行建設(shè)后再開(kāi)展梁等部分的建設(shè)。為了優(yōu)化工期，部分矮塔斜拉橋在施工過(guò)程中逐漸摒棄了這種先塔后梁的技術(shù)，選擇了塔梁同步施工工藝［1］。這種施工工藝能夠根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的工程特點(diǎn)大大縮短施工時(shí)間。然而，塔、梁的同步施工會(huì)給塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應(yīng)力帶來(lái)較大的影響，如果計(jì)算不當(dāng)有時(shí)會(huì)給工程帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文以我國(guó)蘭合鐵路某段矮塔斜拉橋?yàn)槔⒘艘环N專(zhuān)門(mén)針對(duì)塔梁同步施工工藝塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應(yīng)力的分析模型，通過(guò)該模型監(jiān)控和分析塔梁同步施工過(guò)程中各局部應(yīng)力的變化情況，以掌握矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應(yīng)力分布規(guī)律，保證相關(guān)工程建設(shè)的合理、安全。

1 項(xiàng)目背景

1.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于蘭合鐵路某段，整體分為3個(gè)不同橋垮，其中1號(hào)橋跨全長(zhǎng)135 m，2號(hào)橋垮240 m，3號(hào)橋垮195 m。圖1為該橋梁的基布結(jié)構(gòu)示意圖。

從圖1可以看出，該橋梁為典型的矮塔斜拉橋，其拉鎖為雙索面扇形布置，圖中所示部分總共設(shè)置44對(duì)斜拉索，項(xiàng)目施工主要結(jié)構(gòu)包括路基、橋梁、隧道、互通、涵洞工程等［2］；橋墩固結(jié)粘接部位采用低水化熱水泥，如礦渣硅酸鹽水泥粘接加工所成。橋梁各部分主要指標(biāo)參數(shù)值如表1所示。

1.2 設(shè)計(jì)荷載

該橋梁總質(zhì)量23 540 t，設(shè)計(jì)載荷掛籃每套重2 550 kN，共設(shè)計(jì)斜拉索44對(duì)，設(shè)計(jì)合攏吊架質(zhì)量350 kN。表2為該橋梁部分矮塔斜拉索設(shè)計(jì)索力值。

梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)環(huán)氧樹(shù)脂混凝土砂漿初凝時(shí)間高于0.5 h；3 d養(yǎng)護(hù)齡期的橋梁伸縮縫過(guò)渡區(qū)環(huán)氧樹(shù)脂混凝土的抗壓強(qiáng)度約89.7 MPa，抗折強(qiáng)度約21.8 MPa，粘接強(qiáng)度為2.86 MPa，彈性模量為14.8 GPa，斜拉索設(shè)計(jì)索力值可以達(dá)到橋梁設(shè)計(jì)載荷的需求。經(jīng)過(guò)紫外老化和濕熱老化處理后，矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位力學(xué)性能需要超過(guò)國(guó)家水泥混凝土路面設(shè)計(jì)特重交通等級(jí)水凝混凝土強(qiáng)度規(guī)定；同時(shí)，還需要具有良好的耐老化性能。

1.3 矮塔斜拉橋塔梁同步施工步驟

塔梁同步施工主要指的是矮塔斜拉橋的大橋主體上部分結(jié)構(gòu)和主梁部分則采用懸臂澆筑的方法進(jìn)行施工［3］。塔梁同步施工中轉(zhuǎn)體部分位于第2跨和第3跨，設(shè)計(jì)采用鋼箱梁T型剛構(gòu)。圖2為該項(xiàng)目的主要施工步驟。

矮塔斜拉橋的同步施工共經(jīng)歷2條不同線(xiàn)路，主體上部分結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)塔柱支架施工、塔柱施工、若干次斜拉索施工等步驟；主梁部分則采用支架現(xiàn)澆、矮塔斜拉橋施工、若干次掛籃懸澆和吊架現(xiàn)澆合龍等步驟［4］。2條路線(xiàn)經(jīng)過(guò)同時(shí)施工實(shí)現(xiàn)矮塔斜拉橋的同步施工。

2 矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建邏輯

本次構(gòu)建矮塔斜拉橋梁墩固結(jié)部位局部模型主要目的為分析該橋梁在開(kāi)展同步施工時(shí)的局部應(yīng)力情況。在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)以Midas系列軟件對(duì)橋梁的整體桿模型進(jìn)行搭建，再以該整體桿模型為基礎(chǔ)對(duì)梁墩固結(jié)部位在不同施工步驟、邊界連接等情況下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型并進(jìn)行應(yīng)力分析［5］。

2.2 梁墩固結(jié)粘接部位局部模型構(gòu)建

2.2.1 計(jì)算模型范圍選取與網(wǎng)格劃分

根據(jù)文獻(xiàn)［6］提出的理論，將該矮塔斜拉橋中心位置為原點(diǎn)，以對(duì)稱(chēng)的方式向矮塔斜拉橋2延伸方向各取24 m為一階段進(jìn)行x軸劃分，以19 m為一階段進(jìn)行y軸劃分；圖3為該矮塔斜拉橋塔梁墩?qǐng)F(tuán)結(jié)部位局部網(wǎng)格劃分圖。

圖3矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部網(wǎng)格劃分圖以原點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)，將對(duì)稱(chēng)點(diǎn)處界面設(shè)為第0號(hào)塊，以原點(diǎn)所在位置的垂直截面為對(duì)稱(chēng)面將模型分為2部分。其中主塔、主梁及橋墩部分為固結(jié)部位核心構(gòu)件，該構(gòu)件向下0～8.5 m將矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部網(wǎng)格按照每0.3 m一階段進(jìn)行劃分；該構(gòu)件向下8.5～29 m按照每0.5 m一階段進(jìn)行劃分；該構(gòu)件向下29 m以下按照每1.0 m一階段進(jìn)行劃分［7］。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束模擬

該項(xiàng)目的應(yīng)力分析只考慮矮塔斜拉橋橋梁主梁的x軸與y軸預(yù)應(yīng)力鋼筋作用。在對(duì)塔梁墩固結(jié)部位進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束模擬時(shí)，利用Midas系列軟件內(nèi)的強(qiáng)化功能賦予圖4所示，矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部網(wǎng)格劃分圖不同網(wǎng)格各自的特性，將預(yù)應(yīng)力值設(shè)定在預(yù)應(yīng)力鋼筋的始末兩端，通過(guò)軟件的自主運(yùn)算得到鋼束信息［8］。通過(guò)軟件分析可知該項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力鋼筋網(wǎng)格劃分尺寸為0.1 m。

2.2.3 主要結(jié)構(gòu)件材料特性

根據(jù)以往相同類(lèi)型工程建設(shè)實(shí)例采用C55、C50、C40混凝土分別作為矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位的主梁、橋塔與橋墩的建筑材料。表3所示為構(gòu)件各材料的主要特性如彈性模量、泊松比等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.3 梁墩固結(jié)粘接部位局部應(yīng)力分析

以0號(hào)塊對(duì)稱(chēng)面中心點(diǎn)為原點(diǎn)設(shè)定距離該原點(diǎn)處沿x軸方向0、3.5、4.6、6 m位置處分別為梁墩固結(jié)部位中心處、橫隔板縱向中心處、主梁懸臂根部、梁墩固結(jié)部位0號(hào)塊端部節(jié)點(diǎn)，以0號(hào)塊對(duì)稱(chēng)面中心點(diǎn)為原點(diǎn)設(shè)定距離該原點(diǎn)處沿y軸方向0、2.7、5.1、6 m位置處分別為梁墩固結(jié)部位中心處、箱式頂板中心、邊腹板內(nèi)表面、邊腹板外表面節(jié)點(diǎn)，開(kāi)展縱向正應(yīng)力分析、橫向正應(yīng)力分析等。

2.3.1 縱向正應(yīng)力分析

經(jīng)軟件分析后得到表4所示的梁墩固結(jié)粘接部位第0號(hào)塊頂板上緣、底板下緣沿x軸位置及頂板上緣沿z軸位置縱向正應(yīng)力在最大懸臂狀態(tài)下的波動(dòng)情況結(jié)果。

從頂板上緣沿x軸方向縱向正應(yīng)力來(lái)看，主梁頂板上緣應(yīng)力隨距中點(diǎn)距離縮小呈現(xiàn)出先減小后升高并略顯對(duì)稱(chēng)的變化狀態(tài)，最大應(yīng)力為據(jù)中心點(diǎn)距離12 m處，此時(shí)應(yīng)力可達(dá)-16.8 MPa；底板下緣沿x軸方向縱向正應(yīng)力的變化狀態(tài)與頂板上緣極為類(lèi)似，通常隨距中點(diǎn)距離縮小呈現(xiàn)出先減小后升高并略顯對(duì)稱(chēng)的變化狀態(tài)，最大應(yīng)力為據(jù)中心點(diǎn)距離12 m處，此時(shí)應(yīng)力可達(dá)3.6 MPa，但是底板下緣在距中心點(diǎn)-9、-6、6、9、12 m時(shí)的差距并不大。

從頂板上緣沿z軸方向縱向正應(yīng)力來(lái)看，主梁頂板上緣應(yīng)力隨距中心點(diǎn)距離縮小呈逐漸增大狀態(tài)，并于中心點(diǎn)處達(dá)到最大值-13.4 MPa；在距離該原點(diǎn)相同距離的-9、9 m等位置縱向正應(yīng)力的絕對(duì)值極為接近，整體分布具有較強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)性。

2.3.2 橫向正應(yīng)力分析

經(jīng)軟件分析以后得到表5所示梁墩固結(jié)粘接部位第0號(hào)塊頂板上緣沿x軸位置及頂板上緣沿z軸位置橫向正應(yīng)力在最大懸臂狀態(tài)下的波動(dòng)情況。

從頂板上緣沿x軸方向橫向正應(yīng)力來(lái)看，主梁頂板上緣應(yīng)力隨距中點(diǎn)距離縮小呈現(xiàn)出先增大后減小并略顯對(duì)稱(chēng)的變化狀態(tài)，最大應(yīng)力為據(jù)中心點(diǎn)距離-6、6 m處，此時(shí)應(yīng)力可達(dá)-3.1、3.33.1 MPa。從頂板上緣沿z軸方向橫向正應(yīng)力來(lái)看，主梁頂板上緣應(yīng)力隨距中心點(diǎn)距離縮小呈逐漸增大狀態(tài)，并于中心點(diǎn)處達(dá)到最大值3.9 MPa，整體分布同樣具有較強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)性。

3 模型推測(cè)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 頂板應(yīng)力增量對(duì)比

表6所示為模型經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的頂板應(yīng)力增量值與實(shí)際施工過(guò)程中相同位置的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況結(jié)果。

從推測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況來(lái)看，模型推測(cè)值最大誤差處出現(xiàn)在邊跨最大懸臂位置，此時(shí)的推測(cè)誤差約為0.8 MPa；其次為全橋合龍?zhí)帲`差約為0.7 MPa。其余部分的誤差基本集中在0.1或0.2 MPa左右。可見(jiàn)在頂板應(yīng)力增量分析方面該模型的誤差基本在可接受范圍內(nèi)。

3.2 底板應(yīng)力增量對(duì)比

表7所示為模型經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的底板應(yīng)力增量值與實(shí)際施工過(guò)程中相同位置的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況結(jié)果。

從推測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況來(lái)看，模型推測(cè)值最大誤差處出現(xiàn)在二期環(huán)節(jié)，此時(shí)的推測(cè)誤差約為1.2 MPa；其次為中跨合龍?zhí)帲`差約為0.8 MPa；其余部分的誤差基本集中在0.1或0.2 MPa左右。可見(jiàn)在底板應(yīng)力增量分析方面該模型的誤差基本在可接受范圍內(nèi)。

綜合來(lái)看，該模型基本可以滿(mǎn)足矮塔斜拉橋塔梁墩?qǐng)F(tuán)結(jié)部位局部應(yīng)力分析，其誤差主要集中在邊跨最大懸臂、全橋合龍、二期及中跨合龍等施工工藝環(huán)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

研究以國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目為例，對(duì)矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部應(yīng)力分析模型進(jìn)行構(gòu)建，以工程施工中的實(shí)測(cè)值與模型推測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，該模型除在邊跨最大懸臂、全橋合龍、二期及中跨合龍等施工工藝環(huán)節(jié)的推測(cè)值存在一定誤差外，其他施工環(huán)節(jié)的誤差很小，基本增量誤差均為0.1、0.2 MPa，該模型可以應(yīng)用在實(shí)際的工程施工環(huán)節(jié)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 亢鑫，黃輝，涂滿(mǎn)明，等.坦桑尼亞坦桑藍(lán)跨海大橋主橋合龍順序研究［J］.世界橋梁，2023，51（1）：9-14.

［2］ 桂水榮，雷鳴宇，陳水生，等.矮塔斜拉橋動(dòng)靜力特性對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性影響分析［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，39（1）：79-87.

［3］ 孫峰.寬幅矮塔斜拉橋分隔帶勁芯骨架主塔施工技術(shù)分析［J］.安徽建筑，2022，29（6）：67-74.

［4］ 胡豪，施洲.高速鐵路矮塔斜拉橋運(yùn)營(yíng)階段收縮徐變效應(yīng)分析［J］.鐵道勘察，2022，48（6）：128-133.

［5］ 張景利.黔張常鐵路橋梁總體設(shè)計(jì)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2022，39（10）：42-46.

［6］ 楊德厚，鄧同生，李順波.矮塔斜拉橋塔梁同步施工階段塔梁墩固結(jié)部位局部應(yīng)力分析［J］.交通科技，2021（2）：28-33.

［7］ 羅書(shū)舟，張謝東，趙家勝，等.大跨矮塔斜拉橋模態(tài)頻率溫度影響修正研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2022，46（5）：932-937.

［8］ 常心煜，鄭祎雷.雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋合龍施工技術(shù)研究［J］.交通世界，2022（25）：106-108.