轉體斜拉橋索力的確定研究

趙康、方正

（貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州貴陽 550000）

1 轉體斜拉橋索力確定方法

1.1 概述

從結構理論來講，斜拉橋合理成橋索力的確定只需對成橋狀態(tài)下的橋梁進行分析計算而不用考慮施工過程。實際成橋索力則與斜拉橋的施工方法及步驟有關，為達到實際成橋索力與合理成橋索力的一致，通常需進行索力調(diào)整。斜拉索張拉次數(shù)會影響工程施工效率，如何既能減少張拉次數(shù)又能確保橋梁滿足受力要求是斜拉橋建設過程中面臨的問題之一。目前，施工中主要采用“一次張拉法”和“兩次張拉法”進行索力張拉。

目前，斜拉橋合理索力的理論確定方法主要有：最小彎曲應變能法、無應力狀態(tài)控制法、影響矩陣法、應力平衡法等。以下主要介紹影響矩陣法[1]。

1.2 影響矩陣法

應用影響矩陣法確定斜拉橋索力需要定義受調(diào)向量、被調(diào)向量及影響向量。

受調(diào)向量：斜拉橋n個拉索調(diào)整值組成的列向量，定義為：

被調(diào)向量：為了改變整體結構內(nèi)力、變形等指標，可以被調(diào)整的n個未知索力組成的列向量，定義為：

式（2）中：xi=()i=1,2,3,...,n為被調(diào)截面的位移或者內(nèi)力。

影響向量：斜拉橋體系索力組中某個索力發(fā)生單位變化，造成其他索力的變化值組成的向量，定義為：

影響矩陣：斜拉橋體系索力組中n個索力發(fā)生單位變化，引起其他n個索力變化的影響向量組成的矩陣，定義為：

假設橋梁結構適用線性疊加原理，則有：

式（5）中：[A]為影響矩陣；{X} 為被調(diào)向量；[B]為受調(diào)向量。

影響矩陣的計算是應用影響矩陣法的關鍵，矩陣中的元素對應斜拉索的應力、變形量等[2]。

目前求影響矩陣的方法主要有：修改總剛度矩陣法、基于強迫變形的影響矩陣法和基于結構連續(xù)變更生成影響矩陣法。

對于斜拉橋索力確定，需要分別去掉每根斜拉索，然后沿拉索方向用單位力代替，由于每次去掉一根斜拉索，結構的剛度也隨之變化，因此需要多次計算[3]。

2 斜拉橋轉體前索力確定

2.1 張拉次數(shù)確定

斜拉橋的索力對結構的受力狀態(tài)有著直接影響。因此，確定施工階段中索力的張拉大小以及張拉次數(shù)是施工的關鍵。斜拉索張拉次數(shù)應盡可能少，但要保證在張拉過程中主梁與主塔的應力在控制范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)超應力現(xiàn)象[4]。

實際施工中，一般采用“一次張拉法”或“兩次張拉法”進行拉索的張拉。以某市政轉體斜拉橋為例。

首先采取“一次張拉法”進行有限元仿真分析。根據(jù)計算結果，采用“一次張拉法”，斜拉橋結構在成橋狀態(tài)的受力是合理的，但在施工階段，斜拉索逐根張拉會導致主梁被拉起脫離支架，主梁局部出現(xiàn)超應力現(xiàn)象。因此，在施工過程中必須采取有效措施防止出現(xiàn)超應力現(xiàn)象。

目前，消除施工階段出現(xiàn)超應力現(xiàn)象的方法主要有三種。

一是在斜拉索張拉之前，在主梁上進行臨時配重，待張拉完之后再逐步進行卸載。但該措施在實際施工中不易操作，且配重耗資耗力耗時，卸載過程也不易控制。

二是通過專門配置預應力筋來抵消張拉過程中產(chǎn)生的不利應力。但是，在斜拉索張拉完之后，多余配置的預應力筋將不起任何作用，甚至起到反作用。

三是采用“兩次張拉法”，即第一次張拉到設計索力的75%左右，待斜拉橋二期恒載等鋪裝完畢后，再進行第二次張拉至設計索力。該辦法操作簡單，不需要配置多余的預應力和配重措施，只需要對斜拉索進行兩次張拉操作。

因此，經(jīng)過綜合考慮，最終決定采取“兩次張拉法”對斜拉索進行張拉的施工方案。

2.2 初張索力的取值優(yōu)化

該轉體斜拉橋采用“兩次張拉法”進行調(diào)索。第一次張拉是在橋梁轉體前且主梁在滿堂支架上澆筑完畢并張拉預應力后進行。此時，輔助墩已施工完畢，其上方預留空間為60cm，其中，支座需40cm，墊層約10cm，楔形塊最高處約10cm，因此，轉體過程中主梁梁端標高需進行嚴格控制，否則，將導致轉體梁不能順利通過輔助墩。為防止主梁在轉體過程中被輔助墩限制，本文在確保主梁不出現(xiàn)超應力現(xiàn)象的前提下，對比分析了初張索力為設計索力的60%、70% 和80%時的主梁線形（見表1），并確定最優(yōu)的初張索力。

表1 不同初張索力對主梁梁端撓度影響

由表1 數(shù)據(jù)可知：初張索力值分別為設計值的60%、70% 和80% 時，輔助墩側梁端豎向撓度值分別為-48.9cm、-41.2cm、-33.4cm，即在確保主梁不出現(xiàn)超應力現(xiàn)象的前提下，初張索力值越大，主梁撓度越小。根據(jù)上述計算結果，為確保主梁轉體成功，理論上可采取如下兩種方案。

方案1：對主梁中跨側梁端進行配重，在輔助墩墩頂處預留足夠的空間讓轉體梁通過，不同的初張索力值，轉體前主梁的配重方案也不同。

方案2：橋梁在轉體前不安裝輔助墩支座，待轉體成功后，再在輔助墩處搭設支架，利用頂推法安裝輔助墩支座。

方案2 由于采用頂推法安裝輔助墩支座，施工空間有限而難以保證施工質(zhì)量，因此不建議采納。而方案1 采用主梁配重的方法，由上述計算結果可知，初張索力越大，配重越小，因此，該橋建議采用初張索力取設計索力的80%（見圖1、圖2）。

圖1 60%設計索力轉體前主梁撓度

圖2 80%設計索力轉體前主梁撓度

2.3 初張索力后與實測索力對比

該橋初張索力為設計索力的80%。將該初張索力代入有限元模型中進行正裝計算，計算結果表明：在16 對斜拉索張拉過程中，主梁、主塔均未出現(xiàn)超應力現(xiàn)象。索力張拉完之后，采用頻率法對索力進行實測，索力編號如圖3 所示，結果如圖4 和表2 所示。

圖3 斜拉索編號示意圖（t）

圖4 主塔南側初張后索力與初張索力對比圖（t）

表2 主塔初張后實測與初張索力對比

3 斜拉橋轉體成橋后終張索力調(diào)整

轉體前，主梁與主墩處于臨時固結狀態(tài)，轉體完成后，解除臨時固結，對橋梁進行合龍、橋面鋪裝等作業(yè)。橋梁體系經(jīng)歷多次轉換，因此，橋梁的受力狀態(tài)和索力均發(fā)生變化。橋梁進行第二次張拉的目的是使實際索力值達到設計索力的100%，為此，利用影響矩陣法對索力進行調(diào)整。

該橋共64 對斜拉索，因此，索力的影響矩陣為64×64 階，成橋后斜拉索第二次張拉完畢的實測索力與設計索力對比如表3 所示。成橋后斜拉索第二次張拉完畢的實測索力與設計索力對比如圖5 所示。可見，二次張拉結束后，橋梁的實測索力與設計索力接近，誤差在±5% 內(nèi)，滿足規(guī)范要求，橋梁受力狀態(tài)良好。

圖5 主塔南側二次張拉完畢索力對比（t）

表3 主塔二次張拉完畢實測索力與設計索力對比

4 結論

通過上述對于斜拉橋轉體前后索力的理論方法介紹和與實際施工實測索力的對比，得到以下結論。

第一，確定斜拉橋合理索力采用影響矩陣法可滿足實際施工需要，切實可行。

第二，斜拉索索力對轉體斜拉橋受力狀態(tài)及配重方案影響較大。對于轉體斜拉橋，若采用“一次張拉法”將導致施工過程中主梁出現(xiàn)超應力現(xiàn)象，不建議采用。若采用“兩次張拉法”，初張索力合理取值宜為設計索力的80%，能確保主梁不出現(xiàn)超應力現(xiàn)象且使轉體不受輔助墩限制，配重也較輕；轉體成橋后，采用影響矩陣法進行索力第二次張拉，結果表明，該方法準確有效，實測索力與設計索力誤差在±5%內(nèi)。