斜拉橋索力張拉優化方法研究

蒲 潔 李 江 王天琪 雍正陽 鞏海周

(中建八局西南公司 成都 610041)

斜拉索作為斜拉橋的重要構件,在布置過程中其不同張拉方式會對斜拉橋線形及受力造成較大影響,合理的張拉方式不僅可以降低成本,更能使斜拉橋具有更高的安全性[1-3]。目前,常用的斜拉索張拉方式主要分為2種:①一次張拉到位,②二次張拉到位。大部分斜拉橋索力的張拉使用二次張拉到位的張拉方法[4],此張拉方式不僅有利于保證橋梁結構懸臂施工階段控制截面的受力要求,且在保證線形的基礎上通過二次調索可使成橋索力和結構內力最大限度地接近理想成橋狀態[5]。但此種斜拉索索力張拉方式存在工作量大、施工周期較長的問題,對于有工期要求的項目不太適用。

斜拉索力一次張拉到位方法就是在施工階段只進行一次索力張拉[6],但是為了使橋梁成橋之后達到理想成橋狀態,此種斜拉索張拉方式會提供較大的一次張拉索力,這種過大的索力,對于自重較輕的橋梁,可能會導致懸臂施工階段主梁下緣出現較大拉應力,影響結構安全,且這種方法的主梁線形監控壓力大,成橋線形往往較差。

本文以某矮塔斜拉橋為背景,綜合考慮上述2種張拉方式的優缺點,擬通過對主梁施加臨時配重的方式,將二次調索方案轉換為一次張拉到位方案,在保證主梁線形的基礎上,縮短施工工期和降低施工風險并通過有限元軟件分析這種方法的可行性。

1 工程概況

試驗對象為某波形鋼腹板-預應力混凝土組合梁雙塔單索面矮塔斜拉橋,其跨徑組合為41.6 m+82.2 m+150 m+82.2 m+41.6 m,梁高4.7 m,主梁斷面為單箱五室,共計6道波腹板,索塔高45 m,橋面鋪裝由10 cm鋼筋混凝土、1 cm防水層和10 cm瀝青面層組成。主梁縱斷面布置圖見圖1。

圖1 某矮塔斜拉橋縱向橋型布置圖

上塔柱和主梁混凝土的強度等級為C50,斜拉索鋼絞線抗拉強度大于2 000 MPa,塔上索鞍錨固,索鞍半徑范圍3.5～4.5 m,梁內張拉端。斜拉索采用雙索面布置,索面橫橋向間距1 m。單個橋塔設置9對拉索,拉索梁上標準間距為6.4 m。主梁采用掛籃懸臂施工,主梁在順橋向劃分11個節段,每個塔柱兩側節段對稱布置,其中0號節段(塔梁結合段33.2 m)、1～9號節段(標準節段每塊6.4 m)、10號節段(合龍節段1.6 m)拉索編號見圖2,梁為主要承載構件,承擔70%,外力索塔只承擔30%,索塔具有一些裝飾美觀功能。

圖2 拉索編號示意圖

2 斜拉索張拉優化方案

2.1 斜拉索原張拉方案

本橋斜拉索原張拉方案為二次張拉到位法,在主梁懸臂施工階段拉索掛索時進行初次張拉,在中跨合龍完成體系轉換之后、二期恒載之前進行全橋斜拉索力二次調整,調索順序為從近塔端C1向遠塔端C9逐次調索,每次調索4根拉索,由于大橋塔柱內空間小,拉索張拉操作困難,且拉索數量為36根,每調一次索比較耗時,且調索過程中不能進行其他施工操作,以至于無法按時完工通車,所以需要對原有方案進行優化,改為一次張拉到位法。

2.2 優化方案思路

本斜拉橋主梁為等截面主梁,且采用了鋼波腹板,相比于常規混凝土主梁,自重較輕。為了達到合理成橋設計索力,直接采用一次張拉方法,施工期張拉索力將會很大。過大的張拉索力將使索塔處的主梁下緣產生較大拉應力,將嚴重影響橋梁結構的施工安全,所以需要對一次張拉方法進行優化。

為避免施工期間主梁下緣產生較大拉應力,本方案確定了施加臨時配重的技術方案,即在張拉部分索力前,相應節段布置臨時配重。配重能夠在有效提高索力的情況下,實現對主梁向上變形的控制,大幅降低索塔處主梁下緣拉應力,乃至不出現拉應力。

2.3 臨時配重施加和卸載原則

由于不同拉索之間的索力是相互影響的, 臨時配重施加和卸載的順序所對應的施工工況不同, 對橋塔、主梁的結構影響也不相同, 在確保施工過程安全、成橋后索力最大限度接近設計值且同時減少工期、方便施工的條件下,臨時配重施加和卸載應遵循如下原則。

1) 配重施加大小。臨時配重施加局部不宜過大,且各梁塊施加配重大小應適應索力變化趨勢。在滿足施工應力要求下,盡量通過增加初拉力來減少臨時配重以到達成橋設計索力,臨時配重過大,不僅會造成橋梁線形突升突降增加施工監控難度,而且施工階段橋梁上緣也可能出現拉應力,影響橋梁施工安全。

2) 配重施加位置。配重應對稱施加在梁段上,且配重施加梁段不宜過多,增加施工難度。前幾號梁塊施加臨時配重對主梁應力和索力影響較小,施加配重意義不大,主要通過增加初拉力,增加索力,對靠近合龍段的幾個梁塊施加配重,對橋梁應力和索力影響較大,效率較高。

3) 配重卸載方式。配重應對稱卸載,分批次卸載。一次卸載施工難度較高且中跨跨中可能會因配重減少,上緣出現拉應力,影響結構安全。

2.4 工程實例優化方案

根據上述配重施加卸載原則,本工程方案共分6個階段開始配重,分別是5號梁段、6號梁段、7號梁段、8號梁段、9號梁段和中跨合龍施工階段,懸臂段施工配重位置為各塊拉索主梁錨固端頂端,中跨合龍段配重位置為9號塊最外側,施加配重階段在預應力鋼筋張拉后、拉索張拉前實施,配重施加后,在后續施工階段暫不卸載,待到中跨合龍,體系轉換完成以后,分批次卸載。本方案分二批次卸載配重,通過先卸載部分配重,施加橋面鋪裝重量壓住主梁,避免橋梁變形因失去壓重而突增,使中跨上緣出現拉應力,具體流程如下。

1) 全橋合龍后先按橋塔對稱卸載5、6、7號主梁上配重。

2) 從兩個0號節段開始向兩側對稱鋪裝10 cm厚的鋼筋混凝土至7號梁段。

3) 對稱卸載剩余配重,對稱施工剩余橋面的10 cm后鋼筋混凝土鋪裝。

4) 全橋10 cm厚瀝青面層鋪裝。

各梁段配重大小見表1。拉索張拉索力見表2。

表1 配重大小

表2 一次張拉索力

由表1、表2可知,拉索索力主要由一次張拉索力提供,配重主要起輔助作用,配重大小適應拉索索力的增長趨勢。

3 施工階段仿真分析

3.1 有限元分析模型建立

采用midas Civil軟件建立有限元模型,模型中斜拉索采用桁架單元模擬,主梁和主塔采用梁單元進行模擬。全橋共離散為381個節點,334個單元。臨時配重采用節點荷載模擬,有限元模型圖見圖3。

圖3 有限元模型(單位:kN)

3.2 計算結果分析

3.2.1施工階段主梁應力分析

本方案是以達到設計成橋狀態為目標,在保證結構安全的前提下提出的,在幾個重要的施工階段,主梁的應力最能反映橋梁的安全狀態。為了進一步分析施工階段的安全性,本文選取13個施工階段進行分析,仿真計算輸出的是各截面的上、下緣應力,應力以壓應力為正,見表3。

表3 主要施工階段應力值 MPa

由仿真分析結果可知,整個施工過程中主梁上下緣應力均無拉應力出現,由表3可知,施工過程中,幾個重要施工階段,最大上緣應力出現在0號塊橋塔根部附近,最大下緣應力隨著施工進行由橋塔根部附近向跨中移動,但都未達到應力界限值22.4 MPa,還有很大的安全余量,說明橋梁在施工過程中是安全的。

3.2.2施工預拱度分析

配重對于主梁線形有較大的影響,通過與原方案的施工預拱度進行對比,各梁段的施工預拱度見圖4。

圖4 施工預拱度對比

由圖4可知,二次張拉法的施工預拱度變化幅度較大,最大主梁號塊施工預拱度為79.8 mm,配重一次張拉法僅16.5 mm,說明配重一次張拉法,能降低主梁變形幅度;相比二次張拉法,中跨各梁塊施工預拱度多提供的較大的負值預拱度,這無疑會增加施工線形監控的難度,而配重一次張拉法則較好地避免這一現象發生。

3.2.3成橋主梁、主塔應力分析

本矮塔斜拉橋主橋在成橋階段上、下緣應力的有限元計算結果見圖5、圖6。

圖5 成橋狀態下上緣應力

圖6 成橋狀態下下緣應力

由圖5、6可知,主梁成橋狀態下的應力基本均勻分布,無拉應力出現,主梁橋塔附近的上緣應力較其它位置略大,上緣應力最大值為11.9 MPa,下緣應力最大值在跨中附近,為12.2 MPa,主塔壓應力的最大值為10.0 MPa,均小于C50混凝土的設計抗壓強度22.4 MPa,符合設計要求。

3.2.4成橋索力分析

斜拉橋施工控制目標中,索力控制是重中之重,索力大小關乎結構受力狀態,本方案是否可行,一個重要指標即為成橋狀態拉索索力是否滿足設計要求。通過對本方案進行仿真分析,得到合理成橋狀態。成橋設計索力與成橋計算索力對比分析見圖7、圖8。由圖7、圖8可知,本文方案仿真計算在成橋階段的各拉索索力值與合理成橋狀態下索力值進行對比發現,兩者索力值的分布規律及索力值大小吻合度較高。本方案成橋索力數值和設計數值的最大偏差不超過6%。控制效果良好,很好地達到設計狀態,可以滿足施工要求,實現設計目標。

圖7 邊跨索設計索力與計算索力對比

圖8 中跨索設計索力與計算索力對比

4 結語

本文依托某矮塔斜拉橋,針對斜拉橋二次調索費時費力的情況,提出采用對主梁施加臨時配重的方式,將二次調索轉換為一次張拉到位的方法,以縮短建設工期,提高工作效率。

通過以橋梁結構的應力和成橋索力為切入點,基于midas Civil軟件對本文方案的可行性進行仿真研究。重點研究了該斜拉橋幾個重要施工階段的應力和成橋狀態下主梁應力、拉索索力情況。主要結論為:對于該斜拉橋而言,施工階段無拉應力出現,應力安全量富裕,成橋狀態下的主梁應力分布均勻,斜拉索索力大小和分布規律與合理成橋狀態基本吻合,施工線形變化幅度小,成橋線形良好,從而驗證了本文方法的可靠性和合理性。但本文所提索力優化張拉方法也存在一定局限性,對于擁有較多拉索的大跨度斜拉橋,過多配重的施加,不僅不能達到加快施工進度的目的,甚至起到反作用。