基于梁格法的非對稱斜拉橋施工階段索力分析

吳文杰，楊 凱

(1.甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司,甘肅 蘭州 730000; 2.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000)

0 引言

近年來,隨著我國交通事業的發展,各級公路的建設日趨完善,與此同時,斜拉橋的建設也得到了空前的發展。學者們針對非對稱斜拉橋的力學性能進行了部分研究。但由于此類斜拉橋為高次超靜定結構,受力復雜,施工階段索力監測控制難度極大[1]。為此,本文以某非對稱梁斜拉橋為例,基于梁格法研究非對稱斜拉橋的施工階段索力變化情況,為后續此類斜拉橋的施工索力控制提供借鑒。

1 工程概況

某獨塔雙索面混合梁斜拉橋主橋長243 m,寬44 m。其主跨為158 m鋼箱梁,輔跨45+40=85 m為混凝箱梁,其中,鋼梁與混凝土梁之間通過鋼-混結合段連接;斜拉橋橋塔高度為107 m,斜拉索采用雙索面扇形布置[2]。橋梁立面布置如圖1所示。

2 有限元模型的建立

斜拉橋主梁為混合梁結構,鋼箱梁和混凝土箱梁皆為單箱九室,依據縱向梁格的劃分原則,將梁截面劃分為10片縱梁梁格,鋼箱梁部分梁格間距為3.3 m,混凝土箱梁梁格間距為5 m。梁格劃分如圖2,圖3所示。

采用Midas Civil 2022有限元軟件建立全橋空間模型,橋塔和主梁采用梁單元,梁單元共2 565個,斜拉索采用桁架單元,桁架單元48個;混凝土梁(塔)和鋼梁(塔)以共節點的方式與剛混段連接。主墩的模擬類似于混凝土塔[2]。建立的空間有限元模型如圖4所示。

3 施工階段索力分析

3.1 施工階段的劃分

根據非對稱斜拉橋的結構特點,結合設計規范,本文斜拉橋的施工階段劃分如表1所示。

表1 橋梁施工階段劃分

3.2 施工索力計算分析

本橋拉索張拉分兩次張拉。第一次張拉控制目標值為成橋索力的50%[3],二次張拉后要求達到除二期以外的索力[4]。

采用Midas Civil 2022有限元軟件中的差值迭代法來計算施工索力[5-6]。用差值法進行正裝迭代計算施工索力時,其流程圖見圖5。第二次施工索力迭代計算表見表2。

表2 第二次施工索力迭代計算表 kN

由表2可知,與設計索力值相比,初始計算得到的成橋索力誤差較大,最小誤差值為N9號索,其值為6.8 kN;誤差最大的為N12號索,其值為-239.1 kN,其他各斜拉索索力值介于二者之間,其原因主要是在有限元計算時,初始索力值設置不同,其迭代結果所受影響也較大。隨著迭代次數的增加,其收斂速度放緩,計算耗時增加,經過3次迭代后其誤差值出現減小趨勢,經過10次迭代計算后,有限元所得成橋索力值與設計成橋索力值基本一致,最小誤差值為S5號索,其值為0.2 kN;誤差最大的為1.4 kN,根據設計及相關規范要求,其迭代后索力可滿足施工精度要求。

一次張拉完成后和二次張拉后鋪裝前以及鋪裝前后左側斜拉索索力對比如圖6—圖8所示。

由圖6—圖8可以看出,第一次張拉結束后,最后張拉的兩對索的索力與目標索力接近,而其他斜拉索索力比目標索力小,其原因主要是斜拉索與橋塔和主梁組成的是一個超靜定結構體系,拉索索力之間存在耦合關系,其中一條拉索索力變化會引起其他索力的變化,且距離變化索力越近的斜拉索所受影響越大。二張后斜拉索索力變化情況與一張趨勢相同,與鋪裝前相比,二期鋪裝完成以后斜拉索索力明顯增大,原因是橋面鋪裝導致主梁上部荷載增加,所以索力增大。

3.3 施工方法對拉索索力的影響分析

為研究施工方法對斜拉索索力的影響,對比兩種施工方法,第一種是主塔、主梁施工完成后再掛索張拉,且同一批次的斜拉索采用對稱張拉;第二種是主塔施工完成后,對角和對稱張拉相結合的方式進行施工。計算結果見表3,表4。

表3 不同施工方法右側拉索二張力對比

表4 不同施工方法左側拉索二張力對比

由表3和表4可以看出,施工方法對斜拉索的二張施工索力會有影響,但兩種不同施工方法下,斜拉橋左右兩側斜拉索索力值誤差不超過3%,其原因主要是在主梁施工完成時,斜拉索的不對稱張拉會引起索力值的改變,但這種影響相對較小;說明在滿足施工質量的前提下,可適當調整非對稱斜拉橋的施工拉索方式,以滿足現場和施工進度要求。同時,鋼梁斜拉索索力值的誤差要比混凝梁大,說明該類斜拉橋的鋼梁內力變化對拉索索力的變化更為敏感。

4 結論

通過基于梁格法的非對稱斜拉橋施工階段索力分析得到以下結論:

1)采用差值法計算得到的成橋索力經過10次迭代后可滿足施工要求。2)斜拉索與橋塔和主梁組成的是一個超靜定結構體系,拉索索力之間存在耦合關系,距離變化索力越近的斜拉索所受影響越大。二期鋪裝完成以后斜拉索索力增大明顯。3)在滿足施工質量的前提下,可適當調整非對稱斜拉橋的施工拉索方式,以滿足現場和施工進度要求。同時,該類斜拉橋的鋼梁內力變化對拉索索力的變化更為敏感。