柔性拱承式斜拉橋不對稱調索技術

鞠晨星

(中鐵十二局集團第七工程有限公司,湖南 長沙 410004)

近年來斜拉橋在國內外蓬勃發展,現有斜拉橋橋塔形式多采用柱式、A型、鉆石型、倒Y型以及H型。拱形塔柱作為一種特殊的斜拉橋橋塔形式,對于斜向跨越既有交通具有較好的適應性,且具有外形美觀、構造簡單、節省材料等優點[1]。在斜拉橋建設過程中,拉索索力和主梁線形的施工監控及調整是非常重要的一個環節。合理的斜拉橋索力及線形對于斜拉橋具有正常使用功能和承載能力至關重要,而拉索受垂度、溫度變化、風力和日照溫差、施工臨時荷載、混凝土收縮徐變等復雜因素干擾,索力與索形的關系十分復雜[2]。

斜拉橋的成橋狀態和索力值與施工階段緊密相關,如何合理地確定每一施工階段的張拉索力對后期成橋狀態的影響很大[3]。國內外已經提出的索力調整方法主要有迭代法、最小二乘法、彎曲能量(彎矩)最小法、剛性支撐連續梁法、影響矩陣法、無應力狀態法[4];梁鵬[5]基于索力優化的影響矩陣法原理,提出一種斜拉橋成橋索力優化的實用方法,并從理論上加以證明,實踐上得到檢驗;葉再軍[6]根據無應力狀態法理論,提出了以無應力索長為線索確定二次調索施工索力的方法并結合具體工程實例驗證了該方法的可行性和準確性。而迭代法[7]的優點在于可以考慮結構的非線性作用,一般迭代15次以內便可以得到理想的成橋索力。

本文以跨越深汕西高速公路的拱承式斜拉橋為背景。由于該橋跨越深汕西高速公路,施工過程中主梁中跨受不對稱、不等高的臨時支墩影響,且支墩間跨度較大,導致主梁線形不對稱且與設計線形相差較大,斜拉索索力不對稱,橋塔偏位。本文介紹了如何利用迭代法確定初張拉過程中受不對稱支墩影響的柔性拱承式斜拉橋的合理索力及調整線形,通過設置不對稱的索力調整值來達到將主梁調平、索力對稱的目的,索力與線形雙控對該斜拉橋進行二次調索,消除橋塔偏位,即采用不對稱調索技術。

1 計算原理

二次張拉階段,所有斜拉索均存在初始力,所以張拉任何一根索,其它斜拉索均會受到影響。先假定一組索力調整值,按正裝計算得到一個成橋狀態,將該成橋狀態與事先定好的合理成橋狀態比較,以此來修正該組索力調整值,再進行新的一輪正裝計算,直至收斂為止[8]。采用迭代法計算理論索力:設定{F}為斜拉索索力設計值,設定{F1a}為斜拉索按施工階段分別施加的初拉力,設定{F1b}為斜拉索張拉后的索力,得到張拉后的索力{F1b}與設計值{F}的差值{Δ1}:

{Δ1}={F1b}-{F}

(1)

計算第一次迭代的誤差{δ1}:

{δ1}={Δ1}/{F}

(2)

設定{F2a}為第二次計算初張拉拉力:

{F2a}={F1a}-{Δ1}

(3)

設定{F2b}為第二次計算張拉后的索力,得到第二輪張拉后的索力{F2b}與設計值{F}的差值{Δ2}:

{Δ2}={F2b}-{F}

(4)

計算第二次迭代的誤差{δ2}:

{δ2}={Δ2}/{F}

(5)

依此類推,通過多次迭代計算后{δn}≈0,記此時的{Fna}為順序張拉力值,記{Fnb}為張拉結束的理論索力。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

跨深汕西高速大橋線路法線方向與高速公路方向夾角為26°。本橋主橋為(32+160+32)m拱承式斜拉橋,主橋長225.5 m,橋梁頂面全寬16.2 m,結構中心處梁高3.168 m。

本橋的施工工序為:在設計位置拼裝橋塔的同時,借助導梁和臨時支墩,將鋼主梁由廣州側向汕尾側逐段頂推至設計位置;初次張拉斜拉索;拆除臨時結構;澆筑橋面板;再次張拉斜拉索提升主梁高度;施工剩余橋面構造。圖1為全橋梁段劃分情況,主梁共21個節段,關于橋跨中心對稱。圖2為臨時支墩位置布置,為不影響既有高速公路交通,3號和4號臨時支墩皆只布置一座。圖3為加勁梁橫斷面,橫斷面由鋼箱梁和橋面板兩部分組成,圖中左幅為加勁梁標準橫隔板處橫斷面,右幅為加勁梁標準橫斷面。圖4為橋塔布置,橋塔采用鋼結構,共21個節段,關于道路中心線對稱。全橋共設置12對斜拉索,梁上索距12 m。索塔錨固采用分散錨固形式,斜拉索采用平行鋼絲拉索,空間雙索面體系,索塔及索梁采用鋼錨箱方式錨固,張拉端設置在主梁側,通過頻率法對每一根斜拉索張拉過程進行測試[9]。

圖1 全橋梁段劃分(單位:cm)

圖2 臨時支墩位置(平面)

圖3 加勁梁橫斷面(單位:mm)

圖4 橋塔結構布置(單位:mm)

主梁頂推完成后,按照S6→S0的順序分批次進行張拉,先張拉4根S6,再張拉4根S5,依此類推。由表1可知,主梁頂推后斜拉索分批次初張拉結果與設計值相差較大,部分斜拉索索力測量值與設計值相差達到20%以上。其原因是該斜拉橋跨越高速公路,主梁中跨受不對稱、不等高臨時支墩影響,導致主梁實測線形標高低于設計值,橋塔受不對稱索力影響產生偏位。為避免對后續施工產生不利影響,保證施工安全,故需要在拆除臨時支墩后、澆筑橋面板前對斜拉索進行二次調整。

表1 初張拉拉索索力對比 kN

2.2 數值模擬

借助MIDAS/Civil建立全橋有限元模型如圖5所示,主梁和橋塔采用梁單元模擬,斜拉索采用僅受拉桁架單元模擬,共計梁單元285個,受拉桁架單元24個,主塔底部固結,斜拉索兩端分別錨固于主塔及主梁鋼錨箱上。主梁在兩個中支墩處釋放縱向轉動,兩個邊墩處釋放縱向轉動和豎向平動。通過模型進行斜拉索分批次張拉過程的模擬計算。

圖5 MIDAS有限元模型

2.3 對稱調索模擬

本文對施加對稱的索力調整值的傳統方法進行了數值模擬:基于一個模擬現場橋塔初張拉偏位現狀的模型,通過對斜拉索施加對稱的索力調整值,按照S6→S0的張拉順序分批次張拉,如表2所示,求得調索結束后的索力值,發現通過這種調索方式最后得到的斜拉索索力是不對稱的,柔性橋塔因受不對稱索力的影響而產生較大偏位,幅值達到115 mm,見圖6。究其根本原因,當向4根S6拉索施加相同的索力調整值后,4根S5的索力是不相同的,若此時向S5張拉相同的索力調整值,對每根已經張拉結束的S6的影響是不同的,導致S6的索力再次不一致,以此類推,最終使得橋塔依然受到不對稱索力的影響而產生偏位。本文結合現場實際情況,引入了柔性拱塔斜拉橋的不對稱調索技術。

表2 對稱的索力調整值 kN

圖6 施加對稱調整值后的模型(單位:mm)

2.4 不對稱二次調索計算

斜拉索初張拉后本橋主梁標高測量值較低,考慮本橋的鋼主梁較柔,鋼錨箱處的錨固墊板較厚,張拉損失較大,為了提高主梁高度,根據施工經驗以初張拉索力設計值增大5%為目標索力進行不對稱二次調索,不僅可以提高主梁高度,而且不會對斜拉索索力有太大影響。基于一個模擬現場橋塔初張拉偏位現狀的模型,按照S6→S0的張拉順序分批次張拉斜拉索,采用迭代法計算得到斜拉索索力調整值見表3。可以發現斜拉索索力調整值并不對稱,相當一部分斜拉索存在超張拉情況,不過并未超出安全范圍。

表3 增大5%索力設計值迭代計算 kN

2.5 不對稱二次調索結果

按照索力和線形雙控,采用不對稱的索力調整值進行二次調索后,斜拉索索力結果見表4和圖7(以線左為例),線形結果見圖8,橋塔偏位情況如圖9。在每根索張拉過程中動態監測對應拉索的標高,二次張拉完成后對全橋索力和線形進行復測。

表4 二次調索索力對比

圖7 二次調索后索力對比

圖8 二次調索后梁中線線形

圖9 不對稱調索后橋塔偏位情況(單位:mm)

由此可知,通過不對稱調索技術進行二次調索后,斜拉索的索力及主梁線形與計算值十分相近,誤差控制在2%及以內。鋼拱橋軸線順橋向傾斜偏位最大4.396 mm,控制在了20 mm以內,結構受力對稱、合理。柔性拱塔不對稱調索技術成功應用,該斜拉橋索力及線形處于較合理的狀態,保證了后續施工及運營的安全。

3 結論

(1)通過建立有限元模型進行施工過程的模擬,利用迭代法能夠高效地得到各個施工階段的設計索力及成橋合理索力。張拉結束的索力與設計索力相差在5%以內可認為完成調索。

(2)施工過程中按照索力及線形兩個標準把控,以線形控制為主、索力控制為輔,可以準確了解各施工階段主梁及斜拉索的受力狀態,能夠起到更好的監控作用,保證工程質量。

(3)柔性橋塔易受施工過程中不對稱臨時約束等條件的影響,導致橋塔受到不對稱的索力進而向一側偏位。通過迭代法得到一組合理的不對稱的索力調整值,按照一定的調索順序進行二次調索,能夠使得斜拉索索力對稱,消除橋塔偏位。