基于MIDAS平台的钢管混凝土拱桥扣索索力计算

2010-11-16张文平苏广瑞

中国新技术新产品 2010年2期

刘锐张文平苏广瑞

（1、重庆交通大学，重庆 4000742、温州中城建设集团有限公司，浙江温州 325000）

引言

在大跨度钢管混凝土拱桥吊装施工中，扣索索力计算是施工控制中的重中之重。目前扣索索力计算方法主要有力矩平衡原理[1]，周水兴[2]等提出的零弯矩法；但索力计算中始终假定接头处为铰接，接头所能承受的弯矩为零.这与现实钢管拱肋吊装安装工艺存在差别，这样就影响了计算结果的精度；随着拱桥跨度的不断增加，沈成武[3]等提出的扣索索力的逆分析法，张治成[4]则采用逆分析法和遗传优化算法来确定扣索索力，田仲初[5]提出弹性-刚性支撑法来计算扣索索力,这些方法都能有效地计算出索力，但还存在一定差异。

本文以广安奎阁渠江大桥为例，采用MIDAS/Civil桥梁专业软件，通过结构离散化，选取合适的单元形式，明确施工过程中边界条件的变化，建立基于未知荷载系数的定长扣索法优化计算扣索索力的空间模型。

1 工程概况

广安奎阁渠江大桥位于四川省省道304线上，是跨越渠江的一座双飞雁中承式特大钢管混凝土拱桥，主跨为256m钢管砼桁架式悬链线无铰拱，矢跨比为1/4.5，引桥为30米预应力简支T梁，桥面连续。桥梁全长610米。拱肋断面采用φ920mm钢管组成拱肋上、下弦杆，水平向由φ610×12mm无缝钢管横向连接2根主钢管，腹杆采用φ457×10mm钢管，混凝土采用微膨胀C50砼。该桥的主拱肋安装采用无支架缆索吊装施工。每条主拱肋分11段，两岸对称吊装，最大总重68t。扣索采用Ф15.24高强度、低松弛预应力钢铰线，其标准强度为1860MPa，对称于横撑中间设置。

2 基于MIDAS平台的定长扣索法理论

MIDAS／Civil软件是目前可以对预应力箱梁、悬索桥、斜拉桥等土木建筑进行各种功能分析的最先进的土木结构分析系统之一。通过结合施工阶段、时间依存性、几何非线性等最新结构分析理论，计算出更加准确和切合实际的分析结果。

定长扣索的施工方法是指扣索张拉到某控制状态后，在吊装后续的拱肋节段过程中不再反复调整扣索索力，通过预先设置预抬高值，依靠扣索的弹性伸长和后续吊装节段拱肋对本节段拱肋的影响实现节段标高的调整，使拱肋合拢时达到设计拱轴线，其优点在于克服了每吊装一节段拱肋都需要重新调整索力的繁琐，既简化了施工工艺，又保证了施工安全。

2.1 确定控制索力的基本原则

确定控制索力主要基于以下原则：①控制索力最大值不能超过扣索容许值，对钢绞线，扣索容许索力值一般取其40%破断力作为其容许值，即有2.5倍的安全系数；②施工时，考虑后续节段安装对该扣索影响；③控制索力应与节段预抬高量相协调，使最终松扣后的拱肋线形与裸拱一次成拱的线形接近。一般以吊装张拉节段位移量接近零作为控制索力值。

2.2 基于MIDAS平台的扣索计算

采用MIDAS／Civil桥梁专业软件进行索力计算时，将计算后续节段影响的索力增量值与扣索索力值相加，作为承受下一个节段安装时该扣索总索力值，多次计算，就可以计算出合拢时各扣索的最大索力值，即控制索力值。未知荷载系数法指先赋予每根扣索单位力，生成相当于未知荷载数量的单位荷载条件，再赋予每根扣索由结构自重产生的初始索力，并确定目标函数类型，选择控制点，这样在已知荷载条件下，可以计算出控制点的竖向位移为预抬高，控制其竖向位移得到不平衡条件。以奎阁渠江大桥为例，则建立的不平衡条件为:

式中,δij为吊装第i节段时沿扣索方向作用单位初拉力时控制点j点的竖向位移。设定索力T为目标函数，使用最小二乘法原理，求解联立方程，即可得到满意的一组扣索索力。

2.3 扣索的非线性处理

扣索由于其自重垂度的影响，索力与索的拉伸量呈非线性关系，且随索力减小而愈加明显。分析时采用“有效弹性模量”，即：

式中，E1为有效弹性模量；E为不计拉索垂度影响的弹性模量；W，A和T分别为索单位长度的重量、钢丝索截面的面积以及索的拉力；为索水平投影的长度。

3 基本假设和模型计算

3.1 基本假设

(1)拱脚处先为铰接，合龙后为固结。

(2)扣索与塔架为刚性连接，且塔架无位移。

3.2 模型计算

图1 合龙状态下的有限元模型图

根据基本假设和上述基本原理，采用MIDAS／Civil软件建立有限元模型进行施工仿真计算，如图1所示。在模型中，扣索采用等价桁架单元，其他构件均采用分段直梁单元来模拟。主拱肋的吊装过程共编制了2056个梁单元，40个等价桁架单元，920个节点。整个施工仿真过程划分为6个阶段，荷载包括结构自重、索的初拉力和系统温度。

有限元模型计算结果如表1、2