南广铁路桂平郁江特大桥主桥斜拉索索力分析

2011-10-26陈建峰郭建勋余浪

中国科技信息 2011年9期

关键词：桂平成桥桁梁

陈建峰郭建勋余浪

中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031

南广铁路桂平郁江特大桥主桥斜拉索索力分析

陈建峰郭建勋余浪

中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031

斜拉桥是一种高次超静定结构，索力的大小对结构的受力影响非常大。如何确定斜拉桥的合理索力是斜拉桥设计、施工以及运营中的重要问题。为了使斜拉桥在成桥后达到合理状态，必须拟定合理的施工状态，即在施工过程中使斜拉索力和结构位形同时达到理想状态。本文以桂平郁江钢桁斜拉桥为背景，建立了斜拉桥的施工过程有限元分析模型。通过模拟主梁的悬臂拼装过程，确定了合理的施工安装索力。根据零位移法，以成桥后结构的弯曲应变能和主梁的线形为目标函数，确定了合理的成桥状态索力，并以此索力对结构进行二次调索。结果表明，该方法可有效地控制施工阶段和成桥后的主梁线形和结构内力，从而可确定斜拉桥的合理成桥状态。

斜拉桥；合理施工状态；模拟计算

The cable-stayed bridge is a kind of high-level hyper static structure; the cable force has great impact on the stress of the structure. How to determine the reasonable cable force of the cablestayed bridge is an important issue during the design, construction and operation for the cablestayed bridge. In order to ensure the cablestayed bridge to reach the reasonable condition after the bridge is completed, the reasonable construction state must be prepared, namely,during construction, the stayed cable force and the structural configuration should reach the ideal state simultaneously. This article treats the Guiping Yu River steel truss cable-stayed bridge as the background to establish the finite element analysis model of the cable-stayed bridge during construction.The construction and installation cable force is reasonably determined through simulating the assembly process of the suspension arm for the main girder.Based on the zero displacement method, after the bridge is formed, the bending strain of the structure and the configuration of the main girder are served as the objective function to determine the reasonable cable force under the bridgeforming state, and this cable force shall be employed to perform the cable-adjusting for the second time. The result indicates that this method can effectively control the configuration of the main girder and the inner force of the structure in the process of construction and after bridge forming, thus, the reasonable bridge-forming state for the cable-stayed bridge can be determined.

斜拉桥属于高次超静定结构，施工中又要经过体系转换，如何确定合理的成桥索力，同时又能保证施工中的塔梁受力均匀合理，是目前进行斜拉桥设计及施工监测的主要目标。目前采用的许多优化索力的方法，都是先确定一个合理的成桥状态，经过施工中的二次或多次调索，使最终形成合理成桥索力。

由于在施工阶段随着斜拉桥结构体系和荷载状态的不断变化，结构内力和变形也相应地不断发生变化，因此，需要事先模拟现场施工过程来斜拉桥的每一施工阶段进行详尽的分析和验算，根据预先设定主梁线形控制目标，求得斜拉桥各施工阶段斜拉索初张力。成桥后，再根据活载影响的大小，结合结构的受力需要确定合理的成桥状态，对斜拉桥进行二次调索。

1 工程概述

1.1 桂平郁江特大桥简介

桂平郁江特大桥是南广铁路一座双线特大桥，主桥采用（36+96+228+96+36）m五跨双塔双索面钢桁斜拉桥，主桥采用半漂浮体系，主塔与主梁间设置竖向支承，纵向采用阻尼约束，主塔采用花瓶式，塔高为103.5m，斜拉索采用Φ7环氧涂层钢丝，主梁采用钢桁梁，三角形桁架，两片主桁，桁间距15m，桁高14m，节间长度12m，桥面系采用正交异性钢板的整体道砟桥面结构[1]。斜拉桥布置如图1所示。

1.2 主梁施工方案

主桥钢桁梁架设首先在主塔两侧安装托架，组拼工作平台，利用塔旁吊机在托架上安装6个节间钢梁杆件,同时安装临时固定支座与千斤顶，安装1号拉索并进行初张拉。

此后在上弦拼装架梁吊机，利用架梁吊机对称悬拼钢桁梁其他节间。对称悬拼过程中依次安装2～7号拉索并根据受力需要进行初张拉。悬拼至辅助墩后，先完成边跨再进行跨中合龙。由于8号索的安装与架梁吊机冲突，钢桁梁合龙需先架设后再安装8号拉索。为避免跨中产生较大位移，8号拉索安装前不拼装桥面板，待8号拉索安装完成后再安装。全桥合龙后，拆除临时设施及临时荷载。二期恒载的施工要先施工压重区再由边跨向跨中施工，最后对斜拉索进行二次调整，完成终张拉。

1.3 斜拉索张拉力分析方法

斜拉桥静力计算中比较重要的就是确定拉索的初张力，这跟施工阶段密切相关。初张力相当于在主梁上施加向上的拉力，故能调整主梁的恒载内力，这与活载内力是相对独立的，但可以通过张拉一定的预压力来抵消活载内力。

图1 桂平郁江大桥主桥布置

图2 斜拉桥施工布置图

图3

初张力确定的方法很多，如刚性支承连续梁法、零位移法、弯曲能量法、矩阵法、无应力控制法等[2]。但施工过程中体系不断发生转换，上述方法实际操作起来非常麻烦，也无法得到理想结果。一般调索常用倒拆法和正装法相结合，两者计算结果因收缩徐变影响会有所区别。桂平郁江大桥主桥为钢桁梁，没有收缩徐变的影响，使得倒拆法和正装法结果基本一致。本桥为主塔两侧只有八对拉索，拉索较少，可直接采用正装法进行计算。

本桥作为纯铁路斜拉桥，与公路斜拉桥梁相比，显著的特点就是活载比例大。本桥主梁恒载约为40t/m，而活载为16t/m，在确定合理成桥状态时要充分考虑活载的影响。

2 斜拉索索力分析

2.1 计算模型

本斜拉桥采用Midas软件进行仿真分析，主塔及钢桁梁采用梁单元，斜拉索采用桁架单位、正交异性桥面板采用板单元建立。

2.2 施工阶段调索原则及合理成桥状态的确定

本桥从施工到全桥形成的过程中每根拉索张拉两次，初张拉在施工阶段对称悬臂施工阶段，终张拉在桥面铺装及二期恒载施工完成后进行。

施工过程中，斜拉索初张拉为对称张拉，桥塔只承受竖向力，初张力的大小主要为了使梁体水平，确保钢桁梁的顺利拼装。初张力的拉控制原则为拉索张拉后对应的这个施工阶段的索梁锚点位移基本为零[3]。

全桥合龙后，桥面开始铺装防水层、道砟，施工人行道等二期恒载。此后进行斜拉索终张拉达到合理的成桥状态，终张拉后为满足运营梁体线形需要、桥塔弯曲内力较小，张拉的控制原则为：斜拉索经再次张拉后主塔塔顶纵向位移在恒载下略向边跨侧偏移，跨中水平略微上挠，以克服跨中过大活载的影响。

根据以上目标和拉索调索原则，兼顾钢桁梁主弦在关键位置处的应力，采用正装法，对拉索索力反复试算，最终得出较优索力。待计算稳定后，利用倒装法计算一次进行校核。经计算斜拉索两次张拉的索力表如表1，表2。

通过两次调索，斜拉桥不但可以保证钢桁梁架设的顺利进行，中跨合拢前主梁位移可以控制在10mm以内，确保全桥合龙的顺利进行。终张拉后，恒载下塔顶纵向位移向边跨侧2mm；跨中位移向上62mm，钢桁梁梁体线形均匀；桥塔两侧索力相差不大，因此塔底弯矩很小，塔身应力也比较均匀。经检算，主桥钢桁梁各部位杆件应力也满足规范要求。