基于MIDAS Civil的斜拉桥施工监控仿真分析

刘笑材

【摘 要】斜拉桥结构复杂，超静定次数高，施工复杂。本文以一座预应力混凝土独塔斜拉桥为研究背景，介绍了斜拉桥施工监控的意义及施工仿真计算的分析方法，确定了桥梁施工各阶段的立模标高及索力值。

【关键字】斜拉桥；施工监控；有限元；预拱度

斜拉桥结构较复杂，超静定次数高，在施工过程中有效地进行内力控制和线形控制是保证斜拉桥安全性和耐久性的关键。我国已建成相当数量的斜拉桥，施工控制问题已经越来越受到重视。尽管在设计时已经考虑了施工中可能出现的情况，但是施工中斜拉索的实际张拉力、梁段的重量、材料的弹性模量、各构件混凝土徐变收缩和温度对结构的非线性影响等因素，在设计时很难准确把握。所以必须在施工过程中对桥梁结构进行实时监测，并根据监测结果对设计的施工过程中进行相应的调整，使桥梁建成时最大可能地接近设计状态。

1工程概况

江油市涪江五桥主桥为跨径组合为155+155m的两跨预应力混凝土单塔双索面斜拉桥。主梁采用预应力混凝土双纵肋式连续梁，桥面全宽32.5m，标准梁段边肋高度2.7m，桥面板厚度为28cm；肋间横梁间距与拉索间距相同，厚度30cm。除索塔区0号梁段、边跨合拢段为非标准梁段外，每个悬臂侧各有23个标准梁段，其标准梁段长度为6.0m。悬臂浇筑梁段均采用前支点挂篮悬浇施工，最大节段控制重量375吨，挂篮设计重量170吨。

2有限元模型

斜拉桥为多点支承的高次超静定结构，运用传统结构力学中的力法和位移法来解，显然不便。计算技术的不断发展使有限单元法成为桥梁结构分析必不可少的得力工具。桥梁施工的每一个阶段的内力和线形都可以有限元模拟计算出来并和实际内力和线形数据作对比，从而做到实时跟踪监测和调整。

本桥采用Midas civil进行建模分析，斜拉索采用只受拉索单元，主梁和桥塔均采用梁单元。主梁模型采用单根主梁带刚性短刚臂的鱼骨式模型，如图1所示。结构所受荷载包括恒载和活载，同时考虑混凝土收缩徐变的影响。一期恒载主要为结构自重，标准梁段重量按375T计算，二期恒载包括桥面铺装、防撞护栏等按159KN/m计算。挂篮重量为170T，用节点荷载进行模拟。活载按城-A级取值，人群荷载按CJJ11-2011规范第10.0.5条取值。

图 1 有限元仿真模型

3分析结果

3.1 .应力

本桥为预应力混凝土受弯构件，在预应力和构件自重，斜拉索拉力等荷载作用下全桥施工阶段主梁上、下缘无拉应力。主梁截面上缘施工阶段最大压应力在0#块悬臂根部，大小为-7.4MPa。主梁截面下缘施工阶段应力出现在3/4截面附近，大小为-18.8MPa。均满足规范要求。主梁单元应力如图2所示。

图 2 主梁单元施工阶段应力图

3.2 线形

为保证桥梁能顺利合拢，成桥后全桥的线形平顺，在运营一定时间后桥面能够达到设计所要求的标高，必须确定上部结构每一梁段的预拱度。预拱度控制是通过控制立模标高实现的，立模标高一般由设计标高、预拱度、挂篮弹性变形等组成。其中挂篮变形是通过挂篮加载试验得到的挠度数据。预拱度是确定立模标高的基础，其组合计算公式见下式：

f预拱度=-（∑f1i+∑f2i+f3i+f4i+f5i+ f6i+ 0.5f活）

式中：∑f1i为梁段自重产生的挠度累计值；∑f2i为预应力作用产生的总挠度；f 3i为施工荷载产生的总挠度；f4i为二期恒载作用下产生的挠度；f5i为混凝土收缩徐变值；f6i 为受温度影响产生的挠度，f活为活载作用下产生的挠度。

由上式可得涪江五桥的预拱度值，如图3分别画出了施工预拱度、成桥预拱度以及预拱度值，该值即为对应混凝土节段梁中线前端点的抛高值。同时可以根据需要得出不同荷载组合作用下，各个施工阶段各梁段的挠度。这里仅画出了主梁因收缩徐变产生的位移及1/2活载作用下的位移。

图3 主梁变形曲线

3.3 索力

斜拉索索力直接影响主梁的内力和线形，索力大小是反映全桥内力状态的重要指标。根据模型计算结果，整个施工过程中，斜拉索最大拉应力为629MPa，小于规范规定的平行钢丝斜拉索容许应力[σ]=1670MPa/2.5=668MPa，最小拉应力为134MPa，说明斜拉索没有出现松弛的情况，施工过程中不会出现斜拉索松弛引发结构安全的危险。在成桥阶段恒载作用下，索力均匀性较好，斜拉索的安全系数均大于2.7。确定斜拉桥合理成桥状态后，用Midas Civil进行反复的倒装、正装计算后，得出拉索初张力。再代入初张力进行施工节段分析，可以得出不同施工阶段斜拉索的索力。如图4所示，列出了初张力，竣工阶段和成桥十年后的索力值。

图 4 斜拉索索力计算值

4结论

在斜拉桥的施工监控中，线形控制、索力控制和应力控制是三个重要内容。本文以涪江五桥为工程背景对这三方面进行仿真计算分析，得出以下结论：

（1）桥梁应力状态符合规范要求，索力及线形误差在合理范围以内，符合规范及设计要求。

（2）由于影响结构响应的参数变化较大，如混凝上的容重、弹性模量等，在每个施工节段除进行上述各项监控外还必须量测各种材料参数，以便及时校正修改计算模型，准确地模拟施工过程。

（3）本桥除0#、1#块、合拢段及边跨现浇段外均采用前支点挂篮施工，混凝土分两次浇筑，斜拉索分三次张拉以确保结构安全，增加了建模难度。为了准确模拟施工过程，需要在模型中模拟出挂篮，同时模拟出分层浇筑分次张拉的过程，这样得到的应力和索力才更加接近真實值。

【参考文献】

[1]顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京：机械工业出版社.2005.

[2]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]徐君兰.大跨度桥梁施工控制[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]吴运宏，黄晓航.重庆李渡长江大桥斜拉桥施工监控计算桥梁建设[J].2006年增刊2：180-182