独塔叠合梁斜拉桥施工阶段模拟分析

2016-07-21张倩候振华孙建鹏姜开明

筑路机械与施工机械化 2016年7期

张倩候振华孙建鹏姜开明

摘要：针对叠合梁斜拉桥在施工阶段中的内力控制问题，借助Midas Civil有限元软件，采用倒拆正装迭代法对某叠合梁斜拉桥施工过程进行模拟计算，并对各构件在不同施工阶段中的静力行为和内力分布特点进行分析，诠释了施工全程中桥体关键部位内力演变机理。分析结果表明：该桥采用塔梁固结体系，第一对索间距较大且索力较小，会造成钢主梁最大拉、压应力出现在塔梁固结附近；在悬臂拼装施工时，吊机荷载会引起悬臂端桥面板出现拉应力。

关键词：叠合梁；斜拉桥；有限元；静力行为

中图分类号：U448.27 文献标志码：B

Simulation Analysis of Construction Process of Compositegirder Cablestayed Bridge

ZHANG Qian1， HOU Zhenhua1， SUN Jianpeng1， JIANG Kaiming2

（1. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， Shaanxi， China；

2. Pingyang Headquarters of Traffic Engineering Construction， Wenzhou 325400， Zhejiang， China）

Abstract： Aimed at the problem of internal force control of compositegirder cablestayed bridge during the construction process， forwardbackward iterative method was applied to conduct the simulation calculation by means of Midas Civil， a finite element analysis software. The static behaviors and the characteristics of internal force distribution of the components in different construction stages were analyzed， and the mechanism of the development of internal force at crucial spots was expounded. The results show that with the tower rigidly connected with the girders， the first pair of cables have large span and small force， and the maximum tensile stress and compressive stress might emerge where the tower and girders are rigidly connected. When erecting the cantilevers， the crane load could cause the tensile stress at the cantilever side of the deck.

Key words： composite girder； cablestayed bridge； finite element； static behavior

0 引言

叠合梁斜拉桥是由钢主梁与混凝土桥面板通过剪力钉、湿接缝形成组合截面共同受力的一类组合结构桥梁，具有跨越能力大、梁高小、自重轻、造价合理等优点，近年来在中国桥梁建设中得到广泛应用。但叠合梁斜拉桥的施工过程比较复杂，必须进行模拟计算来确定施工过程各阶段桥梁结构的受力和变形，从而加以管控，使其成桥状态满足设计要求。

斜拉桥施工状态是通过施工阶段模拟计算确定的，其施工阶段模拟计算方法在整个施工控制系统中起决定作用。对此国内外学者进行了相关研究，其中最早的是前联邦德国的桥梁大师F.Leonhardt提出的倒拆计算方法，基本思路是以设计规定的成桥目标状态作为计算的起点，按桥梁建造的逆顺序进行倒退分析计算，以确定桥梁施工安装各个阶段的内力状态和结构的位移状态；2008年，秦顺全基于最小势能原理，并引入构件单元的无应力状态，建立了分阶段施工成桥结构的力学平衡方程，该方法从理论上验证了无应力状态

法，表明桥梁结构施工状态可直接求解，无需进行施工阶段的计算累加，因此无应力状态法可以实现斜拉桥施工中的多工序同步作业，提高了效率；2011年，田维峰等利用无应力状态法确定了拱桥施工过程中的扣索索力；2012年，郑远宏等采取无应力状态法进行了钢箱梁斜拉桥施工线形控制，结果表明该方法控制精度可靠[13]。

本文以某叠合梁斜拉桥为背景，采用倒拆正装迭代法[4]对施工过程进行模拟计算，以此着重分析最大双悬臂施工阶段、最大单悬臂施工阶段和桥面铺装施工阶段下的结构静力行为；并获取各构件在施工中受力最不利位置，分析其原因并提出合理施工意见，作为同类工程指导施工的依据和参考。

1 工程概况

某叠合梁斜拉桥桥跨布置为130 m+150 m，采用钢边主梁结合桥面板的整体断面，全桥断面上共有2片钢纵梁。组合梁纵梁、横梁、悬臂梁、小纵梁均采用Q345qD工字型钢，纵梁梁高为28 m，标准梁段长为8 m，纵梁横向中心间距为255 m，桥面横向标准段宽为390 m，桥塔处桥面最宽为475 m。沿顺桥方向每4 m设置一道钢横梁，横梁中部设置一道小纵梁，悬臂梁为人行道及非机动车道，标准段悬臂梁横桥向宽为653 m，桥面宽为39 m；因索塔附近的悬臂梁须绕塔而过，故在索塔附近顺桥向14 m范围内加宽悬臂梁，此处桥面宽至475 m，之后在顺桥向16 m范围内，桥面宽渐变为39 m。桥面板为预放6个月的C55钢筋混凝土桥面板，桥面铺装采用10 cm厚的沥青混凝土。桥面板和主梁采用剪力钉连接。整体结构为塔梁固结体系、独塔空间双索面密索体系，全桥拉索共64根。其中，斜拉索采用Φ5 mm镀锌高强低松弛钢铰线索。全桥共采用4类拉索型号，根据拉索受力的大小，0 号索采用15237，1～6号索采用15243，7～12 号索采用15255，13～15号索采用15261。索塔为钻石形，塔高为994 m，桥面以上高约为83414 m，桥面以下高约为15986 m，材料为C50混凝土。主桥桥型布置如图1所示。

2 计算模型

2.1 施工荷载模拟

施工荷载主要包括结构恒载、施工临时荷载、预应力、斜拉索张力和混凝土的收缩徐变[57]。为了准确模拟施工中的荷载，对其作如下处理。

（1）恒载。一期恒载主要包括梁、索塔、拉索和混凝土板的自重，其中索塔按实际断面取重。混凝土板不考虑横向坡度，按26 mm标准断面计重。竖向加劲肋根据截面面积和钢材容重计算求得自重，并以集中力方式作用于其位置。二期恒载主要有桥面铺装和防撞护栏，以均布荷载作用在桥面板上，取值为48.9 kN·m-1。

（2）施工临时荷载。临时荷载主要有吊车荷载和临时压重。根据设计，全桥共4台吊机，单侧各2台，每台自重40 t。吊机荷载以集中力方式作用在横梁和主梁交接处。

（3）预应力钢束。钢束预应力在模型中采用整体式分析方法，根据预应力的特性和位置手动输入，并通过模拟灌浆封锚来实现预应力效应。

（4）斜拉索张力。通过倒拆分析获得初始张力，然后以体外力方式进行正装分析。

2.2 有限元模型

为了准确、方便地建模，在实际工程的基础上对模型进行了如下简化。

（1）不考虑截面横坡的影响。

（2）不考虑温度的影响。

（3）施工临时托架简化成只受压力的弹性支座。

全桥模型采用空间杆系单元建立[8]，其中钢主梁和混凝土桥面板分别赋予各自截面特性和材料特性，并用梁单元模拟，最后将钢主梁单元和混凝土桥面板单元进行刚性连接[9]；小纵梁、横梁、悬臂梁、桥塔都用梁单元模拟；斜拉索采用恩斯特公式修正的等效桁架单元模拟。全桥单元共计889个，其中钢主梁单元222个，钢横梁单元146个，小纵梁单元109个，悬臂梁单元146个，混凝土桥面板单元150个，拉索单元64个，索塔单元50个。全桥有限元模型如图2所示。

3 施工过程模拟

全桥共划分为126个施工阶段，先后顺序为：进行索塔、过渡墩施工；架设0#、1#梁段临时托架，并在托架上完成0#、1#梁段施工；进入对称施工，对称安装第1台桥面吊机，完成2#梁段施工；对称安装至15#梁段；安装16#梁段，完成边跨合龙；主跨单悬臂施工至主跨合龙；二期施工。其中，标准梁段施工顺序依次是：安装钢主梁；第1次张拉斜拉索；吊装桥面板；浇筑桥面板湿接缝；湿接缝达到一定强度后，第2次张拉斜拉索；安装下一个标准梁段。

4 计算分析

该桥施工阶段较多，限于篇幅，取施工过程中3个典型阶段进行分析，即最大双悬臂施工阶段、最大单悬臂施工阶段和桥面铺装施工阶段。这3个施工阶段基本代表各构件出现最不利受力时的工况，虽然不排除个别构件的某截面在其他工况下可能会出现最不利受力，但分析结果不失一般性[10]。

4.1 施工过程中钢主梁内力

钢主梁是叠合梁斜拉桥主要承重构件之一，其在施工中的内力情况直接决定斜拉桥施工中的安全。为此，本文给出主梁最大压、拉应力等值线，如图3、4所示，典型工况下钢主梁上、下缘最大应力值及出现位置见表1。

由图3、4可知：钢主梁应力比较均匀，只有索塔附近的钢主梁应力呈“刺状”，这是由拉索索力的竖向分力引起的；另外，主梁最大拉应力为129 MPa，最大压应力为127.66 MPa，均小于容许应力（203 MPa），满足规范要求。

由表1可得，钢主梁最大拉应力出现在最大双悬臂施工阶段塔梁固结处，最大压应力出现在桥面铺装施工阶段0#梁段左右边缘处，且各施工工况下最大拉、压应力出现位置基本相同。塔梁固结处附近出现最大拉、压应力是由于采用塔梁固结体系，第1对索间距（30 m）较大，但索力不大，因此在施工中应密切关注此处。

4.2 施工过程中桥面板内力

由于叠合梁斜拉桥施工中混凝土桥面板比较脆弱，因此除了分析3种典型阶段外，本文还对边跨合龙和主跨合龙施工阶段进行分析。同样仅给出钢主梁在施工阶段发生最大拉应力和最大压应力的等值线，如图5、6所示。

由图5、6可知，施工阶段混凝土桥面板应力比较均匀，上、下翼缘基本受压。混凝土桥面板上、下翼缘在施工阶段中最大压应力为948 MPa，最大拉应力为152 MPa，其中最大拉应力出现在主跨合龙施工阶段中合龙段附近。典型阶段混凝土桥面板上、下翼缘最大拉应力及出现位置见表2。

在最大双悬臂、边跨合龙施工工况中悬臂端板出现拉应力，这是由于在悬臂拼装施工时将吊机荷载简化为集中力作用在主梁上，而实际施工中吊机荷载是以局部面荷载形式作用在主梁上，应力比计算值小。

图7为主跨边缘处桥面板应力的变化曲线，可以看出，截面拉应力在主跨合龙段混凝土板生效后会急剧增加。这是由于混凝土桥面板形成一个整体，混凝土收缩、徐变引起拉应力增长。但随着桥面预应力钢束施工完成，拉应力呈下降趋势，原因是预应力钢束的轴向压力抵消了部分桥面板收缩、徐变和弯矩产生的拉应力。图8为主跨合龙段桥面板和17#桥面板交接处应力的变化曲线，可以看出，其截面拉应力在17#桥面板施工过程中有所增加，其后的几个施工阶段拉应力不变，直到主跨合龙过程，应力增加较快，在主跨合龙完成时应力最大，随后应力呈下降趋势。

4.3 施工过程中索塔内力

本模型未考虑塔横梁预应力钢束的影响，因此只对塔柱进行分析。表3为典型施工阶段主塔应力最大值，可知主塔在3种典型施工阶段下最大压应力的出现位置在塔横梁和塔柱交接处，而不在塔底。其原因是：虽然塔底弯矩最大，但塔底截面也是最大，这就增大了抗弯刚度。其最大压应力为11.49 MPa，出现在桥面铺装施工阶段，位于塔横梁和塔柱交接处，压力值在规范容许值范围内，塔柱没有出现拉应力。

4.4 施工过程中拉索内力

最大双悬臂、最大单悬臂和桥面铺装施工工况下斜拉索的应力分布情况如图10～12所示。

5 结语

通过Midas有限元软件对某钢混叠合梁斜拉桥进行施工阶段静力分析，得出该桥主梁、桥面板、索塔、斜拉索在3种典型施工阶段下的应力均在规范容许范围内，结构的静力性能满足安全要求，但对各个阶段下可能出现的最不利受力状态，在施工中应密切关注。

（1）塔梁固结体系斜拉桥的钢主梁最大拉、压应力基本都出现在塔梁固结处附近。在施工前应充分考虑多种不利荷载，避免施工临时荷载的变更引起不安全因素。

（2）在悬臂拼装施工过程中，吊机荷载会引起悬臂端板出现拉应力，因此应严格控制悬臂端临时荷载的大小。

（3）在合龙段施工中，其附近桥面板拉应力过大，故在合龙段前2～3个梁段施工阶段时应明确施工作业的作用体系，对于出现不可避免的临时荷载，应更新模型并给出安全意见，及时进行物理和几何测量。

参考文献：

[1] 秦全顺.分阶段施工桥梁的无应力状态控制法[J].桥梁建设，2008，38（1）：814.

[2] 秦全顺.无应力状态控制法斜拉桥安装计算的应用[J].桥梁建设，2008，38（2）：1316.

[3] 吴远宏，岳青，江湧，等.基于无应力状态法的钢箱梁斜拉桥成桥目标线形的实现[J].桥梁建设，2012，42（5）：6368.

[4] 杨德灿，张先蓉，金清平.计入几何非线性影响的斜拉桥施工索力的确定[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2005，29（6）：833836.