基于受力和位移计算分析的独塔斜拉桥换索顺序选择

陶小委 刘海宽 付志方

摘 要：本文应用MIDAS/Civil对某斜拉桥两种换索施工顺序进行模拟，并对两种换索顺序过程中斜拉索索力、主梁和主塔的位移与受力进行对比分析。计算结果对比分析顯示，对于该桥采用由主塔向两侧依次更换斜拉索的正序施工方案更为合理。

关键词：斜拉桥;换索顺序;应力;位移

中图分类号：U448.27 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）01-0082-04

Research on the Order of Cable Replacement of Cable-stayed Bridge

TAO Xiaowei1，2 LIU Haikuan1，2 FU Zhifang1，2

（1.Henan Transportation Research Institute Co. ，Ltd.， Zhengzhou Henan 450015;2.Highway Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Transportation Industry Research and Development Center，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： MIDAS/Civil was used to simulate the construction sequence of two cable-stayed bridges， and the cable tension， the displacement of the main beam and the main tower and the force of the main cable were compared and analyzed. The analysis showed that it was more reasonable to use the positive sequence construction scheme for the bridge.

Keywords： cable-stayed bridge;order of cable replacement;stress;displacement

斜拉桥在长期使用后，受外界环境影响或车辆碰撞，斜拉索会产生PE护套开裂、斜拉索锚头锈蚀、钢丝锈蚀或断裂等病害。病害产生原因主要有斜拉索防护体系不过关、施工导致的拉索防护体系缺陷、斜拉索检查养护不当等。当桥梁检测发现存在斜拉索内高强钢丝锈蚀、拉索锚头及螺母严重锈蚀、拉索疲劳断丝等病害时，应及时进行斜拉索更换，以保证桥梁的安全运营。斜拉索更换是一项复杂的工作，需要管养、设计、施工、监控等多个单位协同配合进行，合理的换索施工方案应使换索过程桥梁结构内力和位移变化值较小，且在控制范围以内，以确保换索施工过程中的结构安全。斜拉索的更换一般存在两种施工顺序，即正序更换和逆序更换。其中，正序更换为由主塔向两边逐对依次更换，逆序更换为由两侧向主塔逐对依次更换。本文以某斜拉桥换索工程为例，利用有限元软件对两种换索施工顺序进行计算分析，并分别对斜拉索、主梁及主塔等受力和位移结果进行对比分析，确定斜拉桥的合理换索施工顺序。

1 工程项目概况

某独塔斜拉桥建成于1997年，位于我国中部某省，桥跨布置为60m+90m，设计为塔、梁、墩固结的单索面混凝土斜拉桥，桥梁立面布置如图1所示。桥梁90m跨主梁为单箱双室混凝土箱梁，60m跨为实心混凝土梁，梁高均为1.8m，桥面全宽19m，90m跨主梁横断面如图2所示。桥梁主塔、主梁设计采用50号混凝土，设计荷载等级为汽车-超20级，挂车-120。全桥共设12对，24根斜拉索，旧索为标准抗拉强度[fpk]=1 670MPa的低松弛镀锌高强平行钢丝索，本次更换的新索为抗拉标准强度[fpk]=1 770MPa的低松弛镀锌高强平行钢丝索[1]。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼NWYM2M3Y_DY8{2E%SPTOU$I.png>[6 000][230+11×420+1 150][边跨侧][9 000][1 650+11×630+420][主跨侧][伸缩缝][2#台][1#塔墩][常水位][0#台][伸缩缝][边跨索：B1-B12

主跨索：Z1-Z12]

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼OYN9YSS@}SU45D0F$NOKV2X.png>[桥梁中心线][1.5%][1.5%][25][25][17][17][17][520][30][375][575][50][1 900][30][520][575][375]

图2 主梁标准横断面图（单位：cm）

2 有限元计算模型

如图3所示，应用桥梁有限元软件MIDAS/Civil建立桥梁的计算模型，主梁、主塔采用梁单元进行模拟，斜拉索采用索单元进行模拟，边界条件按桥梁施工阶段实际情况进行模拟。计算模型对两种换索顺序分别进行施工阶段分析，并以设计成桥索力为最终控制目标，施工过程中新换斜拉索一次张拉到位，有限元模拟施工步骤如表1所示。

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图3 全桥有限元模型

表1 有限元模拟施工步骤

[正序施工 逆序施工 施工

步骤 模拟施工内容 施工

步骤 模拟施工内容 1 卸载并拆除旧索B1、Z1 1’ 卸载并拆除旧索B12、Z12 2 安装并张拉新索B1、Z1 2’ 安装并张拉新索B12、Z12 …… …… …… …… 23 卸载并拆除旧索B12、Z12 23’ 卸载并拆除旧索B1、Z1 24 安装并张拉新索B12、Z12 24’ 安装并张拉新索B1、Z1 ]

3 张拉千斤顶的选择

斜拉桥换索工程针对每一对斜拉索，要先进行旧索卸载，再进行新索张拉。以设计成桥索力为目标，考虑斜拉索一次张拉到位，进行正装迭代计算，将两种换索顺序下的旧索卸载索力和新索张拉索力进行对比分析，结果如下。

①对于旧索的拆除，正序施工与逆序施工所需的最大张拉力分别为4 489kN与4 647kN，且均为斜拉索B12;正序施工与逆序施工所需的最小张拉力分别为2 079kN与1 908kN，分别为斜拉索Z11与B2[2]。

②对于新索的张拉，正序施工与逆序施工所需的最大张拉力分别为4 415kN与4 308kN，且均为斜拉索B12;正序施工与逆序施工所需的最小张拉力分别为2 069kN与2 131kN，且均为斜拉索Z4。

为保证千斤顶在斜拉索上施加张拉力的准确性，在千斤顶的选择上，应尽量使每根斜拉索的张拉控制力只达到所用千斤顶允许能力的50%～85%。根据计算结果，正序施工与逆序施工选择500t千斤顶进行旧索拆卸和新索张拉，均能满足使用要求，两种施工方式对千斤顶吨位选择无差异。

4 主梁、主塔的位移与受力

4.1 主梁位移与受力

选择在施工过程中挠度较大的主跨1/2L截面，将两种换索顺序下的挠度进行对比，如表2所示。从表2可知，逆序施工过程中跨1/2L截面挠度普遍小于正序施工，其各施工阶段的挠度平均为正序施工换索挠度的88%。其中，正序施工过程中，挠度最大值出现在施工步骤13拆除B7、Z7号斜拉索时，其累计挠度最大值为-127.2mm[3]。

表2 主跨1/2L截面各计算施工步骤累计挠度

[正序施工 逆序施工 施工

步骤 主梁位移/mm 施工步骤 主梁挠度/mm 施工

步骤 主梁挠度/mm 施工

步骤 主梁位移/mm 1 -69.2 13 -127.2 1’ -87.4 13’ -89.7 2 -64.1 14 -86.4 2’ -69.1 14’ -52.9 3 -72.1 15 -122.0 3’ -88.7 15’ -81.8 4 -64.5 16 -83.5 4’ -69.6 16’ -59.3 5 -80.1 17 -109.9 5’ -90.2 17’ -83.3 6 -67.9 18 -77.8 6’ -66.2 18’ -66.1 7 -93.1 19 -96.6 7’ -92.6 19’ -82.5 8 -76.3 20 -73.2 8’ -60.6 20’ -68.6 9 -109.7 21 -90.9 9’ -93.1 21’ -77.9 10 -84.9 22 -71.4 10’ -56.4 22’ -68.8 11 -125.8 23 -91.3 11’ -92.9 23’ -73.5 12 -85.5 24 -70.8 12’ -55.1 24’ -67.8 ]

注：负值为向下，正值为向上。

由于主跨1/2L截面的挠度在各施工步骤中较大，因此该截面底板的受力变化也应成为重点控制的内容。将两种换索施工顺序下的主跨1/2L截面底板应力计算值进行对比，如表3所示。经过对比分析，两种换索顺序下的主梁主跨1/2L截面底板应力并未表现出明显差异。

综合主梁挠度和受力分析，两种换索施工顺序中主梁在主跨1/2L截面位置底板应力值较为接近，但由于正序施工换索过程中挠度值较逆序施工偏大，因此，单从主梁挠度控制角度分析，对于该斜拉桥，采用逆序施工换索具有一定优势。

4.2 主塔偏位与受力

主塔偏位是换索施工过程中需要重点控制的内容之一。在塔顶预设观测点，对比正序施工与逆序施工换索两种施工顺序下的主塔塔顶偏位，计算数据如表4所示。由于斜拉桥换索导致的主塔偏位主要体现在桥梁纵桥向上，因此表中仅列出桥塔沿纵桥向方向上的偏位。由表4数据可知，主塔偏位在两种换索顺序中表现出巨大的差异，在顺桥向方向上，逆序施工换索的偏位值明显大于正序换索，平均是正序换索偏位值的2.69倍，各施工步骤平均比正序换索偏位值大20.7mm[4]。

在换索施工过程中，除了需要关注主塔的偏位情况，还需要重点关注主塔根部的受力情况[5]。由表4可知，各施工步骤主塔偏位主要是偏向主跨一侧，因此，计算主塔根部边跨一侧的应力值，并将两种换索顺序下的主塔根部边跨一侧的应力值进行对比，如表5所示。从表5可知，正序换索过程中主塔根部边跨一侧的压应力储备较逆序换索明显偏大，平均是逆序换索应力值的1.58倍。

综合主塔偏位和受力分析，两种换索施工顺序中，从主塔偏位和受力控制角度考虑，针对此斜拉桥，正序换索具有决定性的优势[6]。

5 结语

本文对两种换索施工顺序进行了施工阶段模拟计算分析，对斜拉索、主梁及主塔的各控制截面位移和受力进行了计算对比分析。对于卸载和张拉斜拉索，正序施工与逆序施工选择500t千斤顶均能满足使用要求，两种施工方式对千斤顶吨位选择无差异;从主梁变形与受力角度来看，在主跨1/2L截面，两种换索施工顺序应力相近，但逆序施工换索主梁挠度较小，对施工过程中主梁线形控制有利;而从主塔偏位及根部受力的角度来看，逆序施工的塔顶偏位值明显大于正序换索，平均是正序施工的2.69倍，平均比正序换索偏位值大20.7mm，且正序换索过程中主塔根部边跨一側的压应力储备较逆序施工明显偏大，平均是逆序换索应力值的1.58倍。因此，针对该斜拉桥换索工程，建议采取由主塔向两侧依次更换的正序施工方案较为合理。

参考文献：

[1]王文涛.斜拉桥换索工程[M].北京：人民交通出版社，1997.

[2]中交第二航务工程局有限公司.公路桥梁施工系列手册.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2014.

[3]温敏.独塔斜拉桥换索施工控制研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[4]葛俊颖.桥梁工程软件MIDAS Civil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]刘士林.斜拉桥设计[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]刘多特.斜拉桥换索技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.