混合梁斜拉桥合理索力及施工索力计算分析

杨炎炎，王安东

(陕西铁路工程职业技术学院 铁成(创新)学院，陕西 渭南 714000)

0 引言

随着新材料的不断研发应用以及桥梁结构计算水平的逐步提高，桥梁工程的结构形式变得多种多样.各种新材料及异形桥梁结构的出现使桥梁结构的受力情况变得更为复杂，从一定程度上增加了桥梁的结构设计难度与施工难度.为了确保桥梁工程在各施工阶段都能安全精确地进行，需要技术人员在施工前对桥梁各个阶段反复地进行内力计算与变形计算[1].本文利用正装迭代法找到1组斜拉索在施工过程中张拉力的数值，使斜拉桥的成桥索力与合理索力尽可能地接近，以满足设计要求.

1 工程概况

海东大道一号桥为(158+45+40)m的独塔双索面混合梁斜拉桥，主跨为158 m钢箱梁，辅跨为(45+40)m预应力混凝土箱梁，主塔高107 m.全桥共24对斜拉索，采用双索面扇形布置形式(见图1).材料具体设计参数见表1，主要荷载及取值见表2，依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)的相关规定进行最不利荷载组合.

图1 斜拉桥总体布置(单位：m)

表1 主要材料

表2 主要荷载及取值

在斜拉桥的设计中，合理成桥状态是评判斜拉桥设计成功与否的最关键因素[2].斜拉桥在荷载明确且结构形式不变的条件下，以斜拉桥结构内力作为控制条件，通常能够找到1组索力值使各控制截面的内力达到相对最优的状态，则该组索力值也就是该斜拉桥的合理成桥索力[3-4].

2 建立有限元模型

采用Midas Civil有限元分析软件建立了海东大道一号桥有限元模型，对全桥有限元模型进行离散化之后，全桥有限元模型共有节点354个，单元267个，海东大道一号桥有限元模型如图2所示.

图2 有限元模型

3 确定斜拉桥合理索力

改进的零位移法:基于零位移法，同时结合影响矩阵法来求得更加合理的成桥索力值[5].在海东大道一号桥合理索力计算过程中，首先基于零位移法，以主梁上斜拉索在主梁锚固点位置为位移控制点，调整索力值使主梁各控制点在恒载作用下对应的位移为零，这样就可以计算出1组初始索力值[6]，接下来控制量为主梁与主塔截面弯矩值，通过影响矩阵法来调整斜拉索的索力值，进而得到1组使成桥内力状态最为优的索力值[7].改进的零位移法的主要技术路线如图3所示[8]，表3为在结构恒载作用下利用该方法计算的该斜拉桥的合理成桥索力值.

图3 改进的零位移法分析流程

表3 斜拉桥合理成桥索力

根据表3数据对斜拉桥进行1次成桥计算，可得到海东大道一号桥在目标成桥状态下的结构内力，如图4所示.

(a) 弯矩(单位：kN·m)

(b) 剪力(单位：kN)

(c) 轴力(单位：kN)图4 目标成桥状态下的结构内力

由表3以及图4可以看出：

1) 该桥的成桥索力相对较均匀，同时斜拉索索力值呈现出长索索力值大、短索索力值小的规律，符合斜拉桥合理受力状态索力值变化规律；

2) 主梁弯矩图接近弹性支撑条件下连续梁的弯矩图，即该组索力值能够使主梁受力状态满足斜拉桥主梁合理受力状态的一般规律；

3) 主塔根部弯值大小处在相对很低的水平，即该组索力值在此非对称斜拉桥结构中使主塔根部达到合理受力状态；

4) 通过验算得到各危险截面的应力都处于设计范围之内，同时钢箱梁-混凝土箱梁-钢索塔-混凝土索塔4部分所受的峰值内力相对比较均匀，说明本斜拉桥在成桥状态下结构的受力情况较为合理.

4 确定张拉索力

本桥计算阶段的划分以施工单位的施工组织设计为基础，根据桥梁实际施工情况，对该桥有限元模型共划分为42个计算阶段，依据正装迭代法实现该桥的分阶段仿真分析.得到1组初次张拉、二次张拉索力及计算成桥索力值数据，如表4所示.

表4 计算索力值

该桥成桥索力计算值同设计值得对比情况如图5所示.

图5 计算成桥索力与合理成桥索力对比

利用正装迭代法得到的斜拉桥成桥索力值与设计值是比较接近的，二者相对偏差平均值1.04%，最大值2.41%；同时绝对误差相差在100 kN以内.综上可得在施工过程中按照上述施工工序及初次、二次索力张拉值，对斜拉索进行张拉能够使海东大道一号桥的成桥索力状态满足设计要求.

在按照表4中的张拉索力值对斜拉索进行张拉后，利用频率法以及本桥中预设的压力传感器(压力环)对斜拉索索力值进行了测试，实测索力值与设计索力值偏差在±5%以内，满足工程要求.利用频率法测试索力值过程如图6所示.

图6 频率法测试索力过程

5 结论

1) 通过改进的零位移法确定斜拉桥合理索力，使结构受力合理，斜拉桥的整体内力处于一个相对优良的水平.

2) 通过正装迭代原理确定斜拉桥张拉索力，为斜拉桥的安全施工以及成桥受力状态能够达到合理受力状态提供有效保障.

3) 利用有限元分析软件通过正装计算得到斜拉桥成桥索力，成桥索力与合理索力误差在允许范围内，即通过正装迭代法获得的索力张拉值是合理的.