斜拉桥压重混凝土与斜拉索张拉顺序研究——基于有限元软件MIDAS CIVIL的理论研究与施工

李丽宁

(中交路桥华北工程有限公司，北京 101100)

1 工程概况

位于辽宁省大连市河口湾大桥总长408 m，为双塔单索面斜拉桥，跨径布置为50 m+96 m+192 m+70 m=408 m，采用塔梁固结、塔墩分离的体系。桥面以上Z4塔高56.5 m，Z5塔高36.5 m，其中Z4塔9对斜拉索，Z5塔5对斜拉索，共计56根单索。

为保证成桥后斜拉桥支座不发生脱空，并抵抗成桥后由于曲线桥可能产生的扭矩。根据设计图纸在斜拉索张拉区两侧即Z3墩和Z6墩内侧浇筑压重混凝土，为提高支架的安全性并保护支座，同时由于Z3墩地下存在特殊构造物对地基承载力有严格要求，因此要把控好压重混凝土浇筑时机。

2 有限元模型建立

根据可能发生的实际施工情况，通过MIDAS CIVIL软件建立有限元模型，通过计算不同工况下结构受力情况以采用最佳施工方案。

2.1 计算原则

1)为安全考虑，受力构件应满足承载能力要求及满足变形要求。

2)为简化计算，对构件受力最大时进行静力分析，另选取构件受力最不利位置进行分析。

3)均按照极限应力法计算。根据实际工况又分为以下两种情况进行分析：①未张拉斜拉索，但压重混凝土已经浇筑完成：(自重+钢箱梁横隔板+压重混凝土)×1.3+人机堆载×1.5；②张拉斜拉索，压重混凝土浇筑完成：(自重+钢箱梁横隔板+压重混凝土)×1.3+斜拉索索力×1.0+人机堆载×1.5。

4)根据施工阶段的划分，分别对未张拉斜拉索和张拉斜拉索并完全浇筑压重混凝土两个工况进行。

5)为切合实际受力状况，对压重区域采取超范围计算。

2.2 划定计算区域

压重混凝土区域长21 m，影响4～5组支架。考虑到建模的简易性，节约建模成本，因此模型采用局部受力分析，同时由于钢箱梁已连接成一体，支架间力学性能相互影响，且为了保证计算的精确度，最后决定对计算区域采用超范围局部整体建模。以Z3墩为例，Z3墩压重混凝土影响支架为4组，索为3组，在模型建立时本着上述思想，对Z3墩开始往大桩号侧5组支架范围内的钢箱梁及对应钢箱梁进行建模分析。

2.3 确定钢箱梁边界条件

由于本工程采用支架法施工，根据施工经验，两支架内的钢箱梁可用简支梁代替受力分析，由结构力学知识不难得出跨中剪力为0，位移与相同条件下的悬臂梁相似。因此，在模型中钢箱梁隔离处采用0边界条件、0位移的方式进行分析。

2.4 荷载确定

以Z3墩为例说明MIDAS CIVIL模型中荷载计入方式。

1)钢箱梁一般位置、支架自重MIDAS CIVIL自动计入。

2)钢箱梁横隔板自重采用节点荷载35 kN计入。

3)压重混凝土采用单元荷载，按三部分计入，分别为：钢箱梁中间位置1.8×3×24=129.6 kN/m，钢箱梁左侧位置6.4×0.9×24=138.24 kN/m，钢箱梁右侧位置6.4×0.9×24=138.24 kN/m。

4)索力仅计入计算区域，具体分为B6-1、B6-2、B7-1、B7-2、B8-1、B8-2、B9-1、B9-2的竖直有效分量，即：①B6-1、B6-2：2740×sin(29.63°)+2740×sin(29.60°)=2708.049 kN；②B7-1、B7-2：2940×sin(28.50°)+2940×sin(28.47°)=2804.340 kN；③B8-1、B8-2：3040×sin(28.40°)+3040×sin(28.35°)=2889.461 kN；④B9-1、B9-2：3190×sin(28.30°)+3190×sin(28.26°)=3022.722 kN。分别以节点荷载计入MIDAS CIVIL。

5)人机堆载：以2.5 kN/m单元荷载计入。

2.5 模型截面形式

钢箱梁根据设计图纸采用MIDAS CIVIL SPC导入，其余构件采用MIDAS CIVIL内置截面形式建立。立柱为φ325×6.0 mm钢管，联梁为[10槽钢，分配梁为32a双拼工字钢。

利用SPC工具建立钢箱梁一般截面的过程如下。

1)首先根据图纸，标准绘制钢箱梁一般断面，并将CAD另存为DEX形式文件。

2)打开MIDAS CIVIL中的“工具》截面特性计算器”并进入。此界面为全英文界面，笔者暂未发现汉化版本。

3)进入“截面特性计算器”，首先弹出单位设置窗口，根据CAD图纸设置即可，完成后点击“OK”。本模型中以单位mm进行。

4)依次单击以下内容“File》Import》AutoCAD DEX”，进入后选择另存为DEX钢箱梁截面导入即可。

5)导入后需要赋予线段宽度，即赋予钢箱梁钢板厚度。操作如下：单击“Change Width》Width”，根据实际依次选择线段并赋予。本模型中为简化模型计算过程，均赋予20 mm。

6)宽度赋予完成后进行截面特性值计算。进行以下操作“Section》Generate》Line》”，全选后，单击“Apply”。

7)最后将该文件另存为“SEC文件”即可。操作如下：“Export Section》MIDAS Section File》全选》Apply”。

8)在MIDAS CIVIL中导入钢箱梁一般断面，操作如下：“特性》截面特性值》添加》数值》任意截面》导入SEC文件”即可。至此钢箱梁一般断面建立完成。

2.6 确定桥梁中轴线与支架位置

由于本工程为曲线桥，直接通过坐标建立模型存在较大难度，因此可通过CAD将DEX文件导入的方式进行建立，操作如下：在设计图纸中提取计算位置的桥梁中轴线及支架位置，此时根据经验，在支架的位置确定可以通过小“X”形式在支架立柱处进行标记，导入后对多余节点、单元进行删除即可。

MIDAS CIVIL导入操作如下：“单击左上角图标》导入》AutoCAD DEX文件”导入后消隐删除多余单元和节点即可得到桥梁上部结构模型，即支架桥面处的投影位置。

2.7 建立支架单元

根据支架实际规格选择MIDAS CIVIL内置截面形式。根据CAD导入的支架立柱位置，在Z轴方向依次复制节点后，最后按照常规梁单元模型建立即可，具体过程不再赘述。在建立的过程中为了避免错误或者遗漏，应从下至上利用激活等方式依次建立。

2.8 添加约束条件

1)内部约束条件。由于支架与分配梁之间、分配梁与小支墩之间、小支墩与钢箱梁之间梁单元方向不同等原因，实际单元约束不能用共节点的方式进行模拟解决，因此为了模型结果的正确性。用“边界》弹性约束》刚性”来模拟实际焊接关系。具体操作不予赘述。

2)外部约束条件。此模型的外部边界条件分为支座约束和支架约束两种。支座约束参照实际支座的限制条件进行模拟，即不容许y、z、Rx、Ry、Rz方向的位移。支架下端采用完全固结予以添加，即不容许x、y、z、Rx、Ry、Rz方向的位移。

2.9 添加荷载

根据本文中章节2.4所确定的荷载按照实际作用位置添加即可，需要注意的是，由于本模型要进行两种工况的计算，并在后续过程可能会验算其他工况下荷载(因为此时还不确定支架和地基承载力是否满足条件，可能会对施工荷载工况进行调整)。为了避免建模的重复性，保证模型的普适性，应对各个荷载予以不同荷载工况的区分。

2.10 MIDAS CIVIL后处理

至此，模型建立基本完成，可进行MIDAS CIVIL后处理流程以得到计算结果。

1)荷载组合。根据极限应力法确定荷载组合。

2)屈曲模态分析。对该支架稳定性进行验算，即对模型进行屈曲分析，操作如下，“前处理模式》分析》屈曲》输入数据》后处理模式》振型”。完成上述操作后，即可分别查看模型受力及稳定性，然后进行分析即可。

2.11 计算结果

通过MIDAS CIVIL模型得到必要数据后，对数据进行处理和分析以得到最终计算成果，本工程计算成果见表1，具体计算过程本文不再赘述。

表1 MIDAS CIVIL计算成果汇总表

3 施工工序

通过表1的计算结果可以得知，在完全浇筑混凝土最不利情况下，支架和支座承载能力完全满足要求，因此支架和支座的承载能力对施工工序的确定不起到控制作用。该工程Z3墩位置地下存在特殊构造物，对地基承载力有严格要求，因而要据此进行二次分析，Z6墩无此要求，可以按照先打压重混凝土后张拉的施工工序进行。

3.1 Z3墩地质条件

Z3处支架下方设有地下停车场，地下停车场顶板覆盖图层为1.55 m厚，根据地下停车场设计施工单元提供数据，地下停车场顶板承受荷载不得超过70 kPa，否则存在顶板垮塌的危险。在前期施工时为了减少分担地面荷载，采用了筏板基础，而压重混凝土影响区域内的全部支架基础均为筏板基础。

3.2 地基承载能力初步验算

为验证压重混凝土全部浇筑完成后是否满足情况，对此种工况进行验算。该区域由于地下存在特殊构造物，支架基础采用筏板基础，地基承载力要求每平方米不能超过70 kN，即70 kPa。且由于土层的影响，地标上表面承载能力应不超过70-27.9=42.1 kPa。

因此，为简化计算过程将单个支架取出(每个支架包含4个立柱，取MIDAS CIVIL计算中最大的一个为标准计算)单独验算，认为每个支架下方6 m×6 m区域为有效区域，其为轴心受力构件。计算如下：

因此，地基承载力不满足要求。

3.3 确定施工工序

根据上述计算结果，决定分两次浇筑压重混凝土，中间穿插斜拉索的张拉，凭借斜拉索张拉力抵消一部分压重混凝土荷载，以保证地基承载能力。为保证混凝土浇筑的完整性和施工方便，现初步拟压重混凝土采用两次浇筑，第一次浇筑中间箱室全部的压重混凝土，第二次浇筑余下两侧压重混凝土。

3.3.1 仅浇筑中间箱室的压重混凝土

计算方式同章节3.2[1]。

计算公式如下：

因此，地基承载能力满足条件。

该工序可以进行，之后根据本章节开头所述思路，张拉斜拉索以抵消这部分压重混凝土荷载，根据所加入压重混凝土荷载进行如下计算：

取压重混凝土混凝土重量(138.24+129.6)×21=5624.64 kN。

斜拉索设计索力如表2所示。

3.3.2 张拉力的确定

为简化计算，夹角取28°为准。根据力学原理得到抵消重力作用的斜拉索的拉力为：

F=G/sin28°=5624.64/0.469=11993 kN

表2 斜拉索索力计算

根据计算结果，占设计索力值大小的68%。所以斜拉索初次张拉力应为60%张拉。因而先计划在两次压重混凝土浇筑间隔张拉60%索力，再对全部浇筑完成后的工况进行验算，如通过即说明方案可行。

3.3.3 压重混凝土完全浇筑完成后地基承载能力

计算方法同上，计算如下：

地基承载能力满足条件，方案可行。

3.4 最终施工工序

通过上述计算分析，本着施工方便安全的原则，可以确定施工工序如下。

1)Z3墩：先浇筑中央索区压重混凝土→张拉压重混凝土影响范围内60%索力→浇筑余下压重混凝土→完成斜拉索的张拉。

2)Z6墩：一次性浇筑压重混凝土→张拉斜拉索。

实际施工过程严格按照方案进行，在施工各个阶段实时对支架应力、变形进行测量，支架变形情况与理论计算结果在误差范围内。

4 结束语

上述方案在实际施工过程中起到了良好的效果，这主要得益于前期理论分析的成果，保证了方案的合理性，也说明MIDAS CIVIL等有限元软件的使用对桥梁施工方案的合理性选择有极大的促进作用。

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