斜拉桥索力张拉优化方法研究

蒲 洁 李 江 王天琪 雍正阳 巩海周

(中建八局西南公司 成都 610041)

斜拉索作为斜拉桥的重要构件,在布置过程中其不同张拉方式会对斜拉桥线形及受力造成较大影响,合理的张拉方式不仅可以降低成本,更能使斜拉桥具有更高的安全性[1-3]。目前,常用的斜拉索张拉方式主要分为2种:①一次张拉到位,②二次张拉到位。大部分斜拉桥索力的张拉使用二次张拉到位的张拉方法[4],此张拉方式不仅有利于保证桥梁结构悬臂施工阶段控制截面的受力要求,且在保证线形的基础上通过二次调索可使成桥索力和结构内力最大限度地接近理想成桥状态[5]。但此种斜拉索索力张拉方式存在工作量大、施工周期较长的问题,对于有工期要求的项目不太适用。

斜拉索力一次张拉到位方法就是在施工阶段只进行一次索力张拉[6],但是为了使桥梁成桥之后达到理想成桥状态,此种斜拉索张拉方式会提供较大的一次张拉索力,这种过大的索力,对于自重较轻的桥梁,可能会导致悬臂施工阶段主梁下缘出现较大拉应力,影响结构安全,且这种方法的主梁线形监控压力大,成桥线形往往较差。

本文以某矮塔斜拉桥为背景,综合考虑上述2种张拉方式的优缺点,拟通过对主梁施加临时配重的方式,将二次调索方案转换为一次张拉到位方案,在保证主梁线形的基础上,缩短施工工期和降低施工风险并通过有限元软件分析这种方法的可行性。

1 工程概况

试验对象为某波形钢腹板-预应力混凝土组合梁双塔单索面矮塔斜拉桥,其跨径组合为41.6 m+82.2 m+150 m+82.2 m+41.6 m,梁高4.7 m,主梁断面为单箱五室,共计6道波腹板,索塔高45 m,桥面铺装由10 cm钢筋混凝土、1 cm防水层和10 cm沥青面层组成。主梁纵断面布置图见图1。

图1 某矮塔斜拉桥纵向桥型布置图

上塔柱和主梁混凝土的强度等级为C50,斜拉索钢绞线抗拉强度大于2 000 MPa,塔上索鞍锚固,索鞍半径范围3.5～4.5 m,梁内张拉端。斜拉索采用双索面布置,索面横桥向间距1 m。单个桥塔设置9对拉索,拉索梁上标准间距为6.4 m。主梁采用挂篮悬臂施工,主梁在顺桥向划分11个节段,每个塔柱两侧节段对称布置,其中0号节段(塔梁结合段33.2 m)、1～9号节段(标准节段每块6.4 m)、10号节段(合龙节段1.6 m)拉索编号见图2,梁为主要承载构件,承担70%,外力索塔只承担30%,索塔具有一些装饰美观功能。

图2 拉索编号示意图

2 斜拉索张拉优化方案

2.1 斜拉索原张拉方案

本桥斜拉索原张拉方案为二次张拉到位法,在主梁悬臂施工阶段拉索挂索时进行初次张拉,在中跨合龙完成体系转换之后、二期恒载之前进行全桥斜拉索力二次调整,调索顺序为从近塔端C1向远塔端C9逐次调索,每次调索4根拉索,由于大桥塔柱内空间小,拉索张拉操作困难,且拉索数量为36根,每调一次索比较耗时,且调索过程中不能进行其他施工操作,以至于无法按时完工通车,所以需要对原有方案进行优化,改为一次张拉到位法。

2.2 优化方案思路

本斜拉桥主梁为等截面主梁,且采用了钢波腹板,相比于常规混凝土主梁,自重较轻。为了达到合理成桥设计索力,直接采用一次张拉方法,施工期张拉索力将会很大。过大的张拉索力将使索塔处的主梁下缘产生较大拉应力,将严重影响桥梁结构的施工安全,所以需要对一次张拉方法进行优化。

为避免施工期间主梁下缘产生较大拉应力,本方案确定了施加临时配重的技术方案,即在张拉部分索力前,相应节段布置临时配重。配重能够在有效提高索力的情况下,实现对主梁向上变形的控制,大幅降低索塔处主梁下缘拉应力,乃至不出现拉应力。

2.3 临时配重施加和卸载原则

由于不同拉索之间的索力是相互影响的, 临时配重施加和卸载的顺序所对应的施工工况不同, 对桥塔、主梁的结构影响也不相同, 在确保施工过程安全、成桥后索力最大限度接近设计值且同时减少工期、方便施工的条件下,临时配重施加和卸载应遵循如下原则。

1) 配重施加大小。临时配重施加局部不宜过大,且各梁块施加配重大小应适应索力变化趋势。在满足施工应力要求下,尽量通过增加初拉力来减少临时配重以到达成桥设计索力,临时配重过大,不仅会造成桥梁线形突升突降增加施工监控难度,而且施工阶段桥梁上缘也可能出现拉应力,影响桥梁施工安全。

2) 配重施加位置。配重应对称施加在梁段上,且配重施加梁段不宜过多,增加施工难度。前几号梁块施加临时配重对主梁应力和索力影响较小,施加配重意义不大,主要通过增加初拉力,增加索力,对靠近合龙段的几个梁块施加配重,对桥梁应力和索力影响较大,效率较高。

3) 配重卸载方式。配重应对称卸载,分批次卸载。一次卸载施工难度较高且中跨跨中可能会因配重减少,上缘出现拉应力,影响结构安全。

2.4 工程实例优化方案

根据上述配重施加卸载原则,本工程方案共分6个阶段开始配重,分别是5号梁段、6号梁段、7号梁段、8号梁段、9号梁段和中跨合龙施工阶段,悬臂段施工配重位置为各块拉索主梁锚固端顶端,中跨合龙段配重位置为9号块最外侧,施加配重阶段在预应力钢筋张拉后、拉索张拉前实施,配重施加后,在后续施工阶段暂不卸载,待到中跨合龙,体系转换完成以后,分批次卸载。本方案分二批次卸载配重,通过先卸载部分配重,施加桥面铺装重量压住主梁,避免桥梁变形因失去压重而突增,使中跨上缘出现拉应力,具体流程如下。

1) 全桥合龙后先按桥塔对称卸载5、6、7号主梁上配重。

2) 从两个0号节段开始向两侧对称铺装10 cm厚的钢筋混凝土至7号梁段。

3) 对称卸载剩余配重,对称施工剩余桥面的10 cm后钢筋混凝土铺装。

4) 全桥10 cm厚沥青面层铺装。

各梁段配重大小见表1。拉索张拉索力见表2。

表1 配重大小

表2 一次张拉索力

由表1、表2可知,拉索索力主要由一次张拉索力提供,配重主要起辅助作用,配重大小适应拉索索力的增长趋势。

3 施工阶段仿真分析

3.1 有限元分析模型建立

采用midas Civil软件建立有限元模型,模型中斜拉索采用桁架单元模拟,主梁和主塔采用梁单元进行模拟。全桥共离散为381个节点,334个单元。临时配重采用节点荷载模拟,有限元模型图见图3。

图3 有限元模型(单位:kN)

3.2 计算结果分析

3.2.1施工阶段主梁应力分析

本方案是以达到设计成桥状态为目标,在保证结构安全的前提下提出的,在几个重要的施工阶段,主梁的应力最能反映桥梁的安全状态。为了进一步分析施工阶段的安全性,本文选取13个施工阶段进行分析,仿真计算输出的是各截面的上、下缘应力,应力以压应力为正,见表3。

表3 主要施工阶段应力值 MPa

由仿真分析结果可知,整个施工过程中主梁上下缘应力均无拉应力出现,由表3可知,施工过程中,几个重要施工阶段,最大上缘应力出现在0号块桥塔根部附近,最大下缘应力随着施工进行由桥塔根部附近向跨中移动,但都未达到应力界限值22.4 MPa,还有很大的安全余量,说明桥梁在施工过程中是安全的。

3.2.2施工预拱度分析

配重对于主梁线形有较大的影响,通过与原方案的施工预拱度进行对比,各梁段的施工预拱度见图4。

图4 施工预拱度对比

由图4可知,二次张拉法的施工预拱度变化幅度较大,最大主梁号块施工预拱度为79.8 mm,配重一次张拉法仅16.5 mm,说明配重一次张拉法,能降低主梁变形幅度;相比二次张拉法,中跨各梁块施工预拱度多提供的较大的负值预拱度,这无疑会增加施工线形监控的难度,而配重一次张拉法则较好地避免这一现象发生。

3.2.3成桥主梁、主塔应力分析

本矮塔斜拉桥主桥在成桥阶段上、下缘应力的有限元计算结果见图5、图6。

图5 成桥状态下上缘应力

图6 成桥状态下下缘应力

由图5、6可知,主梁成桥状态下的应力基本均匀分布,无拉应力出现,主梁桥塔附近的上缘应力较其它位置略大,上缘应力最大值为11.9 MPa,下缘应力最大值在跨中附近,为12.2 MPa,主塔压应力的最大值为10.0 MPa,均小于C50混凝土的设计抗压强度22.4 MPa,符合设计要求。

3.2.4成桥索力分析

斜拉桥施工控制目标中,索力控制是重中之重,索力大小关乎结构受力状态,本方案是否可行,一个重要指标即为成桥状态拉索索力是否满足设计要求。通过对本方案进行仿真分析,得到合理成桥状态。成桥设计索力与成桥计算索力对比分析见图7、图8。由图7、图8可知,本文方案仿真计算在成桥阶段的各拉索索力值与合理成桥状态下索力值进行对比发现,两者索力值的分布规律及索力值大小吻合度较高。本方案成桥索力数值和设计数值的最大偏差不超过6%。控制效果良好,很好地达到设计状态,可以满足施工要求,实现设计目标。

图7 边跨索设计索力与计算索力对比

图8 中跨索设计索力与计算索力对比

4 结语

本文依托某矮塔斜拉桥,针对斜拉桥二次调索费时费力的情况,提出采用对主梁施加临时配重的方式,将二次调索转换为一次张拉到位的方法,以缩短建设工期,提高工作效率。

通过以桥梁结构的应力和成桥索力为切入点,基于midas Civil软件对本文方案的可行性进行仿真研究。重点研究了该斜拉桥几个重要施工阶段的应力和成桥状态下主梁应力、拉索索力情况。主要结论为:对于该斜拉桥而言,施工阶段无拉应力出现,应力安全量富裕,成桥状态下的主梁应力分布均匀,斜拉索索力大小和分布规律与合理成桥状态基本吻合,施工线形变化幅度小,成桥线形良好,从而验证了本文方法的可靠性和合理性。但本文所提索力优化张拉方法也存在一定局限性,对于拥有较多拉索的大跨度斜拉桥,过多配重的施加,不仅不能达到加快施工进度的目的,甚至起到反作用。