南廣鐵路桂平郁江特大橋主橋斜拉索索力分析

陳建峰 郭建勛 余浪

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031

南廣鐵路桂平郁江特大橋主橋斜拉索索力分析

陳建峰 郭建勛 余浪

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031

斜拉橋是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，索力的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響非常大。如何確定斜拉橋的合理索力是斜拉橋設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)中的重要問(wèn)題。為了使斜拉橋在成橋后達(dá)到合理狀態(tài)，必須擬定合理的施工狀態(tài)，即在施工過(guò)程中使斜拉索力和結(jié)構(gòu)位形同時(shí)達(dá)到理想狀態(tài)。本文以桂平郁江鋼桁斜拉橋?yàn)楸尘?，建立了斜拉橋的施工過(guò)程有限元分析模型。通過(guò)模擬主梁的懸臂拼裝過(guò)程，確定了合理的施工安裝索力。根據(jù)零位移法， 以成橋后結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)變能和主梁的線形為目標(biāo)函數(shù)，確定了合理的成橋狀態(tài)索力，并以此索力對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次調(diào)索。結(jié)果表明，該方法可有效地控制施工階段和成橋后的主梁線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力，從而可確定斜拉橋的合理成橋狀態(tài)。

斜拉橋；合理施工狀態(tài)；模擬計(jì)算

The cable-stayed bridge is a kind of high-level hyper static structure; the cable force has great impact on the stress of the structure. How to determine the reasonable cable force of the cablestayed bridge is an important issue during the design, construction and operation for the cablestayed bridge. In order to ensure the cablestayed bridge to reach the reasonable condition after the bridge is completed, the reasonable construction state must be prepared, namely,during construction, the stayed cable force and the structural configuration should reach the ideal state simultaneously. This article treats the Guiping Yu River steel truss cable-stayed bridge as the background to establish the finite element analysis model of the cable-stayed bridge during construction.The construction and installation cable force is reasonably determined through simulating the assembly process of the suspension arm for the main girder.Based on the zero displacement method, after the bridge is formed, the bending strain of the structure and the configuration of the main girder are served as the objective function to determine the reasonable cable force under the bridgeforming state, and this cable force shall be employed to perform the cable-adjusting for the second time. The result indicates that this method can effectively control the configuration of the main girder and the inner force of the structure in the process of construction and after bridge forming, thus, the reasonable bridge-forming state for the cable-stayed bridge can be determined.

斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，施工中又要經(jīng)過(guò)體系轉(zhuǎn)換，如何確定合理的成橋索力，同時(shí)又能保證施工中的塔梁受力均勻合理，是目前進(jìn)行斜拉橋設(shè)計(jì)及施工監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)。目前采用的許多優(yōu)化索力的方法，都是先確定一個(gè)合理的成橋狀態(tài)，經(jīng)過(guò)施工中的二次或多次調(diào)索，使最終形成合理成橋索力。

由于在施工階段隨著斜拉橋結(jié)構(gòu)體系和荷載狀態(tài)的不斷變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形也相應(yīng)地不斷發(fā)生變化，因此，需要事先模擬現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程來(lái)斜拉橋的每一施工階段進(jìn)行詳盡的分析和驗(yàn)算，根據(jù)預(yù)先設(shè)定主梁線形控制目標(biāo)，求得斜拉橋各施工階段斜拉索初張力。成橋后，再根據(jù)活載影響的大小，結(jié)合結(jié)構(gòu)的受力需要確定合理的成橋狀態(tài)，對(duì)斜拉橋進(jìn)行二次調(diào)索。

1 工程概述

1.1 桂平郁江特大橋簡(jiǎn)介

桂平郁江特大橋是南廣鐵路一座雙線特大橋，主橋采用（36+96+228+96+36）m五跨雙塔雙索面鋼桁斜拉橋，主橋采用半漂浮體系，主塔與主梁間設(shè)置豎向支承，縱向采用阻尼約束，主塔采用花瓶式，塔高為103.5m，斜拉索采用Φ7環(huán)氧涂層鋼絲，主梁采用鋼桁梁，三角形桁架，兩片主桁，桁間距15m，桁高14m，節(jié)間長(zhǎng)度12m，橋面系采用正交異性鋼板的整體道砟橋面結(jié)構(gòu)[1]。斜拉橋布置如圖1所示。

1.2 主梁施工方案

主橋鋼桁梁架設(shè)首先在主塔兩側(cè)安裝托架，組拼工作平臺(tái)，利用塔旁吊機(jī)在托架上安裝6個(gè)節(jié)間鋼梁桿件,同時(shí)安裝臨時(shí)固定支座與千斤頂，安裝1號(hào)拉索并進(jìn)行初張拉。

此后在上弦拼裝架梁吊機(jī)，利用架梁吊機(jī)對(duì)稱(chēng)懸拼鋼桁梁其他節(jié)間。對(duì)稱(chēng)懸拼過(guò)程中依次安裝2～7號(hào)拉索并根據(jù)受力需要進(jìn)行初張拉。懸拼至輔助墩后，先完成邊跨再進(jìn)行跨中合龍。由于8號(hào)索的安裝與架梁吊機(jī)沖突，鋼桁梁合龍需先架設(shè)后再安裝8號(hào)拉索。為避免跨中產(chǎn)生較大位移，8號(hào)拉索安裝前不拼裝橋面板，待8號(hào)拉索安裝完成后再安裝。全橋合龍后，拆除臨時(shí)設(shè)施及臨時(shí)荷載。二期恒載的施工要先施工壓重區(qū)再由邊跨向跨中施工，最后對(duì)斜拉索進(jìn)行二次調(diào)整，完成終張拉。

1.3 斜拉索張拉力分析方法

斜拉橋靜力計(jì)算中比較重要的就是確定拉索的初張力，這跟施工階段密切相關(guān)。初張力相當(dāng)于在主梁上施加向上的拉力，故能調(diào)整主梁的恒載內(nèi)力，這與活載內(nèi)力是相對(duì)獨(dú)立的，但可以通過(guò)張拉一定的預(yù)壓力來(lái)抵消活載內(nèi)力。

圖1 桂平郁江大橋主橋布置

圖2 斜拉橋施工布置圖

圖3

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初張力確定的方法很多，如剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、彎曲能量法、矩陣法、無(wú)應(yīng)力控制法等[2]。但施工過(guò)程中體系不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換，上述方法實(shí)際操作起來(lái)非常麻煩，也無(wú)法得到理想結(jié)果。一般調(diào)索常用倒拆法和正裝法相結(jié)合，兩者計(jì)算結(jié)果因收縮徐變影響會(huì)有所區(qū)別。桂平郁江大橋主橋?yàn)殇撹炝?，沒(méi)有收縮徐變的影響，使得倒拆法和正裝法結(jié)果基本一致。本橋?yàn)橹魉蓚?cè)只有八對(duì)拉索，拉索較少，可直接采用正裝法進(jìn)行計(jì)算。

本橋作為純鐵路斜拉橋，與公路斜拉橋梁相比，顯著的特點(diǎn)就是活載比例大。本橋主梁恒載約為40t/m，而活載為16t/m，在確定合理成橋狀態(tài)時(shí)要充分考慮活載的影響。

2 斜拉索索力分析

2.1 計(jì)算模型

本斜拉橋采用Midas軟件進(jìn)行仿真分析，主塔及鋼桁梁采用梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單位、正交異性橋面板采用板單元建立?/p>

2.2 施工階段調(diào)索原則及合理成橋狀態(tài)的確定

本橋從施工到全橋形成的過(guò)程中每根拉索張拉兩次，初張拉在施工階段對(duì)稱(chēng)懸臂施工階段，終張拉在橋面鋪裝及二期恒載施工完成后進(jìn)行。

施工過(guò)程中，斜拉索初張拉為對(duì)稱(chēng)張拉，橋塔只承受豎向力，初張力的大小主要為了使梁體水平，確保鋼桁梁的順利拼裝。初張力的拉控制原則為拉索張拉后對(duì)應(yīng)的這個(gè)施工階段的索梁錨點(diǎn)位移基本為零[3]。

全橋合龍后，橋面開(kāi)始鋪裝防水層、道砟，施工人行道等二期恒載。此后進(jìn)行斜拉索終張拉達(dá)到合理的成橋狀態(tài)，終張拉后為滿足運(yùn)營(yíng)梁體線形需要、橋塔彎曲內(nèi)力較小，張拉的控制原則為：斜拉索經(jīng)再次張拉后主塔塔頂縱向位移在恒載下略向邊跨側(cè)偏移，跨中水平略微上撓，以克服跨中過(guò)大活載的影響。

根據(jù)以上目標(biāo)和拉索調(diào)索原則，兼顧鋼桁梁主弦在關(guān)鍵位置處的應(yīng)力，采用正裝法，對(duì)拉索索力反復(fù)試算，最終得出較優(yōu)索力。待計(jì)算穩(wěn)定后，利用倒裝法計(jì)算一次進(jìn)行校核。經(jīng)計(jì)算斜拉索兩次張拉的索力表如表1，表2。

通過(guò)兩次調(diào)索，斜拉橋不但可以保證鋼桁梁架設(shè)的順利進(jìn)行，中跨合攏前主梁位移可以控制在10mm以?xún)?nèi)，確保全橋合龍的順利進(jìn)行。終張拉后，恒載下塔頂縱向位移向邊跨側(cè)2mm；跨中位移向上62mm，鋼桁梁梁體線形均勻；橋塔兩側(cè)索力相差不大，因此塔底彎矩很小，塔身應(yīng)力也比較均勻。經(jīng)檢算，主橋鋼桁梁各部位桿件應(yīng)力也滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以南廣鐵路桂平郁江特大橋?yàn)楸尘埃鶕?jù)主橋鋼桁斜拉橋的施工架設(shè)順序，探討了斜拉橋索力分析方法和索力張拉原則，對(duì)該橋施工階段和成橋階段的索力進(jìn)行分析計(jì)算，保證了鋼桁梁的拼裝要求，并確立成橋的合理線形，同時(shí)滿足了橋塔、鋼桁梁等構(gòu)件的受力需要。

[1] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.南廣鐵路桂平郁江特大橋設(shè)計(jì).2009年

[2] 劉士林，等.斜拉橋.人民交通出版社.2002年，67～72頁(yè)

[3] 施篤錚.斜拉橋施工過(guò)程中的索力控制與優(yōu)化研究.中國(guó)公路學(xué)報(bào).2002年，第15卷第2期57～60頁(yè)

Analysis for Cable Force of the Stay Cable of Main Bridge for Guiping Yu River Grand Bridge on Railway from Nanning to Guangzhou

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.043

第一作者：陳建峰性別：男；職稱(chēng)：高工；工作單位：中鐵二院工程集團(tuán)有限公司