獨(dú)塔疊合梁斜拉橋施工階段模擬分析

張倩 候振華 孫建鵬 姜開明

摘 要：針對疊合梁斜拉橋在施工階段中的內(nèi)力控制問題，借助Midas Civil有限元軟件，采用倒拆正裝迭代法對某疊合梁斜拉橋施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算，并對各構(gòu)件在不同施工階段中的靜力行為和內(nèi)力分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，詮釋了施工全程中橋體關(guān)鍵部位內(nèi)力演變機(jī)理。分析結(jié)果表明：該橋采用塔梁固結(jié)體系，第一對索間距較大且索力較小，會造成鋼主梁最大拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)在塔梁固結(jié)附近；在懸臂拼裝施工時(shí)，吊機(jī)荷載會引起懸臂端橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：疊合梁；斜拉橋；有限元；靜力行為

中圖分類號：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Simulation Analysis of Construction Process of Compositegirder Cablestayed Bridge

ZHANG Qian1， HOU Zhenhua1， SUN Jianpeng1， JIANG Kaiming2

（1. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， Shaanxi， China；

2. Pingyang Headquarters of Traffic Engineering Construction， Wenzhou 325400， Zhejiang， China）

Abstract： Aimed at the problem of internal force control of compositegirder cablestayed bridge during the construction process， forwardbackward iterative method was applied to conduct the simulation calculation by means of Midas Civil， a finite element analysis software. The static behaviors and the characteristics of internal force distribution of the components in different construction stages were analyzed， and the mechanism of the development of internal force at crucial spots was expounded. The results show that with the tower rigidly connected with the girders， the first pair of cables have large span and small force， and the maximum tensile stress and compressive stress might emerge where the tower and girders are rigidly connected. When erecting the cantilevers， the crane load could cause the tensile stress at the cantilever side of the deck.

Key words： composite girder； cablestayed bridge； finite element； static behavior

0 引 言

疊合梁斜拉橋是由鋼主梁與混凝土橋面板通過剪力釘、濕接縫形成組合截面共同受力的一類組合結(jié)構(gòu)橋梁，具有跨越能力大、梁高小、自重輕、造價(jià)合理等優(yōu)點(diǎn)，近年來在中國橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但疊合梁斜拉橋的施工過程比較復(fù)雜，必須進(jìn)行模擬計(jì)算來確定施工過程各階段橋梁結(jié)構(gòu)的受力和變形，從而加以管控，使其成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

斜拉橋施工狀態(tài)是通過施工階段模擬計(jì)算確定的，其施工階段模擬計(jì)算方法在整個(gè)施工控制系統(tǒng)中起決定作用。對此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，其中最早的是前聯(lián)邦德國的橋梁大師F.Leonhardt提出的倒拆計(jì)算方法，基本思路是以設(shè)計(jì)規(guī)定的成橋目標(biāo)狀態(tài)作為計(jì)算的起點(diǎn)，按橋梁建造的逆順序進(jìn)行倒退分析計(jì)算，以確定橋梁施工安裝各個(gè)階段的內(nèi)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的位移狀態(tài)；2008年，秦順全基于最小勢能原理，并引入構(gòu)件單元的無應(yīng)力狀態(tài)，建立了分階段施工成橋結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡方程，該方法從理論上驗(yàn)證了無應(yīng)力狀態(tài)

法，表明橋梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)可直接求解，無需進(jìn)行施工階段的計(jì)算累加，因此無應(yīng)力狀態(tài)法可以實(shí)現(xiàn)斜拉橋施工中的多工序同步作業(yè)，提高了效率；2011年，田維峰等利用無應(yīng)力狀態(tài)法確定了拱橋施工過程中的扣索索力；2012年，鄭遠(yuǎn)宏等采取無應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行了鋼箱梁斜拉橋施工線形控制，結(jié)果表明該方法控制精度可靠[13]。

本文以某疊合梁斜拉橋?yàn)楸尘?，采用倒拆正裝迭代法[4]對施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算，以此著重分析最大雙懸臂施工階段、最大單懸臂施工階段和橋面鋪裝施工階段下的結(jié)構(gòu)靜力行為；并獲取各構(gòu)件在施工中受力最不利位置，分析其原因并提出合理施工意見，作為同類工程指導(dǎo)施工的依據(jù)和參考。

1 工程概況

某疊合梁斜拉橋橋跨布置為130 m+150 m，采用鋼邊主梁結(jié)合橋面板的整體斷面，全橋斷面上共有2片鋼縱梁。組合梁縱梁、橫梁、懸臂梁、小縱梁均采用Q345qD工字型鋼，縱梁梁高為28 m，標(biāo)準(zhǔn)梁段長為8 m，縱梁橫向中心間距為255 m，橋面橫向標(biāo)準(zhǔn)段寬為390 m，橋塔處橋面最寬為475 m。沿順橋方向每4 m設(shè)置一道鋼橫梁，橫梁中部設(shè)置一道小縱梁，懸臂梁為人行道及非機(jī)動車道，標(biāo)準(zhǔn)段懸臂梁橫橋向?qū)挒?53 m，橋面寬為39 m；因索塔附近的懸臂梁須繞塔而過，故在索塔附近順橋向14 m范圍內(nèi)加寬懸臂梁 ，此處橋面寬至475 m，之后在順橋向16 m范圍內(nèi)，橋面寬漸變?yōu)?9 m。橋面板為預(yù)放6個(gè)月的C55鋼筋混凝土橋面板，橋面鋪裝采用10 cm厚的瀝青混凝土。橋面板和主梁采用剪力釘連接。整體結(jié)構(gòu)為塔梁固結(jié)體系、獨(dú)塔空間雙索面密索體系，全橋拉索共64根。其中，斜拉索采用Φ5 mm鍍鋅高強(qiáng)低松弛鋼鉸線索。全橋共采用4類拉索型號，根據(jù)拉索受力的大小，0 號索采用15237，1～6號索采用15243，7～12 號索采用15255，13～15號索采用15261。索塔為鉆石形，塔高為994 m，橋面以上高約為83414 m，橋面以下高約為15986 m，材料為C50混凝土。主橋橋型布置如圖1所示。

2 計(jì)算模型

2.1 施工荷載模擬

施工荷載主要包括結(jié)構(gòu)恒載、施工臨時(shí)荷載、預(yù)應(yīng)力、斜拉索張力和混凝土的收縮徐變[57]。為了準(zhǔn)確模擬施工中的荷載，對其作如下處理。

（1）恒載。一期恒載主要包括梁、索塔、拉索和混凝土板的自重， 其中索塔按實(shí)際斷面取重。混凝土板不考慮橫向坡度，按26 mm標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)重。豎向加勁肋根據(jù)截面面積和鋼材容重計(jì)算求得自重，并以集中力方式作用于其位置。二期恒載主要有橋面鋪裝和防撞護(hù)欄，以均布荷載作用在橋面板上，取值為48.9 kN·m-1。

（2）施工臨時(shí)荷載。臨時(shí)荷載主要有吊車荷載和臨時(shí)壓重。根據(jù)設(shè)計(jì)，全橋共4臺吊機(jī)，單側(cè)各2臺，每臺自重40 t。吊機(jī)荷載以集中力方式作用在橫梁和主梁交接處。

（3）預(yù)應(yīng)力鋼束。鋼束預(yù)應(yīng)力在模型中采用整體式分析方法，根據(jù)預(yù)應(yīng)力的特性和位置手動輸入，并通過模擬灌漿封錨來實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。

（4）斜拉索張力。通過倒拆分析獲得初始張力，然后以體外力方式進(jìn)行正裝分析。

2.2 有限元模型

為了準(zhǔn)確、方便地建模，在實(shí)際工程的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行了如下簡化。

（1）不考慮截面橫坡的影響。

（2）不考慮溫度的影響。

（3）施工臨時(shí)托架簡化成只受壓力的彈性支座。

全橋模型采用空間桿系單元建立[8]，其中鋼主梁和混凝土橋面板分別賦予各自截面特性和材料特性，并用梁單元模擬，最后將鋼主梁單元和混凝土橋面板單元進(jìn)行剛性連接[9]；小縱梁、橫梁、懸臂梁、橋塔都用梁單元模擬；斜拉索采用恩斯特公式修正的等效桁架單元模擬。全橋單元共計(jì)889個(gè)，其中鋼主梁單元222個(gè)，鋼橫梁單元146個(gè)，小縱梁單元109個(gè)，懸臂梁單元146個(gè)，混凝土橋面板單元150個(gè)，拉索單元64個(gè)，索塔單元50個(gè)。全橋有限元模型如圖2所示。

3 施工過程模擬

全橋共劃分為126個(gè)施工階段，先后順序?yàn)椋哼M(jìn)行索塔、過渡墩施工；架設(shè)0#、1#梁段臨時(shí)托架，并在托架上完成0#、1#梁段施工；進(jìn)入對稱施工，對稱安裝第1臺橋面吊機(jī)，完成2#梁段施工；對稱安裝至15#梁段；安裝16#梁段，完成邊跨合龍；主跨單懸臂施工至主跨合龍；二期施工。其中，標(biāo)準(zhǔn)梁段施工順序依次是：安裝鋼主梁；第1次張拉斜拉索；吊裝橋面板；澆筑橋面板濕接縫；濕接縫達(dá)到一定強(qiáng)度后，第2次張拉斜拉索；安裝下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段。

4 計(jì)算分析

該橋施工階段較多，限于篇幅，取施工過程中3個(gè)典型階段進(jìn)行分析，即最大雙懸臂施工階段、最大單懸臂施工階段和橋面鋪裝施工階段。這3個(gè)施工階段基本代表各構(gòu)件出現(xiàn)最不利受力時(shí)的工況，雖然不排除個(gè)別構(gòu)件的某截面在其他工況下可能會出現(xiàn)最不利受力，但分析結(jié)果不失一般性[10]。

4.1 施工過程中鋼主梁內(nèi)力

鋼主梁是疊合梁斜拉橋主要承重構(gòu)件之一，其在施工中的內(nèi)力情況直接決定斜拉橋施工中的安全。為此，本文給出主梁最大壓、拉應(yīng)力等值線，如圖3、4所示，典型工況下鋼主梁上、下緣最大應(yīng)力值及出現(xiàn)位置見表1。

由圖3、4可知：鋼主梁應(yīng)力比較均勻，只有索塔附近的鋼主梁應(yīng)力呈“刺狀”，這是由拉索索力的豎向分力引起的；另外，主梁最大拉應(yīng)力為129 MPa，最大壓應(yīng)力為127.66 MPa，均小于容許應(yīng)力（203 MPa），滿足規(guī)范要求。

由表1可得，鋼主梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在最大雙懸臂施工階段塔梁固結(jié)處，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在橋面鋪裝施工階段0#梁段左右邊緣處，且各施工工況下最大拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)位置基本相同。塔梁固結(jié)處附近出現(xiàn)最大拉、壓應(yīng)力是由于采用塔梁固結(jié)體系，第1對索間距（30 m）較大，但索力不大，因此在施工中應(yīng)密切關(guān)注此處。

4.2 施工過程中橋面板內(nèi)力

由于疊合梁斜拉橋施工中混凝土橋面板比較脆弱，因此除了分析3種典型階段外，本文還對邊跨合龍和主跨合龍施工階段進(jìn)行分析。同樣僅給出鋼主梁在施工階段發(fā)生最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的等值線，如圖5、6所示。

由圖5、6可知，施工階段混凝土橋面板應(yīng)力比較均勻，上、下翼緣基本受壓?；炷翗蛎姘迳稀⑾乱砭壴谑┕るA段中最大壓應(yīng)力為948 MPa，最大拉應(yīng)力為152 MPa，其中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在主跨合龍施工階段中合龍段附近。典型階段混凝土橋面板上、下翼緣最大拉應(yīng)力及出現(xiàn)位置見表2。

在最大雙懸臂、邊跨合龍施工工況中懸臂端板出現(xiàn)拉應(yīng)力，這是由于在懸臂拼裝施工時(shí)將吊機(jī)荷載簡化為集中力作用在主梁上，而實(shí)際施工中吊機(jī)荷載是以局部面荷載形式作用在主梁上，應(yīng)力比計(jì)算值小。

圖7為主跨邊緣處橋面板應(yīng)力的變化曲線，可以看出，截面拉應(yīng)力在主跨合龍段混凝土板生效后會急劇增加。這是由于混凝土橋面板形成一個(gè)整體，混凝土收縮、徐變引起拉應(yīng)力增長。但隨著橋面預(yù)應(yīng)力鋼束施工完成，拉應(yīng)力呈下降趨勢，原因是預(yù)應(yīng)力鋼束的軸向壓力抵消了部分橋面板收縮、徐變和彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力。圖8為主跨合龍段橋面板和17#橋面板交接處應(yīng)力的變化曲線，可以看出，其截面拉應(yīng)力在17#橋面板施工過程中有所增加，其后的幾個(gè)施工階段拉應(yīng)力不變，直到主跨合龍過程，應(yīng)力增加較快，在主跨合龍完成時(shí)應(yīng)力最大，隨后應(yīng)力呈下降趨勢。

4.3 施工過程中索塔內(nèi)力

本模型未考慮塔橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束的影響，因此只對塔柱進(jìn)行分析。表3為典型施工階段主塔應(yīng)力最大值，可知主塔在3種典型施工階段下最大壓應(yīng)力的出現(xiàn)位置在塔橫梁和塔柱交接處，而不在塔底。其原因是：雖然塔底彎矩最大，但塔底截面也是最大，這就增大了抗彎剛度。其最大壓應(yīng)力為11.49 MPa，出現(xiàn)在橋面鋪裝施工階段，位于塔橫梁和塔柱交接處，壓力值在規(guī)范容許值范圍內(nèi)，塔柱沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.4 施工過程中拉索內(nèi)力

最大雙懸臂、最大單懸臂和橋面鋪裝施工工況下斜拉索的應(yīng)力分布情況如圖10～12所示。

5 結(jié) 語

通過Midas有限元軟件對某鋼混疊合梁斜拉橋進(jìn)行施工階段靜力分析，得出該橋主梁、橋面板、索塔、斜拉索在3種典型施工階段下的應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的靜力性能滿足安全要求，但對各個(gè)階段下可能出現(xiàn)的最不利受力狀態(tài)，在施工中應(yīng)密切關(guān)注。

（1）塔梁固結(jié)體系斜拉橋的鋼主梁最大拉、壓應(yīng)力基本都出現(xiàn)在塔梁固結(jié)處附近。在施工前應(yīng)充分考慮多種不利荷載，避免施工臨時(shí)荷載的變更引起不安全因素。

（2）在懸臂拼裝施工過程中，吊機(jī)荷載會引起懸臂端板出現(xiàn)拉應(yīng)力 ，因此應(yīng)嚴(yán)格控制懸臂端臨時(shí)荷載的大小。

（3）在合龍段施工中，其附近橋面板拉應(yīng)力過大，故在合龍段前2～3個(gè)梁段施工階段時(shí)應(yīng)明確施工作業(yè)的作用體系，對于出現(xiàn)不可避免的臨時(shí)荷載，應(yīng)更新模型并給出安全意見，及時(shí)進(jìn)行物理和幾何測量。

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[責(zé)任編輯：高 甜]