中山小欖水道特大橋斜拉橋索力計算

陳 凱 余賢賓

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

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中山小欖水道特大橋斜拉橋索力計算

陳 凱 余賢賓

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

介紹了中山小欖水道特大橋的工程概況和施工順序，針對中山小欖水道特大斜拉橋?yàn)閷挿克鲯旎@施工的特點(diǎn)，總結(jié)了模型建立與斜拉索索力計算理論方法，為同類斜拉橋的設(shè)計和監(jiān)控計算模擬積累了經(jīng)驗(yàn)。

斜拉橋,牽索掛籃,索力計算,計算模型

1 橋梁概況

中山小欖水道特大橋?yàn)殡p塔雙索面半漂浮體系混凝土梁斜拉橋，跨徑布置為125.0 m+250.0 m+125.0 m，橋面寬度35.5 m。主塔為H形，高94.768 m。全橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁結(jié)構(gòu)，梁高3.0 m。斜拉索采用雙索面扇形布置，平行鋼絞線索主塔兩側(cè)各分布20對 160根斜拉索。主梁劃分為以下梁段：主塔下橫梁附近0號梁段長8 m(對稱于主塔墩中心線向兩側(cè)各4 m)，采用支架現(xiàn)澆施工；邊、中跨1號～12號梁段為標(biāo)準(zhǔn)梁段，中跨13號～20號梁段為標(biāo)準(zhǔn)梁段，長為6 m，除邊、中跨1號梁段采用支架現(xiàn)澆以外，其余標(biāo)準(zhǔn)梁段均采用掛籃懸澆施工；邊跨現(xiàn)澆段長36.73 m，采用支架現(xiàn)澆施工；邊、中跨合龍段長為2 m，采用吊架現(xiàn)澆施工。中山小欖水道斜拉橋立面圖見圖1。

2 監(jiān)控計算方法

橋梁施工過程是一個結(jié)構(gòu)體系和荷載分布不斷變化、結(jié)構(gòu)內(nèi)力不斷重分布的過程，要得到合理的成橋狀態(tài)就必須余下確定合理的施工順序和張拉索力。而混凝土結(jié)構(gòu)的收縮、徐變效應(yīng)更使問題變得復(fù)雜。因此，準(zhǔn)確的對每個施工步驟進(jìn)行模擬；計算出合理的施工張拉索力是施工監(jiān)控的主要計算工作。在監(jiān)控過程中對預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行識別、修正也是監(jiān)控后期的重要工作。

3 模型建立及介紹

3.1 模型離散介紹

本次全橋模擬計算采用Midas Civil平面桿系單元建立，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造設(shè)計對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。模型共劃分210個梁單元，180個塔單元(不包括樁基)，160個斜拉索(桁架單元)單元，共計1 435個節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)模型做了如下簡化:1)主塔樁基按照固結(jié)考慮；2)斜拉索按照實(shí)際錨點(diǎn)建立，通過彈性連接與主梁、主塔連接；3)結(jié)構(gòu)縱向截面突變位置采用梁單元荷載或節(jié)點(diǎn)荷載補(bǔ)足重量。計算模型簡圖如圖2所示。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

主梁C60混凝土容重取26 kN/m3，Midas Civil默認(rèn)25 kN/m3，故設(shè)置1.04的自重系數(shù)。斜拉索采用1860鋼絞線，斜拉索受力面積按照實(shí)際受力面積等效為單位圓計算，實(shí)際換算見表1。

表1 斜拉索等效受力面積換算表

3.3 施工步驟模擬

主塔施工為翻模施工，主梁結(jié)構(gòu)施工主要分為0號、1號支架現(xiàn)澆施工，牽索掛籃施工和邊跨現(xiàn)澆段滿堂支架施工。

牽索掛籃施工工藝為：

1)掛籃行走、錨固到位，標(biāo)定立模標(biāo)高。

2)將斜拉索錨固至掛籃上，第一次張拉到位。

3)編織鋼筋網(wǎng)，澆筑一半混凝土。

4)斜拉索二次張拉。

5)澆筑圖2另一半混凝土。

6)混凝土張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

7)掛籃體系轉(zhuǎn)換，第三次張拉斜拉索。

4 斜拉索力計算要點(diǎn)步驟及結(jié)果

4.1 計算理論基本介紹

本橋施工索力計算時采用了倒拆—正裝迭代的復(fù)合方法。由于混凝土收縮、徐變的特性，倒拆—正裝必然有不閉合的情況出現(xiàn)。常用的倒拆—正裝法通過多次往返迭代消除不閉合，然而計算量較大，實(shí)際操作也較為繁瑣。

由于斜拉橋的成橋狀態(tài)和施工息息相關(guān)，倒拆模型獲得主梁應(yīng)力狀態(tài)差異較大；故倒拆模型優(yōu)先控制合理成橋索力。通過對倒拆獲得的施工索力的迭代優(yōu)化，來調(diào)整主梁的施工應(yīng)力狀態(tài)和成橋應(yīng)力狀態(tài)。

本橋設(shè)計為牽索掛籃施工工藝，施工張拉索力在澆筑過程中分三次張拉到位；全橋合龍后，全橋調(diào)索。一般來說減少斜拉索張拉次數(shù)可以減少施工單位工作量，縮短施工工期。然而超過平衡現(xiàn)有主梁重量所需的斜拉索力，必然會使主梁承擔(dān)一定的負(fù)彎矩；一方面主梁在成橋狀態(tài)中的負(fù)彎矩儲備是在施工過程中逐步形成的，另一方面混凝土不宜長期在受拉狀態(tài)下工作。故施工索力的確定需要不斷的迭代優(yōu)化計算。

4.2 全橋模型中的牽索掛籃模擬必要性

本橋?yàn)槿菑?fù)合牽索掛籃，根據(jù)有限元計算理論，在實(shí)際模型中必須考慮牽索掛籃和橋梁結(jié)構(gòu)的耦合作用，將牽索掛籃建到模型中。

在不同的節(jié)段中通過Midas Civil的激活鈍化功能實(shí)現(xiàn)掛籃的移動。施工階段模擬考慮掛籃和單純通過荷載模擬，將得到完全不同的成橋線形[2]，見圖3。

5 全橋?qū)嶋H索力計算結(jié)果

相比于設(shè)計索力，算得成橋十年狀態(tài)下的索力均值最大差值在±3%以內(nèi)。從結(jié)果趨勢上看，短索偏差相對較大，長索偏差較??；其原因在于短索索力小，長索索力大，雖然偏差比例不同，但是實(shí)際誤差值較為穩(wěn)定可控，見圖4。

6 結(jié)語

1)斜拉橋牽索掛籃施工工藝復(fù)雜，受斜拉索張拉力和張拉方案、施工荷載、梁段重量、混凝土收縮徐變、溫度和預(yù)應(yīng)力影響，施工監(jiān)控難度較大；因此必須對每個施工階段進(jìn)行精確劃分，準(zhǔn)確計算；施工過程中發(fā)現(xiàn)誤差及時調(diào)整。

2)斜拉橋索力模型建立時，必須要將掛籃模型建入整體模型；并準(zhǔn)確模擬掛籃的重量、剛度和支反力。

3)采用倒拆—正裝迭代的復(fù)合方法的斜拉橋索力計算方法有良好的精度，在中等跨徑斜拉橋索力計算上計算效果較好。

[1] 林啟輝.深圳灣斜塔斜拉橋施工監(jiān)控計算[A].第十三屆全國工程建設(shè)計算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集[C].2006:527-531.

[2] 韓大建，蘇 成，王衛(wèi)峰.崖門大橋施工監(jiān)控的技術(shù)流程與主要成果[J].橋梁建設(shè)，2003(1):5-8.

The stayed cable force calculation on Zhongshan Xiaolan waterway super bridge

Chen Kai Yu Xianbin

(Civil Engineering and Transportation School, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

This paper introduced the engineering general situation and construction sequence of Zhongshan Xiaolan waterway super bridge, according to the Zhongshan Xiaolan waterway super bridge with width, cable stayed hanging basket construction characteristics, summarized the theory method of modeling and cable-stayed cable force calculation, accumulated experience for the design and monitoring numerical simulation of similar cable-stayed bridge.

cable-stayed bridge, cable stayed hanging basket, cable force calculation, calculation model

1009-6825(2017)08-0159-02

2017-01-04

陳 凱(1991- )，男，在讀碩士

U448.27

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