非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋邊跨合龍受力性能影響研究

劉 兵 楊 錚 吳 杰 顏全勝

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋邊跨合龍受力性能影響研究

顏全勝(1968- )，男，教授

劉 兵 楊 錚 吳 杰 顏全勝

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

以廣東潮州大橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹了主橋邊跨合龍的施工方案，并按實(shí)際施工流程建立有限元模型模擬合龍各個(gè)階段，在施工過程中對(duì)主梁的標(biāo)高和應(yīng)力、主塔偏位及斜拉索索力等關(guān)鍵影響內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論吻合較好。

橋梁工程，混凝土斜拉橋，有限元模型，邊跨合龍

斜拉橋的邊跨合龍工作是斜拉橋施工過程中的關(guān)鍵步驟，隨著合龍工作的進(jìn)行，主梁的標(biāo)高和應(yīng)力、主塔偏位及斜拉索索力等關(guān)鍵影響內(nèi)容不可避免的會(huì)發(fā)生變化，為使斜拉橋的后續(xù)建設(shè)工作更加有序的進(jìn)行，需要在合龍過程中監(jiān)測(cè)關(guān)鍵項(xiàng)的變化情況，以便對(duì)于出現(xiàn)的偏離情況及時(shí)作出調(diào)整措施。徐劍楠等[1]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)主梁的標(biāo)高和應(yīng)力、主塔偏位及斜拉索索力進(jìn)行測(cè)量和分析，結(jié)果表明隨著合龍步驟的進(jìn)行，尾索索力呈降低趨勢(shì)，但未指出其他斜拉索索力的變化情況。胡正榮等[2]對(duì)合龍各階段的索力和標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量和控制，但未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比與分析。本文對(duì)斜拉橋邊跨合龍各階段主梁的位移、應(yīng)力、主塔偏位及斜拉索索力進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，并與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，得出了一些結(jié)論，希望能為今后同類橋梁的合龍工作提供參考。

1 邊跨合龍方案

1.1工程概況

潮州大橋?yàn)楠?dú)塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨度組合為(180+100+50)m，主塔高度105 m，為縱向A型、橫橋向門字形布置的混凝土結(jié)構(gòu)。主梁標(biāo)準(zhǔn)索距為7 m，密索區(qū)索距5 m，懸澆節(jié)段每7 m一個(gè)節(jié)段，0號(hào)塊長(zhǎng)38.4 m，邊跨59.3 m非懸澆部分采用鋼管支架現(xiàn)澆。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱三室結(jié)構(gòu)，橋面寬度30.5 m。根據(jù)主梁施工工藝的特點(diǎn)，最終采用牽索掛籃施工主梁箱梁節(jié)段。

潮州大橋的橋型布置圖、合龍段結(jié)構(gòu)圖及主梁橫斷面圖分別如圖1～圖3所示，斷面9和斷面10為主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面，M22-M1及S1-S22分別為主跨和邊跨斜拉索編號(hào)，H1-H36為主梁節(jié)段編號(hào)，其中H35為邊跨合龍段，H1為主跨現(xiàn)澆段，H36為邊跨現(xiàn)澆段。

1.2合龍方案

邊跨合龍段長(zhǎng)度為1.5 m、重72 t，為了方便施工且考慮安全性，直接將邊跨掛籃前移3.6 m，利用掛籃作為合龍段的作業(yè)平臺(tái)。由于兩側(cè)掛籃都重達(dá)140 t，且邊跨行走掛籃的同時(shí)主跨掛籃保持不動(dòng)，并且未給予一定配重，因此在合龍各個(gè)階段對(duì)斜拉索、主塔及主梁的各個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)的監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要，邊跨合龍施工流程如圖3所示。

在合龍段施工之前，先對(duì)整天的氣溫進(jìn)行觀察和記錄，并在一天中溫度最低時(shí)鎖定合龍口兩端勁性骨架，然后按等重量配重[3]的原則在兩側(cè)各配置重量為合龍段一半的水袋，并對(duì)稱于主梁中心線。在合龍段進(jìn)行澆筑時(shí)將水袋中的水以重量等同于混凝土澆筑的速度向外排放，以保證合龍段兩端始終處于平衡狀態(tài)，以避免對(duì)已澆混凝土的擾動(dòng)，從而保證合龍段混凝土的澆筑質(zhì)量。同時(shí)要使合龍段施工的時(shí)間段處于一天中氣溫最低的時(shí)間段，以保證混凝土在最初養(yǎng)護(hù)的時(shí)間里氣溫處于上升狀態(tài)，從而使合龍段混凝土處于受壓狀態(tài)，直到達(dá)到一定強(qiáng)度。

2 理論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1有限元模型

在施采用Midas/Civil建立全橋有限元模型，全橋共714個(gè)節(jié)點(diǎn)，627個(gè)單元，其中主梁、主塔及掛籃采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬，共劃分為230個(gè)施工階段。索梁及索塔間采用彈性連接中的剛性約束，主梁與橋墩之間在實(shí)際約束位置采用一般約束。全橋有限元模型如圖4所示。

2.2主梁位移控制

斜拉橋施工過程中不確定因素眾多，并且混凝土澆筑時(shí)超重的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為了使主梁的位移能夠在安全合理的范圍內(nèi)，需要對(duì)主梁位移進(jìn)行控制。由于邊跨合龍后主梁標(biāo)高的波動(dòng)量很小，很難再對(duì)主梁線形進(jìn)行調(diào)整，于是邊跨合龍與主跨合龍前懸臂狀態(tài)位移的控制對(duì)于主梁線形的控制就顯得尤為重要。另外，主塔偏位的產(chǎn)生也會(huì)使兩側(cè)主梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而影響主梁位移，所以主塔偏位也需要進(jìn)行控制。合龍過程中主梁豎向位移與主塔偏位的對(duì)比如圖5所示。

為方便比較，在圖5中將所有起點(diǎn)位移值歸為零，在邊跨合龍階段的第二步，邊跨掛籃向前行走3.6 m，主跨掛籃保持不動(dòng)，由于邊跨掛籃重達(dá)140 t，邊跨側(cè)主梁H34端頭在邊跨掛籃移動(dòng)后變形較大，實(shí)測(cè)其變形值達(dá)到10 mm，但由于主塔在縱橋向的抗彎剛度較大，所以掛籃的移動(dòng)對(duì)主塔偏位的影響較?。辉诤淆堧A段的第三步，勁性骨架鎖定，合龍段兩側(cè)各配重36 t，澆筑合龍段的同時(shí)保持兩側(cè)配重同步卸載，直至合龍段澆筑完成。在合龍過程的各個(gè)階段，實(shí)測(cè)值與理論值在趨勢(shì)上比較吻合。

2.3索力控制

斜拉索是斜拉橋在建設(shè)過程中以及成橋以后的重要承重構(gòu)件，是施工中控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，斜拉索索力控制的精準(zhǔn)度直接影響主梁的受力狀態(tài)、位移以及中軸線偏位，同時(shí)索塔的橫向、縱向位移以及扭轉(zhuǎn)程度也會(huì)受到不同程度的影響。

影響矩陣法通過廣義影響矩陣將目標(biāo)函數(shù)與索力變量聯(lián)系起來，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而快速得到滿足要求的索力值[4]，因此該斜拉橋成橋索力和合理施工階段索力都采用影響矩陣法進(jìn)行計(jì)算，成橋索力如圖6所示。為了保證混凝土澆筑和掛籃受力的安全性，主梁每節(jié)段分兩次進(jìn)行澆筑，斜拉索分三次進(jìn)行張拉。合龍階段斜拉索索力的變化與主梁的受力密切相關(guān)，該斜拉橋邊跨合龍各階段實(shí)測(cè)與理論邊跨索力變化見圖7。

為使圖形更加清楚的反映出實(shí)測(cè)索力的變化規(guī)律，圖7中的索力值取為上下游索力平均值。在邊跨合龍之后，相對(duì)于11號(hào)索終拉后的索力，邊跨S1-S6索力有所下降，編號(hào)越靠近S1索力下降越多，相反S7-S11索力上升，并且編號(hào)越靠近S11索力上升越多，這是因?yàn)閼覞捕闻c現(xiàn)澆段合龍成為整體前，合龍段一直是以荷載的形式作用在主梁上，直到進(jìn)入并保持真正意義上的合龍狀態(tài)，所以越靠近尾索，懸澆段端頭下?lián)显蕉?，同時(shí)索力也就增加越多。由于懸澆段端頭下?lián)?，主塔也向邊跨?cè)發(fā)生輕微傾斜，同時(shí)斜拉橋具有一定的柔度，這就使得邊跨主梁以編號(hào)為S6的位置為中心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，靠近S11處下?lián)戏仍酱?，靠近S1處上撓幅度越大，所以呈現(xiàn)出以S6為中心，向兩側(cè)索力變化值逐漸增大。當(dāng)卸下邊跨掛籃時(shí)，邊跨索力都出現(xiàn)不同程度的下降，由于越靠近輔助墩主梁豎向變形越小，同時(shí)邊跨掛籃靠近輔助墩，所以主梁反彈最大的位置并不是邊跨跨中，也不是編號(hào)為S11的斜拉索處，而是偏向跨中一些的S9處，由此處向兩側(cè)延伸，索力的變化量逐漸減小。實(shí)測(cè)索力與理論索力誤差較小，大部分索力誤差控制在3%以內(nèi)，少部分索力誤差控制在4%以內(nèi)，同時(shí)在合龍各階段，實(shí)測(cè)索力與理論索力的變化趨勢(shì)吻合較好。

3 結(jié)語

本文以廣東潮州大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了邊跨合龍?duì)主塔偏位、斜拉索索力和主梁撓度與應(yīng)力的影響，得出以下主要結(jié)論。

1)由于主塔沿主橋縱向的抗彎剛度較大，所以邊跨合龍時(shí)主梁端頭撓度與主塔偏位關(guān)聯(lián)性并不大，在邊跨合龍的各個(gè)階段主塔偏位變化較小，而主梁懸澆段端頭撓度相對(duì)較大。

2)邊跨完成合龍之后，跨中斜拉索索力變化較小，越靠近長(zhǎng)索，索力增加越多，越靠近短索，索力減小越多。

[1] 徐劍楠,夏爭(zhēng)志,杜鵬剛,等.混凝土斜拉橋大跨度合龍施工控制研究[J].中外公路，2016(3)：168-172.

[2] 胡正榮,汪躍武.獨(dú)塔四索面空間異形斜拉橋施工控制技術(shù)分析[J].中外公路，2015(1)：155-160.

[3] 張新志,張永水,朱慈祥,等.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋中跨合龍段配重方法探討[J].施工技術(shù)，2008(2)：90-92.

[4] 楊 興,張 敏,周水興.影響矩陣法在斜拉橋二次調(diào)索中的應(yīng)用[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(3)：508-511.

Researchonimpactofthemechanicsperformanceofsidespanclosureforasymmetricsinglepyloncable-stayedbridge

LiuBingYangZhengWuJieYanQuansheng

(SchoolofCivilEngineeringandTransportation，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，China)

Based on the engineering background of the Chaozhou bridge in Guangdong, this paper introduces the construction scheme of the side span closure of main bridge. According to the actual construction process, the finite element model is established to simulate the closure of all stages. In the process of construction, the key influence content, such as elevation and stress of main girder, deviation of main tower and cable force, are monitored and the measured results are coincident with the theoretical values.

bridge engineering, concrete cable-stayed bridge, finite element model, side span closure

1009-6825(2017)29-0161-02

2017-08-03

劉 兵(1993- )，男，在讀碩士； 楊 錚(1989- ),男,在讀博士; 吳 杰(1988- ),男,在讀博士；

U448.27

A