基于受力和位移計(jì)算分析的獨(dú)塔斜拉橋換索順序選擇

陶小委 劉海寬 付志方

摘 要：本文應(yīng)用MIDAS/Civil對(duì)某斜拉橋兩種換索施工順序進(jìn)行模擬，并對(duì)兩種換索順序過(guò)程中斜拉索索力、主梁和主塔的位移與受力進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析顯示，對(duì)于該橋采用由主塔向兩側(cè)依次更換斜拉索的正序施工方案更為合理。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;換索順序;應(yīng)力;位移

中圖分類號(hào)：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）01-0082-04

Research on the Order of Cable Replacement of Cable-stayed Bridge

TAO Xiaowei1，2 LIU Haikuan1，2 FU Zhifang1，2

（1.Henan Transportation Research Institute Co. ，Ltd.， Zhengzhou Henan 450015;2.Highway Bridge Safety Inspection and Reinforcement Technology Transportation Industry Research and Development Center，Zhengzhou Henan 450015）

Abstract： MIDAS/Civil was used to simulate the construction sequence of two cable-stayed bridges， and the cable tension， the displacement of the main beam and the main tower and the force of the main cable were compared and analyzed. The analysis showed that it was more reasonable to use the positive sequence construction scheme for the bridge.

Keywords： cable-stayed bridge;order of cable replacement;stress;displacement

斜拉橋在長(zhǎng)期使用后，受外界環(huán)境影響或車輛碰撞，斜拉索會(huì)產(chǎn)生PE護(hù)套開(kāi)裂、斜拉索錨頭銹蝕、鋼絲銹蝕或斷裂等病害。病害產(chǎn)生原因主要有斜拉索防護(hù)體系不過(guò)關(guān)、施工導(dǎo)致的拉索防護(hù)體系缺陷、斜拉索檢查養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)?。?dāng)橋梁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在斜拉索內(nèi)高強(qiáng)鋼絲銹蝕、拉索錨頭及螺母嚴(yán)重銹蝕、拉索疲勞斷絲等病害時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行斜拉索更換，以保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。斜拉索更換是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要管養(yǎng)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控等多個(gè)單位協(xié)同配合進(jìn)行，合理的換索施工方案應(yīng)使換索過(guò)程橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移變化值較小，且在控制范圍以內(nèi)，以確保換索施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全。斜拉索的更換一般存在兩種施工順序，即正序更換和逆序更換。其中，正序更換為由主塔向兩邊逐對(duì)依次更換，逆序更換為由兩側(cè)向主塔逐對(duì)依次更換。本文以某斜拉橋換索工程為例，利用有限元軟件對(duì)兩種換索施工順序進(jìn)行計(jì)算分析，并分別對(duì)斜拉索、主梁及主塔等受力和位移結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定斜拉橋的合理?yè)Q索施工順序。

1 工程項(xiàng)目概況

某獨(dú)塔斜拉橋建成于1997年，位于我國(guó)中部某省，橋跨布置為60m+90m，設(shè)計(jì)為塔、梁、墩固結(jié)的單索面混凝土斜拉橋，橋梁立面布置如圖1所示。橋梁90m跨主梁為單箱雙室混凝土箱梁，60m跨為實(shí)心混凝土梁，梁高均為1.8m，橋面全寬19m，90m跨主梁橫斷面如圖2所示。橋梁主塔、主梁設(shè)計(jì)采用50號(hào)混凝土，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-超20級(jí)，掛車-120。全橋共設(shè)12對(duì)，24根斜拉索，舊索為標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度[fpk]=1 670MPa的低松弛鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲索，本次更換的新索為抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度[fpk]=1 770MPa的低松弛鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲索[1]。

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主跨索：Z1-Z12]

圖1 橋梁立面布置圖（單位：cm）

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼OYN9YSS@}SU45D0F$NOKV2X.png>[橋梁中心線][1.5%][1.5%][25][25][17][17][17][520][30][375][575][50][1 900][30][520][575][375]

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

2 有限元計(jì)算模型

如圖3所示，應(yīng)用橋梁有限元軟件MIDAS/Civil建立橋梁的計(jì)算模型，主梁、主塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索采用索單元進(jìn)行模擬，邊界條件按橋梁施工階段實(shí)際情況進(jìn)行模擬。計(jì)算模型對(duì)兩種換索順序分別進(jìn)行施工階段分析，并以設(shè)計(jì)成橋索力為最終控制目標(biāo)，施工過(guò)程中新?lián)Q斜拉索一次張拉到位，有限元模擬施工步驟如表1所示。

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圖3 全橋有限元模型

表1 有限元模擬施工步驟

[正序施工 逆序施工 施工

步驟 模擬施工內(nèi)容 施工

步驟 模擬施工內(nèi)容 1 卸載并拆除舊索B1、Z1 1’ 卸載并拆除舊索B12、Z12 2 安裝并張拉新索B1、Z1 2’ 安裝并張拉新索B12、Z12 …… …… …… …… 23 卸載并拆除舊索B12、Z12 23’ 卸載并拆除舊索B1、Z1 24 安裝并張拉新索B12、Z12 24’ 安裝并張拉新索B1、Z1 ]

3 張拉千斤頂?shù)倪x擇

斜拉橋換索工程針對(duì)每一對(duì)斜拉索，要先進(jìn)行舊索卸載，再進(jìn)行新索張拉。以設(shè)計(jì)成橋索力為目標(biāo)，考慮斜拉索一次張拉到位，進(jìn)行正裝迭代計(jì)算，將兩種換索順序下的舊索卸載索力和新索張拉索力進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如下。

①對(duì)于舊索的拆除，正序施工與逆序施工所需的最大張拉力分別為4 489kN與4 647kN，且均為斜拉索B12;正序施工與逆序施工所需的最小張拉力分別為2 079kN與1 908kN，分別為斜拉索Z11與B2[2]。

②對(duì)于新索的張拉，正序施工與逆序施工所需的最大張拉力分別為4 415kN與4 308kN，且均為斜拉索B12;正序施工與逆序施工所需的最小張拉力分別為2 069kN與2 131kN，且均為斜拉索Z4。

為保證千斤頂在斜拉索上施加張拉力的準(zhǔn)確性，在千斤頂?shù)倪x擇上，應(yīng)盡量使每根斜拉索的張拉控制力只達(dá)到所用千斤頂允許能力的50%～85%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，正序施工與逆序施工選擇500t千斤頂進(jìn)行舊索拆卸和新索張拉，均能滿足使用要求，兩種施工方式對(duì)千斤頂噸位選擇無(wú)差異。

4 主梁、主塔的位移與受力

4.1 主梁位移與受力

選擇在施工過(guò)程中撓度較大的主跨1/2L截面，將兩種換索順序下的撓度進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。從表2可知，逆序施工過(guò)程中跨1/2L截面撓度普遍小于正序施工，其各施工階段的撓度平均為正序施工換索撓度的88%。其中，正序施工過(guò)程中，撓度最大值出現(xiàn)在施工步驟13拆除B7、Z7號(hào)斜拉索時(shí)，其累計(jì)撓度最大值為-127.2mm[3]。

表2 主跨1/2L截面各計(jì)算施工步驟累計(jì)撓度

[正序施工 逆序施工 施工

步驟 主梁位移/mm 施工步驟 主梁撓度/mm 施工

步驟 主梁撓度/mm 施工

步驟 主梁位移/mm 1 -69.2 13 -127.2 1’ -87.4 13’ -89.7 2 -64.1 14 -86.4 2’ -69.1 14’ -52.9 3 -72.1 15 -122.0 3’ -88.7 15’ -81.8 4 -64.5 16 -83.5 4’ -69.6 16’ -59.3 5 -80.1 17 -109.9 5’ -90.2 17’ -83.3 6 -67.9 18 -77.8 6’ -66.2 18’ -66.1 7 -93.1 19 -96.6 7’ -92.6 19’ -82.5 8 -76.3 20 -73.2 8’ -60.6 20’ -68.6 9 -109.7 21 -90.9 9’ -93.1 21’ -77.9 10 -84.9 22 -71.4 10’ -56.4 22’ -68.8 11 -125.8 23 -91.3 11’ -92.9 23’ -73.5 12 -85.5 24 -70.8 12’ -55.1 24’ -67.8 ]

注：負(fù)值為向下，正值為向上。

由于主跨1/2L截面的撓度在各施工步驟中較大，因此該截面底板的受力變化也應(yīng)成為重點(diǎn)控制的內(nèi)容。將兩種換索施工順序下的主跨1/2L截面底板應(yīng)力計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，兩種換索順序下的主梁主跨1/2L截面底板應(yīng)力并未表現(xiàn)出明顯差異。

綜合主梁撓度和受力分析，兩種換索施工順序中主梁在主跨1/2L截面位置底板應(yīng)力值較為接近，但由于正序施工換索過(guò)程中撓度值較逆序施工偏大，因此，單從主梁撓度控制角度分析，對(duì)于該斜拉橋，采用逆序施工換索具有一定優(yōu)勢(shì)。

4.2 主塔偏位與受力

主塔偏位是換索施工過(guò)程中需要重點(diǎn)控制的內(nèi)容之一。在塔頂預(yù)設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)比正序施工與逆序施工換索兩種施工順序下的主塔塔頂偏位，計(jì)算數(shù)據(jù)如表4所示。由于斜拉橋換索導(dǎo)致的主塔偏位主要體現(xiàn)在橋梁縱橋向上，因此表中僅列出橋塔沿縱橋向方向上的偏位。由表4數(shù)據(jù)可知，主塔偏位在兩種換索順序中表現(xiàn)出巨大的差異，在順橋向方向上，逆序施工換索的偏位值明顯大于正序換索，平均是正序換索偏位值的2.69倍，各施工步驟平均比正序換索偏位值大20.7mm[4]。

在換索施工過(guò)程中，除了需要關(guān)注主塔的偏位情況，還需要重點(diǎn)關(guān)注主塔根部的受力情況[5]。由表4可知，各施工步驟主塔偏位主要是偏向主跨一側(cè)，因此，計(jì)算主塔根部邊跨一側(cè)的應(yīng)力值，并將兩種換索順序下的主塔根部邊跨一側(cè)的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。從表5可知，正序換索過(guò)程中主塔根部邊跨一側(cè)的壓應(yīng)力儲(chǔ)備較逆序換索明顯偏大，平均是逆序換索應(yīng)力值的1.58倍。

綜合主塔偏位和受力分析，兩種換索施工順序中，從主塔偏位和受力控制角度考慮，針對(duì)此斜拉橋，正序換索具有決定性的優(yōu)勢(shì)[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)兩種換索施工順序進(jìn)行了施工階段模擬計(jì)算分析，對(duì)斜拉索、主梁及主塔的各控制截面位移和受力進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析。對(duì)于卸載和張拉斜拉索，正序施工與逆序施工選擇500t千斤頂均能滿足使用要求，兩種施工方式對(duì)千斤頂噸位選擇無(wú)差異;從主梁變形與受力角度來(lái)看，在主跨1/2L截面，兩種換索施工順序應(yīng)力相近，但逆序施工換索主梁撓度較小，對(duì)施工過(guò)程中主梁線形控制有利;而從主塔偏位及根部受力的角度來(lái)看，逆序施工的塔頂偏位值明顯大于正序換索，平均是正序施工的2.69倍，平均比正序換索偏位值大20.7mm，且正序換索過(guò)程中主塔根部邊跨一側(cè)的壓應(yīng)力儲(chǔ)備較逆序施工明顯偏大，平均是逆序換索應(yīng)力值的1.58倍。因此，針對(duì)該斜拉橋換索工程，建議采取由主塔向兩側(cè)依次更換的正序施工方案較為合理。

參考文獻(xiàn)：

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