超寬異形獨(dú)塔斜拉橋施工結(jié)構(gòu)分析

■吳 帥

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 烏魯木齊 830000)

橋梁結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代交通系統(tǒng)的重要組成部分，其中斜拉橋具有跨度大、自重輕、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。近年來(lái)，斜拉橋整體跨徑越來(lái)越大， 城市大寬幅景觀橋的使用上也越來(lái)越多。 因此，施工結(jié)構(gòu)分析是保障橋梁安全施工的重要措施。 橋梁的施工結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容包含了施工過(guò)程中涉及的溫度、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變等影響因素和橋梁的大跨和掛籃施工的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[5-6]。結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)更好地保證橋梁的施工順利。 本文以湖北省孝感市老澴河景觀橋梁工程天仙南路橋?yàn)楸尘?，采用MIDAS/CIVIL 建立全橋數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1 工程概況

本文以孝感市天仙南路橋?yàn)楣こ瘫尘?，其橋型為跨?25+35+45+35)m 的超寬獨(dú)塔斜拉橋。斜拉索布置在橋梁中心線處，上部結(jié)構(gòu)主梁采用變截面混凝土箱梁，采用C50 混凝土，采用水中插打鋼管樁，上鋪貝雷梁法一次整體現(xiàn)澆。主梁橫向布置為：3.5 m(人行道)+4 m(拉索區(qū))+8.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+8.5 m(機(jī)動(dòng)車道)+4 m(拉索區(qū))+ 3.5 m(人行道)。

橋梁主塔采用變截面異形主塔， 截面為矩形，塔高54.5 m，主塔下端接承臺(tái)，主塔上部?jī)煞种g采用系梁連接。 主塔采用C40 混凝土，主塔承臺(tái)采用C30 混凝土[7]。

全橋共設(shè)置36 根拉索， 拉索關(guān)于主梁中心線對(duì)稱布置。 為方便分析，將順橋向左側(cè)拉索編號(hào)為：ZA1～ZA9，ZB1～ZB9， 右側(cè)拉索編號(hào)為YA1～YA9，YB1～YB9，橋梁總體布置圖如圖1 所示。

圖1 橋梁總體布置圖

2 有限元分析

主梁采用的是超寬幅混凝土箱梁，由于寬幅較大，故采用梁格法建模。 索塔采用實(shí)體單元模擬，主塔是異形塔。 拉索為受拉壓構(gòu)件，由于在施工過(guò)程中要給斜拉索施加預(yù)拉力，本橋中斜拉索可以采用桁架單元模擬，建模過(guò)程中，與索塔單元以節(jié)點(diǎn)相連接， 與主梁實(shí)際接觸部分采用剛性連接進(jìn)行連接，并且對(duì)主梁和斜拉索實(shí)際接觸的地方按設(shè)計(jì)資料里面的要求進(jìn)行加強(qiáng)，防止在有限元計(jì)算時(shí)局部應(yīng)力過(guò)大[8-10]。

邊界條件的模擬方式為： 在箱梁兩端的支座位置將順橋向(x 方向)，橫向(y 方向)，豎向(z 方向)的位移進(jìn)行約束。 在對(duì)橋梁各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行建模之后，最后將各構(gòu)件進(jìn)行約束連接，形成全橋的有限元模型[11](圖2)。

圖2 全橋有限元計(jì)算模型

3 各施工階段受力分析

3.1 主梁結(jié)構(gòu)分析

工況1：在自重作用下混凝土箱梁位移云圖，梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖分別如圖3～4 所示， 其最大位移為-15.65 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉應(yīng)力為4.70 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大壓應(yīng)力為6.95 MPa，位于第二、第三支座處。

圖3 混凝土箱位移云圖

工況2： 在二期恒載作用下混凝土箱梁位移云圖，梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖分別如圖5～6 所示，其最大位移為-1.27 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉應(yīng)力為0.37 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大壓應(yīng)力為0.55 MPa，位于第二、第三支座處。

圖4 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

圖5 主梁位移云圖

圖6 主梁應(yīng)力云圖

工況3： 在活載作用下混凝土箱梁位移云圖，梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖分別如圖7～8 所示， 其最大位移為-2.12 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉應(yīng)力為1.8 MPa， 位于第一、 第三支座處， 最大壓應(yīng)力為14.86 MPa，位于第三支座處。

工況4：混凝土收縮徐變后，混凝土箱梁位移云圖，梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖分別如圖9～10 所示，其最大位移為-5.68 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，位于第一、第三支座處，最大壓應(yīng)力為10.4 MPa，位于第三支座處。

圖7 混凝土箱梁位移云圖

圖8 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

圖9 混凝土箱梁位移云圖

圖10 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

工況5：在成橋+活載工況下，混凝土箱梁位移云圖，梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖分別如圖11～12 所示，其最大位移-20.56 mm，位于主梁第四跨跨中，最大拉應(yīng)力為1.81 MPa，位于第一、第三支座處，最大壓應(yīng)力為14.86 MPa，位于第三支座處。

圖11 混凝土箱梁位移云圖

圖12 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

由以上5 種工況所計(jì)算出的位移及應(yīng)力結(jié)果可知， 主梁成橋最大位移為最終拉應(yīng)力1.81 MPa，略小于主梁采用的C50 混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.83 MPa。最大壓應(yīng)力14.86 MPa，小于C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftcd=22.4 MPa。因此主梁應(yīng)力滿足安全要求。

3.2 斜拉索內(nèi)力變化分析

斜拉索在不同工況下的內(nèi)力大小如表1 所示。

表1 在不同工況下斜拉索內(nèi)力(單位：N)

續(xù)表(單位：N)

由表1 可以看出，左右兩側(cè)相對(duì)應(yīng)的斜拉索內(nèi)力相差不大，且在恒載和成橋狀態(tài)下的拉索內(nèi)力較小，平均為24 N 和40 N，說(shuō)明這2 種工況下拉索幾乎不受力的作用。 總體荷載加上活載后，拉索內(nèi)力明顯變大，平均為5553 N。在MIDAS 軟件有限元模擬計(jì)算下，斜拉索最大內(nèi)力為8.05 kN，設(shè)計(jì)斜吊桿成橋內(nèi)力最大為10 kN，與設(shè)計(jì)值相差19.5%，計(jì)算結(jié)果誤差不大。 最大內(nèi)力出現(xiàn)在YB8 拉索上，相對(duì)ZB8 的內(nèi)力也較大，為了使橋梁在正常工作狀態(tài)下所有斜吊桿所受拉力基本接近，降低斜吊桿最大拉力值的峰值，保證在橋梁正常工作時(shí)各斜吊桿都在安全范圍內(nèi)， 應(yīng)該合理地調(diào)整YB8、ZB8 斜拉索的初拉力。

4 結(jié)論

本文以湖北省孝感市老澴河天仙南路橋?yàn)楣こ瘫尘埃?以結(jié)構(gòu)有限元仿真計(jì)算為基礎(chǔ)， 采用MIDAS/CIVIL 結(jié)構(gòu)有限元分析軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型，對(duì)該橋梁在各個(gè)施工階段的受力狀態(tài)進(jìn)行了研究和分析，具體結(jié)論如下：

(1)針對(duì)超寬幅的橋梁結(jié)構(gòu)，由于在橋梁寬度方向位移和應(yīng)力狀態(tài)都不一樣，所以在建立有限元分析模型時(shí)， 混凝土箱梁使用梁格法進(jìn)行模擬分析，斜拉索則采用只受拉壓力的桁架單元或者索單元進(jìn)行模擬。

(2) 對(duì)于具有斜拉索的橋梁在施工過(guò)程中一般要對(duì)橋梁的斜拉索施加初拉力，斜拉索施加初拉力的同時(shí)，橋梁整體結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力重分布，所以在施工階段要進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和分析，避免在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力與理論值相差較大，影響橋梁的正常使用。

(3) 在結(jié)構(gòu)有限元模型建立之后要聯(lián)系實(shí)際施工中出現(xiàn)的誤差對(duì)各參數(shù)進(jìn)行修正，避免在指導(dǎo)施工時(shí)出現(xiàn)較大誤差，影響施工的正常進(jìn)行。

(4) 在測(cè)試橋梁斜拉索內(nèi)力時(shí)要注意對(duì)斜拉索的邊界條件及斜拉索的長(zhǎng)度進(jìn)行綜合考慮，對(duì)于短拉索采用頻率法計(jì)算得知的斜拉索內(nèi)力誤差是比較大的，所以在計(jì)算后要對(duì)其加以修正。

(5) 針對(duì)結(jié)構(gòu)有限元軟件邁達(dá)斯在不同施工階段計(jì)算的結(jié)構(gòu)具體內(nèi)力和位移進(jìn)行分析，并計(jì)算得到結(jié)構(gòu)施工各關(guān)鍵階段位移與應(yīng)力均能滿足要求。