混合梁斜拉橋合理索力及施工索力計(jì)算分析

楊炎炎，王安東

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵成(創(chuàng)新)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

0 引言

隨著新材料的不斷研發(fā)應(yīng)用以及橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算水平的逐步提高，橋梁工程的結(jié)構(gòu)形式變得多種多樣.各種新材料及異形橋梁結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況變得更為復(fù)雜，從一定程度上增加了橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度與施工難度.為了確保橋梁工程在各施工階段都能安全精確地進(jìn)行，需要技術(shù)人員在施工前對(duì)橋梁各個(gè)階段反復(fù)地進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算與變形計(jì)算[1].本文利用正裝迭代法找到1組斜拉索在施工過(guò)程中張拉力的數(shù)值，使斜拉橋的成橋索力與合理索力盡可能地接近，以滿足設(shè)計(jì)要求.

1 工程概況

海東大道一號(hào)橋?yàn)?158+45+40)m的獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋，主跨為158 m鋼箱梁，輔跨為(45+40)m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主塔高107 m.全橋共24對(duì)斜拉索，采用雙索面扇形布置形式(見(jiàn)圖1).材料具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，主要荷載及取值見(jiàn)表2，依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行最不利荷載組合.

圖1 斜拉橋總體布置(單位：m)

表1 主要材料

表2 主要荷載及取值

在斜拉橋的設(shè)計(jì)中，合理成橋狀態(tài)是評(píng)判斜拉橋設(shè)計(jì)成功與否的最關(guān)鍵因素[2].斜拉橋在荷載明確且結(jié)構(gòu)形式不變的條件下，以斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為控制條件，通常能夠找到1組索力值使各控制截面的內(nèi)力達(dá)到相對(duì)最優(yōu)的狀態(tài)，則該組索力值也就是該斜拉橋的合理成橋索力[3-4].

2 建立有限元模型

采用Midas Civil有限元分析軟件建立了海東大道一號(hào)橋有限元模型，對(duì)全橋有限元模型進(jìn)行離散化之后，全橋有限元模型共有節(jié)點(diǎn)354個(gè)，單元267個(gè)，海東大道一號(hào)橋有限元模型如圖2所示.

圖2 有限元模型

3 確定斜拉橋合理索力

改進(jìn)的零位移法:基于零位移法，同時(shí)結(jié)合影響矩陣法來(lái)求得更加合理的成橋索力值[5].在海東大道一號(hào)橋合理索力計(jì)算過(guò)程中，首先基于零位移法，以主梁上斜拉索在主梁錨固點(diǎn)位置為位移控制點(diǎn)，調(diào)整索力值使主梁各控制點(diǎn)在恒載作用下對(duì)應(yīng)的位移為零，這樣就可以計(jì)算出1組初始索力值[6]，接下來(lái)控制量為主梁與主塔截面彎矩值，通過(guò)影響矩陣法來(lái)調(diào)整斜拉索的索力值，進(jìn)而得到1組使成橋內(nèi)力狀態(tài)最為優(yōu)的索力值[7].改進(jìn)的零位移法的主要技術(shù)路線如圖3所示[8]，表3為在結(jié)構(gòu)恒載作用下利用該方法計(jì)算的該斜拉橋的合理成橋索力值.

圖3 改進(jìn)的零位移法分析流程

表3 斜拉橋合理成橋索力

根據(jù)表3數(shù)據(jù)對(duì)斜拉橋進(jìn)行1次成橋計(jì)算，可得到海東大道一號(hào)橋在目標(biāo)成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖4所示.

(a) 彎矩(單位：kN·m)

(b) 剪力(單位：kN)

(c) 軸力(單位：kN)圖4 目標(biāo)成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由表3以及圖4可以看出：

1) 該橋的成橋索力相對(duì)較均勻，同時(shí)斜拉索索力值呈現(xiàn)出長(zhǎng)索索力值大、短索索力值小的規(guī)律，符合斜拉橋合理受力狀態(tài)索力值變化規(guī)律；

2) 主梁彎矩圖接近彈性支撐條件下連續(xù)梁的彎矩圖，即該組索力值能夠使主梁受力狀態(tài)滿足斜拉橋主梁合理受力狀態(tài)的一般規(guī)律；

3) 主塔根部彎值大小處在相對(duì)很低的水平，即該組索力值在此非對(duì)稱斜拉橋結(jié)構(gòu)中使主塔根部達(dá)到合理受力狀態(tài)；

4) 通過(guò)驗(yàn)算得到各危險(xiǎn)截面的應(yīng)力都處于設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，同時(shí)鋼箱梁-混凝土箱梁-鋼索塔-混凝土索塔4部分所受的峰值內(nèi)力相對(duì)比較均勻，說(shuō)明本斜拉橋在成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的受力情況較為合理.

4 確定張拉索力

本橋計(jì)算階段的劃分以施工單位的施工組織設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)橋梁實(shí)際施工情況，對(duì)該橋有限元模型共劃分為42個(gè)計(jì)算階段，依據(jù)正裝迭代法實(shí)現(xiàn)該橋的分階段仿真分析.得到1組初次張拉、二次張拉索力及計(jì)算成橋索力值數(shù)據(jù)，如表4所示.

表4 計(jì)算索力值

該橋成橋索力計(jì)算值同設(shè)計(jì)值得對(duì)比情況如圖5所示.

圖5 計(jì)算成橋索力與合理成橋索力對(duì)比

利用正裝迭代法得到的斜拉橋成橋索力值與設(shè)計(jì)值是比較接近的，二者相對(duì)偏差平均值1.04%，最大值2.41%；同時(shí)絕對(duì)誤差相差在100 kN以內(nèi).綜上可得在施工過(guò)程中按照上述施工工序及初次、二次索力張拉值，對(duì)斜拉索進(jìn)行張拉能夠使海東大道一號(hào)橋的成橋索力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求.

在按照表4中的張拉索力值對(duì)斜拉索進(jìn)行張拉后，利用頻率法以及本橋中預(yù)設(shè)的壓力傳感器(壓力環(huán))對(duì)斜拉索索力值進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)索力值與設(shè)計(jì)索力值偏差在±5%以內(nèi)，滿足工程要求.利用頻率法測(cè)試索力值過(guò)程如圖6所示.

圖6 頻率法測(cè)試索力過(guò)程

5 結(jié)論

1) 通過(guò)改進(jìn)的零位移法確定斜拉橋合理索力，使結(jié)構(gòu)受力合理，斜拉橋的整體內(nèi)力處于一個(gè)相對(duì)優(yōu)良的水平.

2) 通過(guò)正裝迭代原理確定斜拉橋張拉索力，為斜拉橋的安全施工以及成橋受力狀態(tài)能夠達(dá)到合理受力狀態(tài)提供有效保障.

3) 利用有限元分析軟件通過(guò)正裝計(jì)算得到斜拉橋成橋索力，成橋索力與合理索力誤差在允許范圍內(nèi)，即通過(guò)正裝迭代法獲得的索力張拉值是合理的.