傾斜式拱形鋼塔斜拉橋施工力學(xué)性能分析

王文強(qiáng) ，王佐才,2，辛宇

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省土木工程防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230009）

1 工程概況

滁來全快速通道某斜拉橋橋跨布置為（102+55）m，全長(zhǎng)157m，為塔梁墩固結(jié)體系，主橋總體布置，如圖1所示。主梁主跨為扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，長(zhǎng)102m，邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)55m；主梁鋼—混結(jié)合段長(zhǎng)5.5m，其中2m為混凝土區(qū)域，3.5m為鋼箱梁階梯承壓過渡區(qū)域。主塔下塔柱為混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱采用傾斜式拱形鋼塔結(jié)構(gòu)，拱塔軸線在順橋向與垂直面呈10°夾角。上塔柱斷面為鋼箱結(jié)構(gòu)，鋼拱塔部分又分上、下無(wú)索區(qū)及中塔柱有索區(qū)，下塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。下塔柱至鋼—混結(jié)合段頂面高為19.0m，上塔柱高為52.5m，整個(gè)拱塔垂直高度為71.5m。拱塔內(nèi)外邊緣為橢圓形，塔頂處的截面高度為3.2m，下塔柱橫橋向截面高度漸變，由3.995m變化至塔根部的6.0m，下塔柱與塔柱鋼混結(jié)合段之間采用承壓板和預(yù)應(yīng)力方式連接。全橋共設(shè)置18對(duì)斜拉索，布置方式采用空間扇形雙索面，拉索在索塔上間距為2.5m，鋼箱梁上的間距為9.0m，混凝土梁間距為4.5m。

圖1 鋼拱塔斜拉橋總布置圖（單位：cm）

2 主橋施工步驟

2.1 主梁施工

斜拉橋主梁采用鋼—混組合梁構(gòu)造，邊跨55m混凝土梁采用滿堂支架現(xiàn)澆施工，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%之后，開始分批張拉縱向和橫向預(yù)應(yīng)力筋。當(dāng)混凝土主梁施工完成后，開始架設(shè)主跨鋼箱梁段。鋼箱梁采用少支架原位拼裝施工工藝，拼裝方式為對(duì)稱拼裝，并在A節(jié)段實(shí)現(xiàn)鋼箱梁合龍，鋼箱梁分段示意圖，如圖2所示。在鋼箱梁架設(shè)過程中，為了不影響河道通航能力，鋼箱梁A—A節(jié)段采用無(wú)支架懸臂拼裝，懸拼總長(zhǎng)為27m，該部分施工為本次鋼混組合梁施工的重點(diǎn)內(nèi)容，在有限元模擬中，應(yīng)對(duì)懸臂段鋼箱梁的力學(xué)性能進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖2 主跨鋼箱梁縱向分段示意圖

2.2 鋼拱塔施工

主塔施工分為上塔柱施工和下塔柱施工。下塔柱鋼筋混凝土部分采用現(xiàn)澆施工，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%之后，開始安裝鋼—混結(jié)合段。采用承壓板和預(yù)應(yīng)力的方式將下塔柱與鋼混結(jié)合段進(jìn)行連接。上部鋼拱塔部分由下至上共劃分21個(gè)節(jié)段，合攏段為第22節(jié)段，鋼拱塔分段示意圖，如圖3所示。鋼拱塔采用原位吊裝加焊裝方式施工，待施工到第一根斜拉索時(shí)，為防止鋼拱塔偏位，確保安裝精度及施工安全性，將鋼箱梁側(cè)第一根斜拉索張拉至10%設(shè)計(jì)值。此外，當(dāng)鋼拱塔施工到第三個(gè)斜拉索處，同樣將鋼箱梁側(cè)第三根斜拉索張拉至10%設(shè)計(jì)值，以平衡主塔水平方向受力。待主塔施工到第16節(jié)段時(shí)，在主塔中間設(shè)置一道水平橫撐，防止拱塔懸臂端發(fā)生橫向變形。待鋼拱塔合攏后，張拉所有斜拉索至設(shè)計(jì)索力值的60%，支架拆除后再?gòu)埨崩髦?00%設(shè)計(jì)值。鋼拱塔施工過程力學(xué)性能分析是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

圖3 鋼拱塔分段示意圖

3 主橋施工過程有限元分析

3.1 建立模型

本文利用MIDAS Civil軟件，建立該傾斜式鋼拱塔斜拉橋的有限元模型，將全橋劃分為659個(gè)節(jié)點(diǎn)，505個(gè)單元，其中斜拉索利用桁架單元進(jìn)行模擬，主梁和鋼拱塔利用三維空間梁?jiǎn)卧M。拱塔、橫梁及主梁之間采用剛性連接模擬塔梁墩固結(jié)體系，主塔與斜拉索及主梁與斜拉索之間采用剛性連接。主橋邊界條件設(shè)置：主塔塔底采用固定支座模擬，主跨鋼箱梁及邊跨混凝土采用豎向支座連接。依據(jù)主橋設(shè)計(jì)資料，邊跨主梁及下塔柱混凝土采用C50混凝土，主跨鋼箱梁采用Q325q鋼材，鋼拱塔采用Q345型鋼，斜拉索彈性模量取1.95MPa×10MPa，泊松比取0.3，容重取78.5kN/m，鋼材及斜拉索線膨脹系數(shù)均取為1.2×10。有限元模型，如圖4所示。

圖4 斜拉橋計(jì)算模型

3.2 荷載參數(shù)

橋梁荷載包括永久荷載和可變荷載。永久荷載分為自重及橋面鋪裝，混凝土主梁橋面鋪裝為99.23 kN/m3，鋼主梁橋面鋪裝為73.78 kN/m3。可變荷載分為活載及溫度荷載，主橋活載設(shè)計(jì)為城—A級(jí)，按雙向8車道計(jì)算，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》執(zhí)行。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》確定鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度取T=20℃，橋梁整體升降溫，如表1所示；主梁有鋪裝層情況下，梯度溫度按照英國(guó)BS5400規(guī)范規(guī)定取值，拱塔梯度溫度考慮塔柱正面溫差5℃，負(fù)面溫差-5℃影響。

3.3 施工階段劃分

依據(jù)章節(jié)2中主梁及鋼拱塔的施工步驟，將主橋進(jìn)行施工階段劃分，并利用有限元模型對(duì)各主要施工階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形進(jìn)行分析，計(jì)算模型中施工階段劃分，如表2所示。

4 施工過程力學(xué)性能分析

按照所建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的因素主要考慮梁段的自重、施加的預(yù)應(yīng)力和混凝土收縮徐變以及溫度的變化等。通過對(duì)施工過程中各階段的橋梁狀態(tài)進(jìn)行分析得到施工過程中的相關(guān)控制因素，斜拉橋的最終成橋需經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜施工過程，以及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過程，對(duì)施工過程中的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析，是橋梁施工控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。因此，本研究結(jié)合該斜拉橋的施工特點(diǎn)，分別對(duì)主梁、鋼拱塔在16個(gè)主要施工階段的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，為該類型斜拉橋施工控制提供重要參考。

4.1 鋼混組合梁施工過程應(yīng)力分析

基于有限元模型，對(duì)鋼混組合梁在主要施工階段的應(yīng)力及變形進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別如圖5(a)-5(b)所示。對(duì)于邊跨混凝土部分，由于采用滿堂支架現(xiàn)澆施工，結(jié)構(gòu)在施工過程中的整體受力較為均勻，當(dāng)主梁預(yù)應(yīng)力鋼束按設(shè)計(jì)值張拉完成之后，混凝土主梁表現(xiàn)為全截面受壓，最大壓應(yīng)力為-10.4MPa，符合設(shè)計(jì)要求。主跨鋼箱梁采用少支架懸臂拼裝施工工藝，在主跨鋼箱梁合龍之前，主梁最大懸臂端A-A長(zhǎng)度為11.4m，上頂板最大拉應(yīng)力為5.7MPa，上頂板最大壓應(yīng)力-9.5MPa。在跨中鋼箱梁合龍過程中，為防止鋼箱梁段A節(jié)段發(fā)生傾覆，通過模型對(duì)合龍工況進(jìn)行抗傾覆分析。通過模型計(jì)算結(jié)果可知，A梁段傾覆力矩為43524kN·m，節(jié)段抗傾覆力矩為 77997kN·m，抗 傾 覆 系 數(shù) K=77997kN·m/43524kN·m=1.79>1.3，滿足規(guī)范要求。在斜拉索張拉至60%設(shè)計(jì)值時(shí)，主梁壓應(yīng)力明顯增大，表現(xiàn)為全截面受壓，最大壓應(yīng)力為-19.0MPa；在拆除主梁支架后，主跨鋼箱梁在自重作用下產(chǎn)生正彎矩。此時(shí)，上頂板壓應(yīng)力增加至-15.2MPa，底板最大壓應(yīng)力為-19.2MPa。當(dāng)斜拉索張拉完畢后，上緣壓應(yīng)力達(dá)到最大值，為-39.9MPa。在二期鋪裝后，上、下緣壓應(yīng)力有所下降，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上頂板，為-31.4MPa。由圖5（a）可知，邊跨混凝土主梁在鋼混結(jié)合段安裝后，由于縱向預(yù)應(yīng)力筋的張拉，主梁截面上下底板迅速增加至-9.1MPa和-10.6MPa；當(dāng)二期鋪裝完后，混凝土主梁截面上下緣應(yīng)力分別為-9.4MPa和-10.8MPa。由圖5（b）所示，當(dāng)斜拉索100%張拉時(shí)，主跨鋼箱梁截面上下頂板壓應(yīng)力到達(dá)最大，分別為-39.9MPa和-21.7MPa；成橋階段，在鋪裝荷載的作用下，鋼箱梁截面壓應(yīng)力較上一施工階段有所降低，最大壓應(yīng)力為-30.1MPa。綜上所述，在主梁鋼—混結(jié)合段安裝時(shí)，應(yīng)對(duì)邊跨混凝土梁的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)；在主跨鋼箱梁施工過程中，對(duì)跨中合龍時(shí)的抗傾覆計(jì)算以及斜拉索100%張拉時(shí)的主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)應(yīng)成為該橋施工控制的重要內(nèi)容之一。

整體升降溫（單位：℃） 表1

施工階段劃分表 表2

圖5 主梁最大應(yīng)力圖

4.2 鋼拱塔應(yīng)力及變形分析

主塔施工過程力學(xué)性能分析是本研究分析的重點(diǎn)內(nèi)容，考慮到在施工過程中，主塔鋼混結(jié)合段為鋼拱塔施工的關(guān)鍵受力截面，因此，本文利用建立的斜拉橋模型對(duì)鋼混結(jié)合段的四個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。其中，測(cè)點(diǎn)1#、4#位于拱塔西側(cè)，即鋼箱梁側(cè)；測(cè)點(diǎn)2#、3#位于拱塔東側(cè)，即混凝土梁側(cè)。經(jīng)過有限元分析，塔底四個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，在結(jié)構(gòu)自重作用下，鋼拱塔整個(gè)施工過程均表現(xiàn)為全截面受壓。在斜拉索初張拉前，鋼拱塔應(yīng)力偏小，計(jì)算應(yīng)力值均小于-10.0MPa。當(dāng)斜拉索初張拉完成后，主梁結(jié)構(gòu)自重通過斜拉索傳遞給鋼拱塔，此時(shí)拱塔2#、3#測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力增加最為明顯，3#測(cè)點(diǎn)發(fā)生最大壓應(yīng)力，為-6.7MPa。待拆除支架階段，拱塔1#、4#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增加最為明顯，這是因?yàn)樵诓鸪髁褐Ъ苤螅捎诨炷林髁鹤灾剌^大，主塔發(fā)生向混凝土側(cè)的偏位，使得鋼箱梁側(cè)斜拉索索力增大，從而引起拱塔1#和4#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增加，此時(shí)，鋼塔截面最大壓應(yīng)力仍發(fā)生在3#測(cè)點(diǎn)，最大值為-40.9 MPa。在二期鋪裝后，塔底4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力值均達(dá)到最大，最大壓應(yīng)力發(fā)生在3#測(cè)點(diǎn)處，最大值-49.4MPa。

圖6 塔底截面位置及應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)

圖7 拱塔塔底應(yīng)力測(cè)點(diǎn)計(jì)算值

此外，在鋼拱塔原位拼裝過程時(shí)，由于拱軸線與垂直面呈10夾角，隨著拱塔懸臂端長(zhǎng)度的增加，拼裝節(jié)段在縱橋向和橫橋向分力作用下，會(huì)產(chǎn)生偏位，從而影響拱塔的施工坐標(biāo)定位。為了消除由于結(jié)構(gòu)自重引起的水平分力，采用提前張拉斜拉索和增設(shè)橫向支撐的方式，確保主塔線形與設(shè)計(jì)線形保持一致。對(duì)于主塔縱橋向偏位問題，經(jīng)有限元計(jì)算，在未施加Z斜拉索之前，拱塔在水平分力作用下，向混凝土側(cè)偏移了2.6 mm。為保證上部鋼拱塔的安裝精度，經(jīng)計(jì)算，將Z和Z斜拉索分別施加10%的初拉力后，水平分力總和為1082.7kN，在水平分力作用下，施工過程中鋼拱塔的偏位始終控制在1cm以內(nèi)，保證縱橋向安裝精度滿足要求。對(duì)于橫橋向偏位問題，經(jīng)有限元模型計(jì)算，在主塔施工至16節(jié)段時(shí)，在未增設(shè)橫向支撐時(shí)，拱塔節(jié)段橫向最大偏位為4.3 mm，增加橫向支撐后，主塔最大橫向偏位為1.1mm，確保鋼拱塔的橫向安裝線形。待主塔合龍之后，在100%斜拉索索力作用下，主塔塔頂最大縱向偏位為38.5mm，偏向混凝土梁測(cè)。在二期鋪裝作用下，主跨鋼箱梁產(chǎn)生的縱向水平分力為43334.6kN，大于混凝土梁側(cè)水平分力，為30221.4kN，使鋼拱塔縱向偏位降低為26.9mm。

4.3 索力分析

斜拉索作為斜拉橋的重要受力構(gòu)件，合理的索力值對(duì)斜拉橋成橋后的內(nèi)力分布具有重要影響。根據(jù)有限元模型，以設(shè)計(jì)索力為目標(biāo)值，利用正裝迭代法計(jì)算出合理的成橋索力，計(jì)算索力值與設(shè)計(jì)索力值對(duì)比分別如表3和圖8所示。斜拉索沿鋼拱塔向梁端依次進(jìn)行編號(hào)，主跨鋼箱梁側(cè)斜拉索編號(hào)依次為Z～Z，邊跨混凝土梁側(cè)斜拉索編號(hào)依次B～B。由表3可知，模型計(jì)算索力與設(shè)計(jì)成橋索力基本一致，相對(duì)誤差均控制在2%以內(nèi)，說明有限元模型能夠準(zhǔn)確地用于施工過程計(jì)算。此外，由索力分布結(jié)果可知，鋼箱梁側(cè)Z最大，為5200kN，Z最小，為2108kN，混凝土梁側(cè) B最大，為 4996kN，B最小，為1718kN；同時(shí)可得到Z和B索力差值百分?jǐn)?shù)分別為-1.06%和-1.11%，索力變化相對(duì)較大，施工中應(yīng)注意控制。

圖8 計(jì)算索力值與設(shè)計(jì)索力值對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文以滁來全快速通道某斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用有限元模擬對(duì)傾斜式鋼拱塔斜拉橋施工過程力學(xué)性能進(jìn)行分析，本研究結(jié)合主橋施工工藝，對(duì)主橋進(jìn)行施工階段劃分，并對(duì)施工過程中的主梁、鋼拱塔及斜拉索的受力進(jìn)行計(jì)算分析，經(jīng)分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的力學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。在對(duì)傾斜式鋼拱塔進(jìn)行節(jié)段拼裝施工時(shí)，利用預(yù)先張拉斜拉索和增設(shè)橫向支撐的方式消除由于節(jié)段自重產(chǎn)生的偏位，對(duì)鋼拱塔的安裝精度控制尤其重要。本文的研究成果可為同類型斜拉橋的施工控制提供參考。

計(jì)算索力與設(shè)計(jì)索力對(duì)標(biāo)結(jié)果 表3