轉(zhuǎn)體斜拉橋索力的確定研究

趙康、方正

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽 550000）

1 轉(zhuǎn)體斜拉橋索力確定方法

1.1 概述

從結(jié)構(gòu)理論來講，斜拉橋合理成橋索力的確定只需對(duì)成橋狀態(tài)下的橋梁進(jìn)行分析計(jì)算而不用考慮施工過程。實(shí)際成橋索力則與斜拉橋的施工方法及步驟有關(guān)，為達(dá)到實(shí)際成橋索力與合理成橋索力的一致，通常需進(jìn)行索力調(diào)整。斜拉索張拉次數(shù)會(huì)影響工程施工效率，如何既能減少張拉次數(shù)又能確保橋梁滿足受力要求是斜拉橋建設(shè)過程中面臨的問題之一。目前，施工中主要采用“一次張拉法”和“兩次張拉法”進(jìn)行索力張拉。

目前，斜拉橋合理索力的理論確定方法主要有：最小彎曲應(yīng)變能法、無應(yīng)力狀態(tài)控制法、影響矩陣法、應(yīng)力平衡法等。以下主要介紹影響矩陣法[1]。

1.2 影響矩陣法

應(yīng)用影響矩陣法確定斜拉橋索力需要定義受調(diào)向量、被調(diào)向量及影響向量。

受調(diào)向量：斜拉橋n個(gè)拉索調(diào)整值組成的列向量，定義為：

被調(diào)向量：為了改變整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形等指標(biāo)，可以被調(diào)整的n個(gè)未知索力組成的列向量，定義為：

式（2）中：xi=()i=1,2,3,...,n為被調(diào)截面的位移或者內(nèi)力。

影響向量：斜拉橋體系索力組中某個(gè)索力發(fā)生單位變化，造成其他索力的變化值組成的向量，定義為：

影響矩陣：斜拉橋體系索力組中n個(gè)索力發(fā)生單位變化，引起其他n個(gè)索力變化的影響向量組成的矩陣，定義為：

假設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)適用線性疊加原理，則有：

式（5）中：[A]為影響矩陣；{X} 為被調(diào)向量；[B]為受調(diào)向量。

影響矩陣的計(jì)算是應(yīng)用影響矩陣法的關(guān)鍵，矩陣中的元素對(duì)應(yīng)斜拉索的應(yīng)力、變形量等[2]。

目前求影響矩陣的方法主要有：修改總剛度矩陣法、基于強(qiáng)迫變形的影響矩陣法和基于結(jié)構(gòu)連續(xù)變更生成影響矩陣法。

對(duì)于斜拉橋索力確定，需要分別去掉每根斜拉索，然后沿拉索方向用單位力代替，由于每次去掉一根斜拉索，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之變化，因此需要多次計(jì)算[3]。

2 斜拉橋轉(zhuǎn)體前索力確定

2.1 張拉次數(shù)確定

斜拉橋的索力對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有著直接影響。因此，確定施工階段中索力的張拉大小以及張拉次數(shù)是施工的關(guān)鍵。斜拉索張拉次數(shù)應(yīng)盡可能少，但要保證在張拉過程中主梁與主塔的應(yīng)力在控制范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象[4]。

實(shí)際施工中，一般采用“一次張拉法”或“兩次張拉法”進(jìn)行拉索的張拉。以某市政轉(zhuǎn)體斜拉橋?yàn)槔?/p>

首先采取“一次張拉法”進(jìn)行有限元仿真分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用“一次張拉法”，斜拉橋結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)的受力是合理的，但在施工階段，斜拉索逐根張拉會(huì)導(dǎo)致主梁被拉起脫離支架，主梁局部出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象。因此，在施工過程中必須采取有效措施防止出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象。

目前，消除施工階段出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象的方法主要有三種。

一是在斜拉索張拉之前，在主梁上進(jìn)行臨時(shí)配重，待張拉完之后再逐步進(jìn)行卸載。但該措施在實(shí)際施工中不易操作，且配重耗資耗力耗時(shí)，卸載過程也不易控制。

二是通過專門配置預(yù)應(yīng)力筋來抵消張拉過程中產(chǎn)生的不利應(yīng)力。但是，在斜拉索張拉完之后，多余配置的預(yù)應(yīng)力筋將不起任何作用，甚至起到反作用。

三是采用“兩次張拉法”，即第一次張拉到設(shè)計(jì)索力的75%左右，待斜拉橋二期恒載等鋪裝完畢后，再進(jìn)行第二次張拉至設(shè)計(jì)索力。該辦法操作簡單，不需要配置多余的預(yù)應(yīng)力和配重措施，只需要對(duì)斜拉索進(jìn)行兩次張拉操作。

因此，經(jīng)過綜合考慮，最終決定采取“兩次張拉法”對(duì)斜拉索進(jìn)行張拉的施工方案。

2.2 初張索力的取值優(yōu)化

該轉(zhuǎn)體斜拉橋采用“兩次張拉法”進(jìn)行調(diào)索。第一次張拉是在橋梁轉(zhuǎn)體前且主梁在滿堂支架上澆筑完畢并張拉預(yù)應(yīng)力后進(jìn)行。此時(shí)，輔助墩已施工完畢，其上方預(yù)留空間為60cm，其中，支座需40cm，墊層約10cm，楔形塊最高處約10cm，因此，轉(zhuǎn)體過程中主梁梁端標(biāo)高需進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)體梁不能順利通過輔助墩。為防止主梁在轉(zhuǎn)體過程中被輔助墩限制，本文在確保主梁不出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象的前提下，對(duì)比分析了初張索力為設(shè)計(jì)索力的60%、70% 和80%時(shí)的主梁線形（見表1），并確定最優(yōu)的初張索力。

表1 不同初張索力對(duì)主梁梁端撓度影響

由表1 數(shù)據(jù)可知：初張索力值分別為設(shè)計(jì)值的60%、70% 和80% 時(shí)，輔助墩側(cè)梁端豎向撓度值分別為-48.9cm、-41.2cm、-33.4cm，即在確保主梁不出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象的前提下，初張索力值越大，主梁撓度越小。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，為確保主梁轉(zhuǎn)體成功，理論上可采取如下兩種方案。

方案1：對(duì)主梁中跨側(cè)梁端進(jìn)行配重，在輔助墩墩頂處預(yù)留足夠的空間讓轉(zhuǎn)體梁通過，不同的初張索力值，轉(zhuǎn)體前主梁的配重方案也不同。

方案2：橋梁在轉(zhuǎn)體前不安裝輔助墩支座，待轉(zhuǎn)體成功后，再在輔助墩處搭設(shè)支架，利用頂推法安裝輔助墩支座。

方案2 由于采用頂推法安裝輔助墩支座，施工空間有限而難以保證施工質(zhì)量，因此不建議采納。而方案1 采用主梁配重的方法，由上述計(jì)算結(jié)果可知，初張索力越大，配重越小，因此，該橋建議采用初張索力取設(shè)計(jì)索力的80%（見圖1、圖2）。

圖1 60%設(shè)計(jì)索力轉(zhuǎn)體前主梁撓度

圖2 80%設(shè)計(jì)索力轉(zhuǎn)體前主梁撓度

2.3 初張索力后與實(shí)測索力對(duì)比

該橋初張索力為設(shè)計(jì)索力的80%。將該初張索力代入有限元模型中進(jìn)行正裝計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：在16 對(duì)斜拉索張拉過程中，主梁、主塔均未出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象。索力張拉完之后，采用頻率法對(duì)索力進(jìn)行實(shí)測，索力編號(hào)如圖3 所示，結(jié)果如圖4 和表2 所示。

圖3 斜拉索編號(hào)示意圖（t）

圖4 主塔南側(cè)初張后索力與初張索力對(duì)比圖（t）

表2 主塔初張后實(shí)測與初張索力對(duì)比

3 斜拉橋轉(zhuǎn)體成橋后終張索力調(diào)整

轉(zhuǎn)體前，主梁與主墩處于臨時(shí)固結(jié)狀態(tài)，轉(zhuǎn)體完成后，解除臨時(shí)固結(jié)，對(duì)橋梁進(jìn)行合龍、橋面鋪裝等作業(yè)。橋梁體系經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)換，因此，橋梁的受力狀態(tài)和索力均發(fā)生變化。橋梁進(jìn)行第二次張拉的目的是使實(shí)際索力值達(dá)到設(shè)計(jì)索力的100%，為此，利用影響矩陣法對(duì)索力進(jìn)行調(diào)整。

該橋共64 對(duì)斜拉索，因此，索力的影響矩陣為64×64 階，成橋后斜拉索第二次張拉完畢的實(shí)測索力與設(shè)計(jì)索力對(duì)比如表3 所示。成橋后斜拉索第二次張拉完畢的實(shí)測索力與設(shè)計(jì)索力對(duì)比如圖5 所示。可見，二次張拉結(jié)束后，橋梁的實(shí)測索力與設(shè)計(jì)索力接近，誤差在±5% 內(nèi)，滿足規(guī)范要求，橋梁受力狀態(tài)良好。

圖5 主塔南側(cè)二次張拉完畢索力對(duì)比（t）

表3 主塔二次張拉完畢實(shí)測索力與設(shè)計(jì)索力對(duì)比

4 結(jié)論

通過上述對(duì)于斜拉橋轉(zhuǎn)體前后索力的理論方法介紹和與實(shí)際施工實(shí)測索力的對(duì)比，得到以下結(jié)論。

第一，確定斜拉橋合理索力采用影響矩陣法可滿足實(shí)際施工需要，切實(shí)可行。

第二，斜拉索索力對(duì)轉(zhuǎn)體斜拉橋受力狀態(tài)及配重方案影響較大。對(duì)于轉(zhuǎn)體斜拉橋，若采用“一次張拉法”將導(dǎo)致施工過程中主梁出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象，不建議采用。若采用“兩次張拉法”，初張索力合理取值宜為設(shè)計(jì)索力的80%，能確保主梁不出現(xiàn)超應(yīng)力現(xiàn)象且使轉(zhuǎn)體不受輔助墩限制，配重也較輕；轉(zhuǎn)體成橋后，采用影響矩陣法進(jìn)行索力第二次張拉，結(jié)果表明，該方法準(zhǔn)確有效，實(shí)測索力與設(shè)計(jì)索力誤差在±5%內(nèi)。