基于梁格法的非對(duì)稱(chēng)斜拉橋施工階段索力分析

吳文杰，楊 凱

(1.甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢(xún)有限公司,甘肅 蘭州 730000; 2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展,各級(jí)公路的建設(shè)日趨完善,與此同時(shí),斜拉橋的建設(shè)也得到了空前的發(fā)展。學(xué)者們針對(duì)非對(duì)稱(chēng)斜拉橋的力學(xué)性能進(jìn)行了部分研究。但由于此類(lèi)斜拉橋?yàn)楦叽纬o定結(jié)構(gòu),受力復(fù)雜,施工階段索力監(jiān)測(cè)控制難度極大[1]。為此,本文以某非對(duì)稱(chēng)梁斜拉橋?yàn)槔?基于梁格法研究非對(duì)稱(chēng)斜拉橋的施工階段索力變化情況,為后續(xù)此類(lèi)斜拉橋的施工索力控制提供借鑒。

1 工程概況

某獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋主橋長(zhǎng)243 m,寬44 m。其主跨為158 m鋼箱梁,輔跨45+40=85 m為混凝箱梁,其中,鋼梁與混凝土梁之間通過(guò)鋼-混結(jié)合段連接;斜拉橋橋塔高度為107 m,斜拉索采用雙索面扇形布置[2]。橋梁立面布置如圖1所示。

2 有限元模型的建立

斜拉橋主梁為混合梁結(jié)構(gòu),鋼箱梁和混凝土箱梁皆為單箱九室,依據(jù)縱向梁格的劃分原則,將梁截面劃分為10片縱梁梁格,鋼箱梁部分梁格間距為3.3 m,混凝土箱梁梁格間距為5 m。梁格劃分如圖2,圖3所示。

采用Midas Civil 2022有限元軟件建立全橋空間模型,橋塔和主梁采用梁?jiǎn)卧?梁?jiǎn)卧? 565個(gè),斜拉索采用桁架單元,桁架單元48個(gè);混凝土梁(塔)和鋼梁(塔)以共節(jié)點(diǎn)的方式與剛混段連接。主墩的模擬類(lèi)似于混凝土塔[2]。建立的空間有限元模型如圖4所示。

3 施工階段索力分析

3.1 施工階段的劃分

根據(jù)非對(duì)稱(chēng)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范,本文斜拉橋的施工階段劃分如表1所示。

表1 橋梁施工階段劃分

3.2 施工索力計(jì)算分析

本橋拉索張拉分兩次張拉。第一次張拉控制目標(biāo)值為成橋索力的50%[3],二次張拉后要求達(dá)到除二期以外的索力[4]。

采用Midas Civil 2022有限元軟件中的差值迭代法來(lái)計(jì)算施工索力[5-6]。用差值法進(jìn)行正裝迭代計(jì)算施工索力時(shí),其流程圖見(jiàn)圖5。第二次施工索力迭代計(jì)算表見(jiàn)表2。

表2 第二次施工索力迭代計(jì)算表 kN

由表2可知,與設(shè)計(jì)索力值相比,初始計(jì)算得到的成橋索力誤差較大,最小誤差值為N9號(hào)索,其值為6.8 kN;誤差最大的為N12號(hào)索,其值為-239.1 kN,其他各斜拉索索力值介于二者之間,其原因主要是在有限元計(jì)算時(shí),初始索力值設(shè)置不同,其迭代結(jié)果所受影響也較大。隨著迭代次數(shù)的增加,其收斂速度放緩,計(jì)算耗時(shí)增加,經(jīng)過(guò)3次迭代后其誤差值出現(xiàn)減小趨勢(shì),經(jīng)過(guò)10次迭代計(jì)算后,有限元所得成橋索力值與設(shè)計(jì)成橋索力值基本一致,最小誤差值為S5號(hào)索,其值為0.2 kN;誤差最大的為1.4 kN,根據(jù)設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求,其迭代后索力可滿(mǎn)足施工精度要求。

一次張拉完成后和二次張拉后鋪裝前以及鋪裝前后左側(cè)斜拉索索力對(duì)比如圖6—圖8所示。

由圖6—圖8可以看出,第一次張拉結(jié)束后,最后張拉的兩對(duì)索的索力與目標(biāo)索力接近,而其他斜拉索索力比目標(biāo)索力小,其原因主要是斜拉索與橋塔和主梁組成的是一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)體系,拉索索力之間存在耦合關(guān)系,其中一條拉索索力變化會(huì)引起其他索力的變化,且距離變化索力越近的斜拉索所受影響越大。二張后斜拉索索力變化情況與一張趨勢(shì)相同,與鋪裝前相比,二期鋪裝完成以后斜拉索索力明顯增大,原因是橋面鋪裝導(dǎo)致主梁上部荷載增加,所以索力增大。

3.3 施工方法對(duì)拉索索力的影響分析

為研究施工方法對(duì)斜拉索索力的影響,對(duì)比兩種施工方法,第一種是主塔、主梁施工完成后再掛索張拉,且同一批次的斜拉索采用對(duì)稱(chēng)張拉;第二種是主塔施工完成后,對(duì)角和對(duì)稱(chēng)張拉相結(jié)合的方式進(jìn)行施工。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,表4。

表3 不同施工方法右側(cè)拉索二張力對(duì)比

表4 不同施工方法左側(cè)拉索二張力對(duì)比

由表3和表4可以看出,施工方法對(duì)斜拉索的二張施工索力會(huì)有影響,但兩種不同施工方法下,斜拉橋左右兩側(cè)斜拉索索力值誤差不超過(guò)3%,其原因主要是在主梁施工完成時(shí),斜拉索的不對(duì)稱(chēng)張拉會(huì)引起索力值的改變,但這種影響相對(duì)較小;說(shuō)明在滿(mǎn)足施工質(zhì)量的前提下,可適當(dāng)調(diào)整非對(duì)稱(chēng)斜拉橋的施工拉索方式,以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)和施工進(jìn)度要求。同時(shí),鋼梁斜拉索索力值的誤差要比混凝梁大,說(shuō)明該類(lèi)斜拉橋的鋼梁內(nèi)力變化對(duì)拉索索力的變化更為敏感。

4 結(jié)論

通過(guò)基于梁格法的非對(duì)稱(chēng)斜拉橋施工階段索力分析得到以下結(jié)論:

1)采用差值法計(jì)算得到的成橋索力經(jīng)過(guò)10次迭代后可滿(mǎn)足施工要求。2)斜拉索與橋塔和主梁組成的是一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)體系,拉索索力之間存在耦合關(guān)系,距離變化索力越近的斜拉索所受影響越大。二期鋪裝完成以后斜拉索索力增大明顯。3)在滿(mǎn)足施工質(zhì)量的前提下,可適當(dāng)調(diào)整非對(duì)稱(chēng)斜拉橋的施工拉索方式,以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)和施工進(jìn)度要求。同時(shí),該類(lèi)斜拉橋的鋼梁內(nèi)力變化對(duì)拉索索力的變化更為敏感。