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【摘 要】本文针对双拱塔斜拉桥的特点,对斜拉索、水平索初张索力、成桥索力的确定方法进行了探讨并以此为基础进行了这2个阶段的索力确定,并进行了全桥施工过程仿真计算和施工过程中参数影响性分析。结果表明,采用该方法来确定斜拉桥的合理施工状态是可行的,结果是合理的,为该桥的施工控制提供了依据。
【关键词】双拱塔斜拉桥;预应力混凝土梁;施工控制;仿真计算
Calculation of Construct on Control of Double Arches Tower Cable-Stayed Bridg
Ren Yin,Zeng De-rong,Song Cheng-wei
(Chongqing transportation university Chongqing 400074)
【Abstract】In this paper, the characteristics of double arches tower cable-stayed bridge,first cable tension of stay cable and horizontal cable and finished-stage cable force determination methods are discussed as the basis for these two phases to determine cable forces, and the simulation calculation of the construction process of the overall bridge wasmade.The parametric analysis of the completed bridge were conductde as well.The method takes account of the effect of geometrical nonlinearity characteristic of longspan cable-stayed bridge as well as the additional bending moments due to the vertical profile of the bridge deck.
【Key words】Double arches tower cable-stayed bridge; Prestressed concrete girder; Construction control; Simulation calculation
1. 工程概况
荔波县官塘大桥位处荔波县城区东面,樟江大桥下游800m官塘大道上,是连接荔波县城时来坝片区与老城区的重要桥梁。桥长180m,桥梁起点桩号K0+030.5,终点桩号K0+210.5。跨径布置为85+85m双拱式独塔双索面PC双主梁式斜拉桥(无引桥)。桥梁设计等级为公路-Ⅰ级,桥面总宽32m,双向四车道。
图1 桥梁立面布置图
主梁采用C55混凝土,为实体双主梁截面。全桥采用等高度截面,截面高度均为2.24m(主梁中心线处)。标准截面纵向每隔8m设一道横隔板。桥面划分为8个施工梁段,标准节段长8m,合龙段长2m,采用后支点挂篮悬浇施工。主塔为Q345D级钢结构,截面轮廓尺寸为3200×2500mm(横桥向×顺桥向),钢箱壁厚J0-J2段为40mm,其余段均为30mm。钢塔施工采用节段悬臂拼装。全桥共设置2×9根水平索和4×9根斜拉索。桥梁的总体布置见图1和图2。
图2 桥梁平面布置图
2. 施工控制分析方法
2.1 成桥受力状态的确定方法。
主要方法有:刚性支承连续梁法、零位移法、内力平衡法、指定应力法、弯曲能量最小法、弯矩最小法、用索量最小法和影响矩阵法等[1]。本桥采用弯曲能量最小法得到基本合理的成桥状态下的一组索力值。此时的成桥状态并不能完全满足合理性要求,往往存在个别索力的突变问题。采用最小二乘法进行成桥索力的二次调整,保持结构弯矩较小的基础上,得到的索力值比较均匀。
2.2 确定合理施工状态的计算方法。
一般来说初张索力对成桥后的受力状态并不起控制作用(体系转换后的张拉力起控制作用),但它对施工监控工作来说具有很大的意义,它是保证成桥后满足合理成桥状态(具体来说主要就是保证主梁线形和拉索索力)的重要调整手段。初张索力的确定还需满足当前施工工况下的结构受力安全的要求。
目前确定合理施工状态的计算方法一般有以下四种倒退分析法、前进倒退交互迭代法、无应力状态控制法和正装迭代法[2]。
本桥采用调试法确定斜拉索和水平索的初张索力,它是根据浇筑的混凝土方量按比例初定一个索力值,代入正装计算,再根据各施工阶段挂篮和主梁受力情况做适当调整,直到满足要求为止。本桥斜拉索张拉次数为2次,水平索张拉次数为3次。以斜拉索为例,先按设计成桥索力的80%为初张索力值,代人模型进行计算,各施工阶段中若主梁上缘压应力或下缘拉应力达到其容许应力说明索力过大;若主梁上缘拉应力或下缘压应力达到其容许应力说明索力过小。调整索力值(调整值在设计成桥索力的±5%内),直到各施工阶段主梁应力、挠度和索塔的偏移值(不超过5cm)符合要求。
3. 计算模型
3.1 计算模型离散。
监控计算采用桥梁博士V3. 10结构计算软件建立官塘大桥的平面杆系有限元模型。将结构离散为183个平面梁单元, 217个节点。其中主梁96个单元,塔座6个单元,主塔48 个单元,斜拉索27个单元用拉索单元模拟,桥墩6个单元。塔座与桥墩固结。挂篮利用软件中的挂篮系统模拟,每套挂篮划分为2个单元。结构离散图见图3。
图3 结构离散图
3.2 施工阶段的划分。
为了达到施工控制的目的,必须首先通过计算来确定桥梁结构施工过程中每个阶段受力和变形的理想状态,以此为依据来控制施工过程中每个阶段的结构行为,使之最终成桥线形和受力状态与设计成桥线形和索拉力相符[3]。本桥采用后支点挂篮悬臂浇筑施工,全桥施工计算划分见表1。
4. 主要计算内容和结果
荔波县官塘大桥施工控制仿真计算的主要内容有:
(1)斜拉索索力。
(2)主梁挠度。
(3)主梁上缘应力、下缘应力。
(4)索塔偏移与应力。
4.1 施工过程索力的确定。
确定合理的成桥索力和初张拉索力,应综合考虑以下有关因素: (1)已浇梁段的应力应控制在安全的范围之内,不允许出现过大的拉压应力; (2)主梁前端挠度变化值不宜太大;(3)钢拱塔的偏移不宜过大,应力应控制在安全的范围之内。
表1 官塘大桥施工阶段计算步骤表
根据以上原则,以设计成桥索力为合理成桥索力的目标值,根据主梁受力情况反复调试确定初始张拉索力,最终计算成桥索力与设计索力如下表2和图4,初始张拉索力如下表3。
表2 模型计算成桥索力与设计成桥索力
通常合理的弯矩分布应该是在主跨部分保持相当的负弯矩,而在塔墩梁固结处保持相当的正弯矩。在此原则下还可以根据具体情况进行局部分组调索使梁塔内力更合理[4]。由图5可知官塘大桥的主梁弯矩图符合以上标准。
合理成桥状态下主梁内力图见图5:
图4 设计成桥索力与计算成桥索力对比图
表3 模型计算初张拉索力
图5 合理成桥主梁弯矩图(KN m)
4.2 主梁挠度。
主梁线形控制作为斜拉桥施工控制的主要内容之一,其重要性主要表现在线形的好坏直接影响到整个桥梁的美观与桥梁的内力分布,而且决定着监控质量的优劣。
8号节段浇筑后梁端挠度为-24.6cm,8号节段斜拉索张拉后梁端挠度值为-1.48cm,合龙段浇筑后此处挠度值为2.43cm,顺利合龙。最大悬臂施工过程中梁段最大挠度在2号节段末端为1.49cm。二期恒载施工前梁段最大挠度在7号节段末端为5.36cm。二期恒载施工后使主梁挠度下降较大,梁段最大挠度在7号节段末端为1.97cm。由图6可知成桥阶段最大挠度在5号节段末端为14.5cm。
图6 成桥阶段纵向挠度图
4.3 主梁上缘应力、下缘应力。
主梁应力控制直接关系到桥梁施工安全,本模型计算结果:
悬臂施工阶段主梁上缘最大压应力9.69MPa;下缘最大压应力14.3MPa;下缘最大拉应力1.43MPa,施工阶段应力满足规范要求。成桥时主梁上缘最大压应力13.8MPa;下缘最大压应力19MPa;下缘最大拉应力 0.08MPa,成桥阶段应力满足规范要求。
图7 施工阶段索塔最大纵向偏移图
4.4 索塔偏移与应力。根据本模型模拟分析及图7可知塔顶最大偏移量发生在张拉0号梁段斜拉索和水平索力后,偏移值为-3.8cm。由图8可知成桥时塔顶偏移值较小为2.34cm。
悬臂施工时索塔最大压应力为82.9 MPa;成桥时索塔最大压应力为91MPa,应力满足设计要求。
5. 参数影响性分析
混凝土斜拉桥施工过程中的结构状况往往会偏离理论轨迹 ,造成这种偏离 ,很大程度上与计算参数的取值以及温度、临时荷载等因素相关[5]。因此 ,在前期对结构进行影响性分析时 ,有必要了解各种因素对结构内力和线形的影响 ,从而把握关键性影响因素 ,为施工控制提供依据。
成桥状态计算涉及的主要设计参数包括混凝土弹性模量、混凝土容重。为分析设计参数对成桥状态的影响 ,监控计算时针对以上参数分别取不同的数值进行了计算 ,具体参数取值如下: (1)所有参数按规范取值; (2)混凝土容重由 25KN/ m 增加到 25.5 KN/ m 对结构的影响; (3)主梁混凝土弹性模量提高到 3.9 ×104 MPa 对结构的影响。
图8 成桥阶段索塔最大纵向偏移图
对计算结果整理发现 ,不同参数对应的成桥状态不一样。图9和表4为以上几种参数取不同数值时引起的成桥累计位移和成桥索力的变化图表。从图9和表4 来看 , 混凝土弹性模量对成桥状态的影响最大,其次为混凝土容重。因此 ,在施工控制中应把混凝土材料参数的识别作为计算参数识别的重点。
图9 计算参数变化对成桥累计挠度影响图
6. 结论
(1)比较合理施工状态的几种计算方法,采用弯曲能量最小法和最小二乘法确定成桥索力,采用调试法确定拉索初张索力是合理跟可行的。
(2)施工过程仿真计算结果表明施工过程结构的内力和位移均在规范允许范围内,施工过程中张拉索力合理。
(3)成桥状态参数影响分析表明, 混凝土弹性模量对该桥成桥状态的位移和索力影响最大。
表4 计算参数变化对成桥索力影响
参考文献
[1] 颜东煌等.混凝土斜拉桥合理成桥状态确定的分布算法[J].中国公路学报,2003(1)
[2] 向海帆.高等桥梁结构理论[M].人民交通出版社,2008,11
[3] 徐君兰.大跨径桥梁施工控制[M].人民交通出版社,2000,8
[4] 王成发.斜拉桥成桥索力的探讨及施工过程分析[硕士学位论文].长安大学,2008
[5] 袁建新等.重庆忠县长江大桥斜拉桥施工控制计算[J].桥梁建设,2009(1)
[文章编号]1619-2737(2010)10-01-207
[作者简介] 任银(1985.9-),女,在读硕士研究生,所学专业:土木与隧道工程,研究方向:桥梁设计理论与施工控制。
【关键词】双拱塔斜拉桥;预应力混凝土梁;施工控制;仿真计算
Calculation of Construct on Control of Double Arches Tower Cable-Stayed Bridg
Ren Yin,Zeng De-rong,Song Cheng-wei
(Chongqing transportation university Chongqing 400074)
【Abstract】In this paper, the characteristics of double arches tower cable-stayed bridge,first cable tension of stay cable and horizontal cable and finished-stage cable force determination methods are discussed as the basis for these two phases to determine cable forces, and the simulation calculation of the construction process of the overall bridge wasmade.The parametric analysis of the completed bridge were conductde as well.The method takes account of the effect of geometrical nonlinearity characteristic of longspan cable-stayed bridge as well as the additional bending moments due to the vertical profile of the bridge deck.
【Key words】Double arches tower cable-stayed bridge; Prestressed concrete girder; Construction control; Simulation calculation
1. 工程概况
荔波县官塘大桥位处荔波县城区东面,樟江大桥下游800m官塘大道上,是连接荔波县城时来坝片区与老城区的重要桥梁。桥长180m,桥梁起点桩号K0+030.5,终点桩号K0+210.5。跨径布置为85+85m双拱式独塔双索面PC双主梁式斜拉桥(无引桥)。桥梁设计等级为公路-Ⅰ级,桥面总宽32m,双向四车道。
图1 桥梁立面布置图
主梁采用C55混凝土,为实体双主梁截面。全桥采用等高度截面,截面高度均为2.24m(主梁中心线处)。标准截面纵向每隔8m设一道横隔板。桥面划分为8个施工梁段,标准节段长8m,合龙段长2m,采用后支点挂篮悬浇施工。主塔为Q345D级钢结构,截面轮廓尺寸为3200×2500mm(横桥向×顺桥向),钢箱壁厚J0-J2段为40mm,其余段均为30mm。钢塔施工采用节段悬臂拼装。全桥共设置2×9根水平索和4×9根斜拉索。桥梁的总体布置见图1和图2。
图2 桥梁平面布置图
2. 施工控制分析方法
2.1 成桥受力状态的确定方法。
主要方法有:刚性支承连续梁法、零位移法、内力平衡法、指定应力法、弯曲能量最小法、弯矩最小法、用索量最小法和影响矩阵法等[1]。本桥采用弯曲能量最小法得到基本合理的成桥状态下的一组索力值。此时的成桥状态并不能完全满足合理性要求,往往存在个别索力的突变问题。采用最小二乘法进行成桥索力的二次调整,保持结构弯矩较小的基础上,得到的索力值比较均匀。
2.2 确定合理施工状态的计算方法。
一般来说初张索力对成桥后的受力状态并不起控制作用(体系转换后的张拉力起控制作用),但它对施工监控工作来说具有很大的意义,它是保证成桥后满足合理成桥状态(具体来说主要就是保证主梁线形和拉索索力)的重要调整手段。初张索力的确定还需满足当前施工工况下的结构受力安全的要求。
目前确定合理施工状态的计算方法一般有以下四种倒退分析法、前进倒退交互迭代法、无应力状态控制法和正装迭代法[2]。
本桥采用调试法确定斜拉索和水平索的初张索力,它是根据浇筑的混凝土方量按比例初定一个索力值,代入正装计算,再根据各施工阶段挂篮和主梁受力情况做适当调整,直到满足要求为止。本桥斜拉索张拉次数为2次,水平索张拉次数为3次。以斜拉索为例,先按设计成桥索力的80%为初张索力值,代人模型进行计算,各施工阶段中若主梁上缘压应力或下缘拉应力达到其容许应力说明索力过大;若主梁上缘拉应力或下缘压应力达到其容许应力说明索力过小。调整索力值(调整值在设计成桥索力的±5%内),直到各施工阶段主梁应力、挠度和索塔的偏移值(不超过5cm)符合要求。
3. 计算模型
3.1 计算模型离散。
监控计算采用桥梁博士V3. 10结构计算软件建立官塘大桥的平面杆系有限元模型。将结构离散为183个平面梁单元, 217个节点。其中主梁96个单元,塔座6个单元,主塔48 个单元,斜拉索27个单元用拉索单元模拟,桥墩6个单元。塔座与桥墩固结。挂篮利用软件中的挂篮系统模拟,每套挂篮划分为2个单元。结构离散图见图3。
图3 结构离散图
3.2 施工阶段的划分。
为了达到施工控制的目的,必须首先通过计算来确定桥梁结构施工过程中每个阶段受力和变形的理想状态,以此为依据来控制施工过程中每个阶段的结构行为,使之最终成桥线形和受力状态与设计成桥线形和索拉力相符[3]。本桥采用后支点挂篮悬臂浇筑施工,全桥施工计算划分见表1。
4. 主要计算内容和结果
荔波县官塘大桥施工控制仿真计算的主要内容有:
(1)斜拉索索力。
(2)主梁挠度。
(3)主梁上缘应力、下缘应力。
(4)索塔偏移与应力。
4.1 施工过程索力的确定。
确定合理的成桥索力和初张拉索力,应综合考虑以下有关因素: (1)已浇梁段的应力应控制在安全的范围之内,不允许出现过大的拉压应力; (2)主梁前端挠度变化值不宜太大;(3)钢拱塔的偏移不宜过大,应力应控制在安全的范围之内。
表1 官塘大桥施工阶段计算步骤表
根据以上原则,以设计成桥索力为合理成桥索力的目标值,根据主梁受力情况反复调试确定初始张拉索力,最终计算成桥索力与设计索力如下表2和图4,初始张拉索力如下表3。
表2 模型计算成桥索力与设计成桥索力
通常合理的弯矩分布应该是在主跨部分保持相当的负弯矩,而在塔墩梁固结处保持相当的正弯矩。在此原则下还可以根据具体情况进行局部分组调索使梁塔内力更合理[4]。由图5可知官塘大桥的主梁弯矩图符合以上标准。
合理成桥状态下主梁内力图见图5:
图4 设计成桥索力与计算成桥索力对比图
表3 模型计算初张拉索力
图5 合理成桥主梁弯矩图(KN m)
4.2 主梁挠度。
主梁线形控制作为斜拉桥施工控制的主要内容之一,其重要性主要表现在线形的好坏直接影响到整个桥梁的美观与桥梁的内力分布,而且决定着监控质量的优劣。
8号节段浇筑后梁端挠度为-24.6cm,8号节段斜拉索张拉后梁端挠度值为-1.48cm,合龙段浇筑后此处挠度值为2.43cm,顺利合龙。最大悬臂施工过程中梁段最大挠度在2号节段末端为1.49cm。二期恒载施工前梁段最大挠度在7号节段末端为5.36cm。二期恒载施工后使主梁挠度下降较大,梁段最大挠度在7号节段末端为1.97cm。由图6可知成桥阶段最大挠度在5号节段末端为14.5cm。
图6 成桥阶段纵向挠度图
4.3 主梁上缘应力、下缘应力。
主梁应力控制直接关系到桥梁施工安全,本模型计算结果:
悬臂施工阶段主梁上缘最大压应力9.69MPa;下缘最大压应力14.3MPa;下缘最大拉应力1.43MPa,施工阶段应力满足规范要求。成桥时主梁上缘最大压应力13.8MPa;下缘最大压应力19MPa;下缘最大拉应力 0.08MPa,成桥阶段应力满足规范要求。
图7 施工阶段索塔最大纵向偏移图
4.4 索塔偏移与应力。根据本模型模拟分析及图7可知塔顶最大偏移量发生在张拉0号梁段斜拉索和水平索力后,偏移值为-3.8cm。由图8可知成桥时塔顶偏移值较小为2.34cm。
悬臂施工时索塔最大压应力为82.9 MPa;成桥时索塔最大压应力为91MPa,应力满足设计要求。
5. 参数影响性分析
混凝土斜拉桥施工过程中的结构状况往往会偏离理论轨迹 ,造成这种偏离 ,很大程度上与计算参数的取值以及温度、临时荷载等因素相关[5]。因此 ,在前期对结构进行影响性分析时 ,有必要了解各种因素对结构内力和线形的影响 ,从而把握关键性影响因素 ,为施工控制提供依据。
成桥状态计算涉及的主要设计参数包括混凝土弹性模量、混凝土容重。为分析设计参数对成桥状态的影响 ,监控计算时针对以上参数分别取不同的数值进行了计算 ,具体参数取值如下: (1)所有参数按规范取值; (2)混凝土容重由 25KN/ m 增加到 25.5 KN/ m 对结构的影响; (3)主梁混凝土弹性模量提高到 3.9 ×104 MPa 对结构的影响。
图8 成桥阶段索塔最大纵向偏移图
对计算结果整理发现 ,不同参数对应的成桥状态不一样。图9和表4为以上几种参数取不同数值时引起的成桥累计位移和成桥索力的变化图表。从图9和表4 来看 , 混凝土弹性模量对成桥状态的影响最大,其次为混凝土容重。因此 ,在施工控制中应把混凝土材料参数的识别作为计算参数识别的重点。
图9 计算参数变化对成桥累计挠度影响图
6. 结论
(1)比较合理施工状态的几种计算方法,采用弯曲能量最小法和最小二乘法确定成桥索力,采用调试法确定拉索初张索力是合理跟可行的。
(2)施工过程仿真计算结果表明施工过程结构的内力和位移均在规范允许范围内,施工过程中张拉索力合理。
(3)成桥状态参数影响分析表明, 混凝土弹性模量对该桥成桥状态的位移和索力影响最大。
表4 计算参数变化对成桥索力影响
参考文献
[1] 颜东煌等.混凝土斜拉桥合理成桥状态确定的分布算法[J].中国公路学报,2003(1)
[2] 向海帆.高等桥梁结构理论[M].人民交通出版社,2008,11
[3] 徐君兰.大跨径桥梁施工控制[M].人民交通出版社,2000,8
[4] 王成发.斜拉桥成桥索力的探讨及施工过程分析[硕士学位论文].长安大学,2008
[5] 袁建新等.重庆忠县长江大桥斜拉桥施工控制计算[J].桥梁建设,2009(1)
[文章编号]1619-2737(2010)10-01-207
[作者简介] 任银(1985.9-),女,在读硕士研究生,所学专业:土木与隧道工程,研究方向:桥梁设计理论与施工控制。