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【摘 要】介绍斜塔斜拉桥的塔身施工控制技术,通过对施工全过程相近仿真分析,提供斜塔塔身施工控制所需的应力及变形指标,从而为保证斜拉桥主塔在施工过程中的应力的幅度始终处于容许的安全范围内与成桥后主塔的线形和恒载内力符合设计期望。对类似的倾斜塔斜拉桥提供一定的借鉴价值。
【关键词】斜拉桥;斜塔;施工控制;仿真分析
Control method of space-twisting cable tower cable-stayed bridge
Quan En-lei, Wang Hong-fa
(Shandong Huatong Road and Bridge Engineering Co., Ltd. Feixian Shandong 273400)
【Abstract】Leaning tower cable-stayed bridge tower construction control technology, through the whole process of construction similar to simulation analysis, to provide the necessary construction control tower Leaning Tower of stress and deformation indicators, so as to ensure that the main tower cable-stayed bridge during construction in the magnitude of stress is always within the safety limits allowed into the bridge tower Houzhu linear and constant-load internal forces comply with the design expectations. A similar tilt of the tower cable-stayed bridge to provide a reference value.
【Key words】Cable-stayed bridge; Leaning Tower; Construction control; Simulation analysis
1. 引言
随着我国经济的发展和人们对城市景观需求的提高,近年来在许多城市已经出现许多异性景观斜拉桥,对于异性斜拉桥有一个共有的特点是主塔做成斜塔。倾斜的塔身在施工过程中,在自重、施工荷载等共同作用下,塔身处于最不利的受力状况。塔身产生较大的变形和较大的拉应力,为保证斜拉桥主塔在施工过程中的应力的幅度始终处于容许的安全范围内,且使成桥后主塔的线形和恒载内力符合设计期望。在主塔施工过程中需要对塔身进行应力监控、裂缝控制,塔身变形控制。本文以一实际工程为背景,研究倾斜塔身的施工控制技术,为斜塔斜拉桥的塔身的施工监控提供参考。
2. 工程概况
山东省济宁市太白楼西路梁济运河大桥主桥为独柱斜塔空间扭面背索斜拉桥,墩、塔、梁固结,其跨径组成为96m+220m=316m。其中边跨主梁为预应力混凝土边箱梁,桥塔采用独柱斜塔,主塔全高133.147m(包括装饰性塔冠16 m),桥面以上塔高118m,桥面以下塔高15.147m。塔身顺桥向偏离铅垂面8°。全桥共设56根斜拉索,根据索力的不同分别采用PES7系列的109～211丝不同规格。主塔墩基础采用48根直径1.8米的钻孔灌注桩,主跨的过渡墩采用8根直径1.5米的钻孔灌注桩,C30混凝土。基桩均按摩擦桩设计。主桥桥型布置见图1。
图1 主桥桥型布置图
3. 数值模型
该桥采用MIDAS/Civil7.4.1进行空间结构分析,为全过程反应结构的实际受力情况,按照设计图纸并结合实测设计参数进行修正,根据实际施工阶段,将模型分为50个施工阶段。混凝土梁、钢箱梁、塔均采用梁单元模拟。拉索采用桁架单元模拟,拉索由于垂度而带来的非线性问题,采用Ernst和Podolny提出的等效模量法,即通过修正弹性模量的方法来考虑[1],斜拉索弹性模量的修正值按简化的Ernst公式计算,即:
E=E01+(rL)212σ3
其中:E——斜拉索修正弹性模量;E0——斜拉索弹性模量;r——斜拉索材料体积质量;L——斜拉索水平投影长度;σ——斜拉索应力。
塔底为固定约束,边跨与主跨支座只约束横桥向和竖向位移及总桥向转动。全桥模拟6个车道。空间计算模型见图2.。
图2 空间计算模型
4. 主塔施工过程的应力监控
4.1 数据采集及处理。
由于塔是斜塔,施工阶段在自重及施工荷载作用下主塔混凝土将产生较大的拉应力,通过对主塔施工阶段关键截面应力跟踪测试数据和理论计算数据的对比分析,实时监控主塔混凝土拉应力。对于实测数据,应将实测应变干扰项剔除后再于理论值进行对比,判断该阶段的结构安全。现场实测应变数据包含有传感器初应变、混凝土弹性应变、不同龄期加载的混凝土徐变、混凝土收缩、传感器温度应变等[2-3], 第①节段塔施工完成(对1-1所在节段第i次加载),读数时刻ti,如图2所示。
εei=ε#(ti)-ε#0-εT-εcs(ti,τ0)
式中:εei——计算截面ti时刻传感器实测有效应变;ε#(ti)——ti时刻传感器实测读数;εcs(ti,τ0)——ti时的收缩应变。
第①塔节段加载引起1-1截面的弹性应变
Δε(τi)=εei-σ(τ0)E(τ0)[1+φ(ti,τ0)]-Σi-1j=1 Δε(τj)[1+φ(ti,τj)]1+φ(ti,τi)
式中:Δε(τi)——各阶段加载引起计算截面弹性应变增量;φ(ti,τi)——徐变系数。
ti时刻1-1截面总弹性应变
ε(τi)=ε(τ0)+Σij=1Δε(τi)
式中:τi——加载龄期,指相对于计算截面的加载龄期 i=0,1,2…… ;ti——计算时刻 i=1,2……;ε(τi)——计算截面累计应变;
温度引起的传感器应变差按下式计算[4]。
ετ=(α-α0)•ΔT
式中,τi为混凝土膨胀系数,其值为11.0×10-6;α0为钢弦的膨胀系数,其值为12.2×10-6;ΔT为温度变化值。
图3 主塔各个施工节段示意图
4.2 应力监控。
根据《公路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》JTG D62-2004,第7.2.8规定,满足σtct≤0.7f′tk=1.7MPa,且预拉区配置其配筋率不小于0.2%的纵向钢筋。但考虑到以下两点:第一,当σtct≤0.7f′tk时,尽管混凝土质量有保证时,预拉区混凝土一般不会开裂,但由于混凝土抗拉强度离散性较大,且拉应力σtct=1.6MPa已较高,出现裂缝可能性很大。第二,由于各种施工荷载可能未完全考虑及一些不确定因素等等,使实际混凝土拉应拉力可能略高于计算值。综上,混凝土的拉应力预留一定的富余是合理的。并考虑到临时拉索对整个全桥斜拉索索力的影响和施工操作简便,经反复试算对比,在主塔施工完B19节段后,以初张力1100KN单侧张拉两根拉C6索为临时拉索效果较佳。在此方案下,主塔混凝土的最大应力σtct=1.3MPa。
5. 主塔施工过程的变形监控
5.1 主塔施工过程的变形计算。
斜塔采用爬模施工方法进行施工,并分为28节段进行浇筑。为使斜塔成桥后与设计线形一致,斜塔施工阶段在自重及施工荷载作用下不仅要进行应力监控,而且还进行变形监控。在MIDAS模型中可以直接读取“当前阶段位移”与“阶段/步骤实际总位移”。“阶段/步骤实际总位移”为各施工阶段纯位移与假想位移之和。 对于本斜拉桥的主塔而言,在MIDAS中直接读取的“阶段/步骤实际总位移”并非是斜塔的预偏位。主塔的预偏位计算公式如下:
fi=Σf1i+f2i+f3i+Σf4i+Σf5i
fi——i节段的预偏位(节段上某确定位置);
Σf1i——由各梁段自重在i节段产生的挠度总合;
f2i——混凝土 收缩、徐变在i节段产生的挠度;
f3i——施工临时荷载在i节段产生的挠度;
f4i——各根斜拉索张拉在i节段产生的挠度总合;
f5i——桥面的二期铺及附属设施在i节段产生的挠度总合。
5.2 主塔预偏位计算结果。
主塔在施工过程中的预偏位计算结果见[5],见表1。
6. 结束语
山东省济宁市太白楼西路梁济运河大桥主桥是一座设计新颖,构型独特,技术难道度相当大的大型桥梁,这也给斜拉桥的施工监控工作增加了难度.通过对施工全过程相近仿真分析,提供斜塔塔身施工控制所需的应力及变形指标,从而为保证斜拉桥主塔在施工过程中的应力的幅度始终处于容许的安全范围内与成桥后主塔的线形和恒载内力符合设计期望。对类似的倾斜塔斜拉桥提供一定的借鉴价值。
[文章编号]1006-7619(2009)08-21-764
【关键词】斜拉桥;斜塔;施工控制;仿真分析
Control method of space-twisting cable tower cable-stayed bridge
Quan En-lei, Wang Hong-fa
(Shandong Huatong Road and Bridge Engineering Co., Ltd. Feixian Shandong 273400)
【Abstract】Leaning tower cable-stayed bridge tower construction control technology, through the whole process of construction similar to simulation analysis, to provide the necessary construction control tower Leaning Tower of stress and deformation indicators, so as to ensure that the main tower cable-stayed bridge during construction in the magnitude of stress is always within the safety limits allowed into the bridge tower Houzhu linear and constant-load internal forces comply with the design expectations. A similar tilt of the tower cable-stayed bridge to provide a reference value.
【Key words】Cable-stayed bridge; Leaning Tower; Construction control; Simulation analysis
1. 引言
随着我国经济的发展和人们对城市景观需求的提高,近年来在许多城市已经出现许多异性景观斜拉桥,对于异性斜拉桥有一个共有的特点是主塔做成斜塔。倾斜的塔身在施工过程中,在自重、施工荷载等共同作用下,塔身处于最不利的受力状况。塔身产生较大的变形和较大的拉应力,为保证斜拉桥主塔在施工过程中的应力的幅度始终处于容许的安全范围内,且使成桥后主塔的线形和恒载内力符合设计期望。在主塔施工过程中需要对塔身进行应力监控、裂缝控制,塔身变形控制。本文以一实际工程为背景,研究倾斜塔身的施工控制技术,为斜塔斜拉桥的塔身的施工监控提供参考。
2. 工程概况
山东省济宁市太白楼西路梁济运河大桥主桥为独柱斜塔空间扭面背索斜拉桥,墩、塔、梁固结,其跨径组成为96m+220m=316m。其中边跨主梁为预应力混凝土边箱梁,桥塔采用独柱斜塔,主塔全高133.147m(包括装饰性塔冠16 m),桥面以上塔高118m,桥面以下塔高15.147m。塔身顺桥向偏离铅垂面8°。全桥共设56根斜拉索,根据索力的不同分别采用PES7系列的109～211丝不同规格。主塔墩基础采用48根直径1.8米的钻孔灌注桩,主跨的过渡墩采用8根直径1.5米的钻孔灌注桩,C30混凝土。基桩均按摩擦桩设计。主桥桥型布置见图1。
图1 主桥桥型布置图
3. 数值模型
该桥采用MIDAS/Civil7.4.1进行空间结构分析,为全过程反应结构的实际受力情况,按照设计图纸并结合实测设计参数进行修正,根据实际施工阶段,将模型分为50个施工阶段。混凝土梁、钢箱梁、塔均采用梁单元模拟。拉索采用桁架单元模拟,拉索由于垂度而带来的非线性问题,采用Ernst和Podolny提出的等效模量法,即通过修正弹性模量的方法来考虑[1],斜拉索弹性模量的修正值按简化的Ernst公式计算,即:
E=E01+(rL)212σ3
其中:E——斜拉索修正弹性模量;E0——斜拉索弹性模量;r——斜拉索材料体积质量;L——斜拉索水平投影长度;σ——斜拉索应力。
塔底为固定约束,边跨与主跨支座只约束横桥向和竖向位移及总桥向转动。全桥模拟6个车道。空间计算模型见图2.。
图2 空间计算模型
4. 主塔施工过程的应力监控
4.1 数据采集及处理。
由于塔是斜塔,施工阶段在自重及施工荷载作用下主塔混凝土将产生较大的拉应力,通过对主塔施工阶段关键截面应力跟踪测试数据和理论计算数据的对比分析,实时监控主塔混凝土拉应力。对于实测数据,应将实测应变干扰项剔除后再于理论值进行对比,判断该阶段的结构安全。现场实测应变数据包含有传感器初应变、混凝土弹性应变、不同龄期加载的混凝土徐变、混凝土收缩、传感器温度应变等[2-3], 第①节段塔施工完成(对1-1所在节段第i次加载),读数时刻ti,如图2所示。
εei=ε#(ti)-ε#0-εT-εcs(ti,τ0)
式中:εei——计算截面ti时刻传感器实测有效应变;ε#(ti)——ti时刻传感器实测读数;εcs(ti,τ0)——ti时的收缩应变。
第①塔节段加载引起1-1截面的弹性应变
Δε(τi)=εei-σ(τ0)E(τ0)[1+φ(ti,τ0)]-Σi-1j=1 Δε(τj)[1+φ(ti,τj)]1+φ(ti,τi)
式中:Δε(τi)——各阶段加载引起计算截面弹性应变增量;φ(ti,τi)——徐变系数。
ti时刻1-1截面总弹性应变
ε(τi)=ε(τ0)+Σij=1Δε(τi)
式中:τi——加载龄期,指相对于计算截面的加载龄期 i=0,1,2…… ;ti——计算时刻 i=1,2……;ε(τi)——计算截面累计应变;
温度引起的传感器应变差按下式计算[4]。
ετ=(α-α0)•ΔT
式中,τi为混凝土膨胀系数,其值为11.0×10-6;α0为钢弦的膨胀系数,其值为12.2×10-6;ΔT为温度变化值。
图3 主塔各个施工节段示意图
4.2 应力监控。
根据《公路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》JTG D62-2004,第7.2.8规定,满足σtct≤0.7f′tk=1.7MPa,且预拉区配置其配筋率不小于0.2%的纵向钢筋。但考虑到以下两点:第一,当σtct≤0.7f′tk时,尽管混凝土质量有保证时,预拉区混凝土一般不会开裂,但由于混凝土抗拉强度离散性较大,且拉应力σtct=1.6MPa已较高,出现裂缝可能性很大。第二,由于各种施工荷载可能未完全考虑及一些不确定因素等等,使实际混凝土拉应拉力可能略高于计算值。综上,混凝土的拉应力预留一定的富余是合理的。并考虑到临时拉索对整个全桥斜拉索索力的影响和施工操作简便,经反复试算对比,在主塔施工完B19节段后,以初张力1100KN单侧张拉两根拉C6索为临时拉索效果较佳。在此方案下,主塔混凝土的最大应力σtct=1.3MPa。
5. 主塔施工过程的变形监控
5.1 主塔施工过程的变形计算。
斜塔采用爬模施工方法进行施工,并分为28节段进行浇筑。为使斜塔成桥后与设计线形一致,斜塔施工阶段在自重及施工荷载作用下不仅要进行应力监控,而且还进行变形监控。在MIDAS模型中可以直接读取“当前阶段位移”与“阶段/步骤实际总位移”。“阶段/步骤实际总位移”为各施工阶段纯位移与假想位移之和。 对于本斜拉桥的主塔而言,在MIDAS中直接读取的“阶段/步骤实际总位移”并非是斜塔的预偏位。主塔的预偏位计算公式如下:
fi=Σf1i+f2i+f3i+Σf4i+Σf5i
fi——i节段的预偏位(节段上某确定位置);
Σf1i——由各梁段自重在i节段产生的挠度总合;
f2i——混凝土 收缩、徐变在i节段产生的挠度;
f3i——施工临时荷载在i节段产生的挠度;
f4i——各根斜拉索张拉在i节段产生的挠度总合;
f5i——桥面的二期铺及附属设施在i节段产生的挠度总合。
5.2 主塔预偏位计算结果。
主塔在施工过程中的预偏位计算结果见[5],见表1。
6. 结束语
山东省济宁市太白楼西路梁济运河大桥主桥是一座设计新颖,构型独特,技术难道度相当大的大型桥梁,这也给斜拉桥的施工监控工作增加了难度.通过对施工全过程相近仿真分析,提供斜塔塔身施工控制所需的应力及变形指标,从而为保证斜拉桥主塔在施工过程中的应力的幅度始终处于容许的安全范围内与成桥后主塔的线形和恒载内力符合设计期望。对类似的倾斜塔斜拉桥提供一定的借鉴价值。
[文章编号]1006-7619(2009)08-21-764