江津观音岩叠合梁斜拉桥施工过程静力稳定性分析

刘 伟

(西南交通大学土木学院,四川 成都 610031)

随着施工技术的发展、分析理论的完善以及新材料、新工艺的广泛应用,当前斜拉桥的发展具有“跨大塔高”的鲜明特点。而由于大跨度叠合梁斜拉桥的独特性,其杆件多、施工工序复杂,主梁刚度在施工期间相对钢斜拉桥和混凝土斜拉桥更小,导致其施工阶段的几何非线性影响更加显著,相应的稳定性问题也愈来愈突出,这一直是设计和施工单位十分关注的问题。本文针对重庆江津观音岩长江公路大桥,考虑施工过程的变形和应力的叠加效应,用包含梁、壳和索单元的空间结构混合模型,运用大型通用程序ANSYS10.0进行了大桥的结构行为分析,着重研究了在施工全过程中的结构静力稳定性问题。

1 工程概况

重庆江津观音岩长江大桥目前正在建设中,其主桥是双塔双索面叠合梁斜拉桥,纵向半漂浮体系,主跨 436m,桥跨布置为(35.5+186+436+186+35.5)m,其中 35.5 m为压重T梁。大桥采用钻石型索塔,主梁截面型式为双工字钢叠合梁。其桥型布置如图 1所示。

图1 观音岩叠合梁斜拉桥桥型布置图(单位:cm)

本文按照该桥的施工程序,将该桥的施工过程结构静力稳定性分析划分为 221个计算工况,即:

(1)工况 1:斜拉桥索塔及过渡墩、辅助墩施工。

(2)工况 2～工况 203:工字钢纵梁吊装、栓接,横梁吊装、栓接,桥面板安装、湿接缝浇注以及斜拉索的各次张拉等。

(3)工况 204～工况 220:全桥的第四次调索。

(4)工况 221:桥面铺装及其它附属设置施工等,全桥施工结束。

其中:工况 99为最大双悬臂状态,工况 197为最大单悬臂状态。

2 施工过程静力稳定性分析的有限元方法

2.1 计算方法

研究稳定可以从小范围内观察,即在邻近原始状态的微小区域内进行研究;为揭示失稳的真谛,也可以从大范围内进行研究。前者以小变形理论为基础,而后者则建立在大变形非线性理论的基础上,从而引出了研究稳定问题的两种形式[1]:第一类稳定,分支点失稳问题;第二类稳定,极值点失稳问题。本文只研究重庆江津观音岩长江公路大桥施工过程的第一类稳定,即分支点失稳问题。

在有限元计算中,考虑结构的几何刚度,该刚度反应了结构的不稳定因素。当外力增加 λ倍时,杆力和几何刚度矩阵也增大了 λ倍,因而可以写出下式:

如果 λ足够大,使得结构达到随遇平衡状态,节点位移矩阵由{δ}变为{δ}+{⊿ δ},上式平衡方程也能满足,则:

同时满足上述两式的条件是:

式中:[K]D为结构总体弹性刚度矩阵;[K]σ为结构总体几何刚度矩阵;λ为结构稳定安全系数;

这就是计算稳定安全系数的特征方程式。如果方程有n阶,那么理论上存在 n个特征值 λ1,λ2…λn,工程问题中只有最低阶特征值才有意义。

根据斜拉桥稳定性计算原则、稳定性分析模型以及通用有限元软件 ANSYS的特点,关于重庆江津观音岩长江公路大桥施工过程的第一类稳定性分析的特征值求解流程如图2所示。

图2 第一类稳定求解流程

2.2 大桥的有限元模型概况

为了能正确模拟主梁的抗扭刚度和桥面板的剪力滞效应,模型中按实际的主梁结构建立施工过程第一类稳定分析模型。根据该桥的施工图及工字形钢主梁梁段划分,主桥施工全过程结构第一类稳定分析模型的桥梁计算长度为 808 m。其中,斜拉索用 LINK 8单元模拟,单元数量为 136个;桥面板用 SHELL181单元模拟,单元数量为 3328个;索塔、过度墩、辅助墩、工字钢主梁、工字钢横梁、小纵梁等用BEAM 44单元模拟,单元数量为 2917个;斜拉索与主梁及索塔之间用大刚度单元模拟,单元数量为 272个;全桥单元总数为 6653个。离散后的大桥计算模型如图3所示。

图3 观音岩叠合梁斜拉桥有限元离散图

按静力等效原则将主要施工荷载(吊机、拼接板、锚拉板、吊装反力、边跨压重等)处理为等效节点力施加到有限元模型上。

3 计算结果及分析

公路斜拉桥设计细则[2]要求斜拉桥的“结构稳定安全系数应大于 4”,该值是“参照拱桥的稳定安全系数取用”。在公路桥梁中,传统的对拱桥整体稳定安全系数K要求大于 4～5的概念来源于第一类稳定问题,本质上是针对简化的平面计算模型所给出的弹性稳定安全系数[3]。

根据前面介绍的方法计算了该桥各施工全过程的第一类稳定安全系数,其随施工过程的变化曲线如图 4所示。

图4 第一类稳定安全系数随施工阶段变化曲线

图4表明,在单悬臂和双悬臂施工阶段,第一类稳定安全系数整体上均呈下降趋势,这是由于随着悬臂梁段的伸长,结构变得细长,结构的整体刚度降低,主梁轴向压力的增大导致;只是在这两种状态的转折点有突变,这是因为点为施工至辅助墩,增大了结构的整体刚度的原因。总之,该桥施工过程的第一类稳定安全系数均大于 4,满足规范中关于斜拉桥的“结构稳定安全系数应大于 4”的要求。可见,从《桥规》的角度而言,在施工过程中,重庆江津观音岩长江公路大桥的弹性稳定性是满足要求的。

4 结论与展望

计算分析结果表明,随着悬臂的增大,结构的整体稳定性在逐渐降低,因此有必要对大跨度桥梁在施工过程的稳定性进行全过程分析,为设计和施工提供指导作用。

本文侧重分析了该桥施工过程的第一类稳定性,而叠合梁斜拉桥施工过程中混凝土的收缩徐变问题、结构的几何非线性、材料非线性的影响等对结构的受力特性的影响较大,期待以后能综合考虑各项因素对施工状态的影响进行第二类稳定性分析,这样才能更加真实地反映结构在施工过程中的稳定性。

[1]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001

[2]JTG/T D 65-01-2007公路斜拉桥设计细则 [S]

[3]谢幼藩,赵雷.万县长江大桥 420m钢筋混凝土箱型拱的施工稳定性分析[J].桥梁建设,1995(1):77-81