确定混合梁斜拉桥张拉施工的索力控制方法

范伟强 宋学招

(1、中南林业科技大学 土木工程学院,湖南 长沙410004 2、中建四局,广东 广州510000)

1 概述

混合梁斜拉桥与常规斜拉桥相比较有许多优点：该类型斜拉桥主梁在主梁构成上由两种不同的材料构成,主跨由钢材构成的钢主梁,边跨(或伸入主跨一部分)的梁体为混凝土梁。边跨预应力混凝土梁,可以抵消钢主梁恒载,且边跨各支点均不出现支反力,而且由于边跨斜拉索索距相对主跨的较小,从总体上将整体主梁刚度提升。极大提高主跨的跨越能力需要,同时降低边跨和主跨长度比。当主跨布置活载时,主跨的梁体变形和主塔变位均有减小趋势,实际上边跨结构起到了很好的锚固作用,针对独塔混合梁斜拉桥而言,主边跨合理设置能使主跨钢梁的恒载与边跨混凝土梁各支承点的正反力平衡。近年来,城市桥梁需要更加突出城市美观,斜拉桥独特的建筑外形能增添城市外观之美,曲线混合梁斜拉桥受力特征相对一般直线斜拉桥而言要复杂。城市宽幅路面道路要求建设的宽幅主梁等特征进一步增加了受力复杂程度,给施工增添不少难度。通过适当的施工控制方法确保施工状态的合理性,一座斜拉桥的合理施工状态可以通过控制方法如无应力状态控制法、正装迭代法、倒拆法等。获得斜拉桥张拉施工索力,满足工程要求。本文以上海蕴藻浜大桥为例,该斜拉桥索力施工控制方法选择合适的方法,得到正确张拉施工索力。

2 工程概况

陆翔路- 祁连山路贯通工程(I 标段)蕴藻浜大桥采用独塔双索面混合梁斜拉桥,其跨径布置为132+65m=197m,其中边跨位于半径为251m的平曲线上,桥梁立面布置图如图1 所示。

图1 斜拉桥布置图

主跨为132m 钢箱梁,钢梁全宽42m,主跨主梁采用钢箱梁结构,钢梁材质Q345qD。钢梁为单箱六室钢结构箱梁,中心线处箱梁腹板净高2.6m,箱梁挑臂4m,钢梁采用全焊接结构。边跨主梁采用预应力混凝土箱梁,采用C50 混凝土,全断面布置六个箱室,中心线处梁高2.55m。斜拉索采用扭绞型平行锌铝合金机械层钢丝斜拉索,冷铸锚,钢丝标准强度1770MPa,斜拉索采用近似平行双索面布置,全桥共2X24=48 根斜拉索,斜拉索在塔端及梁端均安装内置式斜拉索减震器,主桥采用塔梁固结、塔墩分离的结构体系。

3 模型建立

本桥采用桥梁有限元专业软件Midas/Civil,软件尽可能按照设计图纸准确模拟出真实情况的有限元模型,根据图纸的材料参数,结构形式、边界条件,施工阶段全桥采用416 个节点,337 个单元,其中梁单元289 个,只受拉桁架单元48 个,现列主梁、主塔和斜拉索的结构参数值以及结构材料参数和边界条件,桥梁有限元模型如图2 所示。

图2 斜拉桥有限元模型

4 确定合理施工方案

4.1 合理施工状态

蕴藻浜大桥结构形式是一座独塔双索面塔梁固结体系的混合梁斜拉桥,主梁采用箱梁截面,索塔呈“竖琴”型,索塔采用工厂分块分段制造,现场拼装的施工方法,主跨主梁通过Pm07 岸侧的顶推平台完成钢箱梁现场拼装,并且通过河中三组临时墩完成步履式顶推施工方法,边跨采用现浇满堂支架完成混凝土预压后进行现场预应力混凝土浇筑工艺,局部可采用少支架现浇工艺。主、边跨主梁合龙段采用钢混结合段。

确定斜拉桥合理施工方案,保证施工完成后具备合理成桥状态,合理成桥状态需要合理成桥索力,确定一个合理施工方案能确保成桥索力符合设计要求,合理施工状态的确定通常有无应力状态控制法、倒拆法和正装- 倒拆迭代法,这些方法在不同情况下都存在一定的不闭合问题,即通过正装计算时获得的施工状态控制参数,与合理成桥状态不一致。导致不闭合的原因有两个[1-2]：(1)拆除合拢段或支座时,有不平衡杆端或反力；(2)结构非线性,如混凝土收缩、徐变、拉索垂度效应等材料和几何非线性。正装迭代基本思路为：需提前假设一组斜拉索张拉力,在得到一个成桥状态后,与之前确定好的合理成桥状态比较,按照最小二乘法使两个施工状态相差最小,以此来迭代修正之前的张拉索力,进行下一步的正装计算,直到满足误差要求为止,此方法只需作正装计算,可以将不闭合原因造成的影响通过最小二乘法降低到最小。

4.2 正装迭代法的基本定义以及应用

正装迭代基本思路为：需提前假设一组斜拉索张拉力,在得到一个成桥状态后,与之前确定好的合理成桥状态比较,按照最小二乘法使两个施工状态相差最小,以此来迭代修正之前的张拉索力,进行下一步的正装计算,直到满足误差要求为止,此方法只需作正装计算,可以将不闭合原因造成的影响通过最小二乘法降低到最小。

本文以正装迭代法做理论支撑,以上海蕴藻浜大桥为工程背景的情况下,检验该方法在全桥索力保证达到目标索力的情况下满足结构安全性。已知斜拉索张拉完索力为{T0}以及成桥索力{T1},n为斜拉索根数,则每根斜拉索实际索力差值为：

将得到的差值进行与第一轮施工张拉所需斜拉索力进行相加得到第二轮正装张拉所需索力{T2}:

并且得到第二轮张拉完成后的成桥索力{F2},同时再次与合理成桥状态索力存在差值{b2},最后计入{T2}得到{T3}。以此反复正装循环迭代,逼近成桥合理状态,直到收敛为止。以下通过正装迭代得出每轮模拟施工张拉值{Ti}和差值{bi}。通过该方法实际运用可得知,有限元模型的结构形式、边界条件、材料参数相同的条件下,正装迭代法进行索力拟合不断通过减小索力差值达到目标索力。本例中直接采用合理成桥状态下的目标索力,能减小迭代次数并且计算方便。考虑收缩徐变,得出三次迭代结果,以东侧边跨索力为例,结果如表1 所示。

表1 正装迭代索力与成桥合理索力对比差值(kN)

经过采集完现场索力后,图4 中数据可以看出,在主梁完成二次恒载施工后,各个梁段线型有个别超出误差范围,但整体线型变化趋势与成桥设计线型变化吻合,根据本工程自身跨径较小,刚度大,仍然以索力监控为主,线型控制为辅助,即使主梁稍微超出控制值也影响不大。因此总体而言,主梁线型基本满足要求。

5 结论

图3 正装迭代法成桥索力值

表2 正装迭代法得出的成桥实测索力(kN)

图4 张拉施工后实测成桥线型图

使用正装迭代法确定施工张拉得出成桥索力值并结合上海蕴藻浜曲线斜拉桥结构特点,该方法每次迭代结合相同的结构体系、边界支承条件、荷载组合并且考虑混凝土收缩徐变。从迭代次数以及迭代效果,正装迭代法得出的成桥索力最终值与目标成桥索力几乎吻合。迭代过程中。每次正装迭代得到的成桥索力与目标索力的误差在不断减小,且变化平顺,斜拉索之间索力的相对变化也未出现太大差异,整体都是朝目标索力进行拟合。