矮塔斜拉桥施工初张拉索力的计算方法

摘要:本文在斜拉桥施工阶段初张拉索力计算方法的基础上,结合矮塔斜拉桥结构受力的特点,建立了矮塔斜拉桥施工初张拉索力倒拆-正装计算有限元模型,并在四川泸州茜草长江大桥设计中进行施工阶段初张拉索力计算,得出了一些具有一定参考价值的结论。

关键词:矮塔斜拉桥;初张拉索力;施工阶段;悬臂浇筑

1. 施工初张拉索力的计算方法

倒拆-正装迭代计算法是斜拉桥安装计算广泛采用的一种方法[3],通过倒拆、正装交替计算,确定各施工阶段的安装参数,使结构逐步达到预定的线形和内力状态。

正装―倒拆顺序参见图1,图中仅列出悬臂施工至最终状态的最后4个安装阶段。

计算的第一步是二期恒载gs的卸载,计算索力和跨中弯矩,在第一步计算后,索力和跨中弯矩变为:

(1)

第二步是合拢段的拆除,在计算2,c步时,由半桥组成的结构体系在悬臂端施加弯矩―,在计算2,g时,悬臂端施加合拢段自重荷载(反方向),此时的索力变化为:

(2)

这些是在正装第n,c步后所找到的索力。在初始张拉时,第n号索的索力在计算2,g步后,就等于所需找到的索力

第三步是各悬臂段的拆除,在计算3,c步时,悬臂体系和第n号索在其锚点受到力―的作用,在3,g阶段后,索力变化为:

(3)

重复第三步直到整个结构被“化整为零”,总的原理是:在拉索拆除之前每一计算步骤完成后,可确定当前拉索的初始张拉力,于是结构变为拆卸当前拉索并承受相反索力作用的剩余结构。

由于斜拉索的非线性和混凝土的收缩徐变的影响,倒拆和正装计算中,两者不闭合,即按照按照倒拆的数据正装,结构偏离预定的成桥状态的线形和内力状态。因此,倒拆法与正装闭合的关键是混凝土收获徐变的处理,混凝土的徐变与结构的形成历程有密切的关系,原则上倒拆法无法进行徐变计算。为了解决倒拆和正装计算徐变迭代问题,第一轮倒拆计算,不计混凝土的收缩徐变,然后用上次倒拆的结果进行正装计算,逐阶段考虑混凝土收缩徐变的影响,并将各施工阶段的收缩徐变值存盘。再次进行倒拆计算时,采用上一轮正装阶段的混凝土收缩和徐变值,如此反复,直到正装和倒拆收敛到允许的精度。同时,介绍了一种考虑结构几何非线性影响的倒退分析方法。该方法在倒退分析时,在每个倒退的施工步骤中,采用增量迭代法考虑非线性的影响,倒退分析的起点是成桥状态,每次增量迭代过程中力和位移的修正量都是从施工的后一阶段向前计算得到的。

2. 算例

2.1工程概述

四川泸州茜草长江大桥(主桥)为128+248+128=504m双塔双索面矮塔斜拉桥,主梁梁体采用单箱四室截面,根部梁高9m,跨中梁高3.8m。桥塔为外张式曲杆门型结构,塔与梁固结。桥塔高31m。斜拉索按扇形布置,梁上水平间距8m,塔上竖直间距1m。结构布置图参见图2。

2.2计算结果

在已有成桥有限元模型(合理的成桥状态)的基础上,建立施工阶段,对结构进行倒拆-正装迭代计算,得出该桥施工阶段的初张拉索力如表1所示。

表1 施工阶段初张拉索力

斜拉索编号 C1 C2 C3 C4 C5

初拉力(KN) 9463.9 9342.8 9257.6 9223.5 9179.5

斜拉索编号 C6 C7 C8 C9 C10

初拉力(KN) 9159.7 9157.5 9176.2 9223.5 9227.9

表2 成桥状态斜拉索索力

斜拉索编号 C1 C2 C3 C4 C5

索力(KN) 10216.5 10174.3 9978.0 9821.5 9681.3

斜拉索编号 C6 C7 C8 C9 C10

索力(KN) 9551.2 9464.0 9271.9 9116.5 9087.8

表3 各施工阶段梁体应力

梁体应力(Mpa) 边跨跨中 塔梁固结处 中跨跨中 规范限值

上缘 下缘 上缘 下缘 上缘 下缘 最大 最小

最大悬臂 7.7 7.5 13.4 7.1 16.2 0

边跨合拢 7.7 7.5 13.3 7.1 16.2 0

中跨合拢 8.8 7.7 13 6.9 3.7 11 16.2 0

成桥十年 8.3 8.2 10 9.6 7 5.6 16.2 0

由各施工阶段应力可见,在悬臂施工过程中,各施工阶段结构应力比较合理,结构安全,施工可靠性可以得到保障。在成桥十年状态下,结构应力比较合理,表明在施工阶段初张拉索力的作用下,通过正装计算,结构达到比较理想的成桥状态,成桥结果与已计算的合理成桥状态耦合。

3. 结论

(1)以合理成桥状态为目标,通过倒拆-正装迭代计算可以比较准确的计算初施工过程中的初张拉索力。在该初始索力作用下,能够保证施工过程的可靠性和稳定性。

(2)假定矮塔斜拉桥成桥后不再进行调索,通过倒拆-正装迭代计算出的施工初张拉索力可以使结构成桥后达到一个比较合理的受力状态。

参考文献:

[1] 严国敏.再论部分斜拉桥论部分斜拉桥,兼论多塔斜拉桥[A].第十三届全国桥梁学术会议论文集[C].上海,1998

[2] 陈亨锦,王凯,李承根.浅谈部分斜拉桥.桥梁建设,2002(1)

[3] 刘士林,王似舜.斜拉桥设计.人民交通出版社,2006

作者简介:

周叶军, 1983.3.13, 男, 江西新干, 硕士, 助理工程师, 江西省交通科学研究院