单索面异型拱塔斜拉桥张拉顺序分析.pdf

安徽建筑中图分类号：U448.27文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0153-02DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0570前言斜拉索的张拉力大小与张拉顺序的确定，是斜拉桥施工的重要环节，影响着斜拉桥施工过程中的结构安全以及成桥后的线型与受力状态1-3。常规斜拉桥通常为对称结构，跨径、斜拉索为对称布置，恒载下结构内力对称，施工过程中其位移和受力较为容易控制4。此外随着社会对桥梁美观度要求的提高，越来越多的异型斜拉桥被设计出来，成为城市当中一道靓丽的风景线。而单索面异型斜拉桥由于结构中存在包含空间曲线的构造，结构受力复杂，且主梁和桥塔在采用钢结构时，其刚度较混凝土结构要小。因此在不同斜拉索张拉方案下，斜拉桥的线型和受力都将产生明显的变化5。为了达到合理的成桥状态，有必要对单索面异型斜拉桥的拉索张拉顺序开展相应的研究。本文以大庆市秀水路跨线桥为工程背景，选取了三种斜拉索张拉方案，比较不同张拉顺序下主梁、主塔的位移和受力状态，并选出最优方案。1工程背景大庆市秀水路跨线桥为单索面异型拱塔斜拉桥，其结构布置图如图1所示。桥塔造型为拱塔形式，与水平面夹角为65，全长96.3m（含钢混结合段），拱塔最高为26.344m（基于塔座顶）。拱塔塔底设置塔座，钢塔根部锚入塔靴4m。钢塔均为单箱单室倒梯形钢结构，倒梯形顶部宽34.3m、底板宽0.8m，沿拱塔轴向为变截面，顶底板厚 30mm、腹板厚30mm，顶底板、腹板纵向采用I型加劲肋。主梁采用三跨连续钢箱梁，单箱双室斜腹板断面，钢梁宽度为6.2m、梁高1.5m。斜拉索顺桥向间距 4m，全桥共计13根斜拉索，对称布置。斜拉索索体采用镀锌铝合金钢丝双层HDPE的防腐索体，斜拉索公称直径为37.082mm，每根斜拉索由55股钢丝组成，钢丝强度等级1760MPa。桥塔塔座、承台及桩基采用混凝土结构，桩基采用钻孔灌注桩，主梁中墩采用Y型钢墩与主梁固结。Y墩上 部 为 1.4m1.2m 矩 形 截 面、壁 厚30mm，Y 墩下部为 2m1.2m 矩形截面、壁厚30mm。拱塔连接墩采用圆形变截面钢墩，截面尺寸为 0.30.6m，壁厚20mm。2有限元模型建立采用 MIDAS/Civil 软件建立该桥的有限元模型，如图2所示。主梁、拱塔、桥墩和基础均采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。斜拉索底端与主梁采用弹性（刚性）连接。承台底部采用节点弹性支撑模拟桩基提供的平动和转动刚度。过渡墩的板式橡胶支座采用弹性连接模拟，并按照支座的剪切刚度设置水平向刚度。主梁的临时支架采用只受压弹性连接模拟，支架底部完全固结。3张拉方案设计与成桥索力分析该桥的施工方案为先进行下部结构施工，然后采用满堂支架法进行主梁与拱塔施工，接着拆除拱塔支架进行斜拉索张拉，最后进行栏杆等附属设施的施工并拆除主梁支架。根据该桥型结构特点和施工条件，斜拉索从左到右编号依次为 1-13。本文选取了 3 种斜拉索张拉方案，进行优化比选。方案1：从梁端到跨中张拉，即交替张拉1#、13#，一直到跨中7#索。方案2：从跨中往梁端张拉，即先张拉 7#，再交替张拉 6#、8#，最后到 1#、13#索.方案3：从梁端到梁端张拉，即依次张拉1#-13#索。不同张拉方案的优化比选原则6为：在主梁应力不超限的前提下，施工过程中主梁最大组合应力尽可能小；拱塔应力尽可能小；主梁线型平顺，位移尽可能小；拱塔位移尽可能小；工作量尽可能小，一次成桥，避免二次调索。为了使成桥索力与设计目标索力相同，对不同张拉方案下成桥阶段斜拉索的张拉力进行了计算，如图3所示。根据图3可以看出，在三种施工顺序下，成桥阶段的斜拉索索力几乎相同，表明各工况成桥索力均达到设计目标索力要求，保证了施工方案的有效性7，需进一步对比不同张拉方案下斜拉桥的受力及位移。4不同张拉方案结构受力比较4.1主梁位移主梁和拱塔的位移能直观地反映斜拉桥的线形，是斜拉桥施工过程中一个重要的控制指标。经过计算，三种张拉方案下成桥阶段主梁位移如图4所示。根据图4（a）可以看出：三种施工方案下主梁竖向变形趋势一致，边跨下挠，且三种方案位移接近；最大位移出现在中跨跨中，呈上拱趋势；方案1-3下主梁的竖向 位 移 分 别 为 0.115m、0.126m、单索面异型拱塔斜拉桥张拉顺序分析陈立忠，龙振（中国水利水电第一工程局有限公司，吉林长春130033）摘要：单索面异型拱塔斜拉桥造型新颖，在提升桥梁美观性的同时也带来了受力复杂的问题。由于结构异型，斜拉索的张拉顺序和拉力对成桥线形和结构受力的影响比常规斜拉桥更加突出。为了研究单索面异型拱塔斜拉桥张拉顺序的影响，文章以大庆市秀水路跨线桥为例，使用MIDAS/Civil软件，采用正装迭代模拟施工过程，选取了三种斜拉索张拉顺序工况，分别比较了主梁、拱塔的位移和应力，选取最优的施工方案。关键词：单索面异型拱塔；斜拉桥；张拉顺序；结构受力分析作者简介：陈立忠（1993-），男，吉林辽源人，毕业于北华大学土木工程专业，本科，工程师。专业方向：路桥施工。图1结构布置图（单位：mm）图2有限元模型交通工程研究与应用153安徽建筑0.139m，方案1的竖向变形最小。由于主梁为曲线形桥梁，在拉索作用下，主梁除了产生竖向位移，还将产生横向位移。由图4（b）可以看出，方案1和方案2由于对称张拉，主梁变形也是对称的，而方案3变形不对称，右侧梁端有较大变形，线形不对称；方案1-3下主梁的横向位移分别为0.060m、0.063m、0.073m。4.2拱塔位移由于桥塔为拱形桥塔，且与水平面呈 65夹角，因此在斜拉索拉力和自重作用下，拱塔主要呈现竖向和横向变形，纵向变形较小。三种方案下拱塔位移如图5所示。图5（a）为拱塔的竖向位移，从图中可以看出，拱塔的最大变形发生在拱顶，从拱脚到拱顶变形大致呈线性增加的趋势。方案1-3下拱塔最大竖向位移分别为0.068m、0.074m、0.084m，其中方案1的竖向位移最小、方案3的竖向位移最大。图 5（b）为拱塔的横向位移，拱塔横向变形与主梁横向变形趋势相反，主梁最大横向变形发生在梁端，而拱塔最大横向变形发生在跨中，这可能是由于主梁为曲桥，在弯扭耦合作用下产生横向变形，而跨中斜拉索张力更大，减小了跨中主梁横向变形，同时拉索的张拉力增大了拱塔的横向变形。方案1-3 下 拱 塔 最 大 横 向 位 移 分 别 为0.042m、0.045m、0.052m，方案 1 的横向位移最小，同时线形平顺。4.3主梁应力在斜拉索张拉过程中，除了要控制主梁线形之外，主梁的应力也是重要的控制指标，并且应保证张拉过程中主梁应力小于设计应力。施工过程中主梁组合应力包络如图6所示。图6（a）为主梁拉应力包络图，从图中可以看出，三种方案下主梁应力变化趋势一致，应力极值点分别位于Y形墩墩顶和跨中位置，由于Y形墩起到“削峰”作用，其两个分叉之间的主梁应力较小。同时注意到，方案3的Y型墩的2个支点对应的主梁处，应力峰值接近，而方案1和方案2靠近跨中的应力峰值更小。主梁跨中处由于7#拉索索力较大，因此产生了应力极值点。方案1-3的主梁最大拉应力分别为82.7MPa、91.4MPa、101.3MPa，方案 1的主梁组合拉应力最小。图 6（b）为主梁压应力包络图，其变化趋势与图6（a）相似，均有5处极值点。但和拉应力包络图稍有不同的是Y形墩对应的主梁处的压应力接近0、拉应力为40MPa左右。方案 1-3 的主梁最大压应力分别为-114.9MPa、-110.2MPa、-130MPa，方案2的压应力最小。4.4拱塔应力图7为斜拉索张拉过程中拱塔各单元的组合应力包络图。从图 7（a）组合拉应力包络图可以看出，三种施工方案下拱塔拉应力分布趋势相近，拉应力极值分布在拱脚和跨中位置。在拱脚存在拉应力极值是由于拱脚与拱座固结、约束比较强、弯矩比较大，容易产生应力集中；在跨中存在拉应力极值是由于跨中拉索拉力较大，同时拱顶截面相对拱脚更小，因此应力较大。对比左侧拱脚处的拉应力可以发现，方案1和方案3的拉应力明显比方案2更大，这是由于方案1和方案3都是从左侧开始张拉斜拉索，而短索张拉初期拉力较大，因此拱塔在拱脚处产生了较大的拉应力，不过尚在设计强度范围内，结构安全。并且随着后续斜拉索的张拉，前期张拉的斜拉索拉力会逐渐减小8，拱塔处的应力也会逐渐减小。方案 3 的拉应力最大，为78.4MPa；方 案 1 的 拉 应 力 最 小，为63.9MPa。同时注意到，方案 1 的应力分布更加均匀，更加符合设计要求。图 7（b）为拱塔在三种张拉方案下的组合压应力包络图。与拉应力极值分布相似，压应力的极值也分布在拱脚和跨中。由于方案1和方案3从左侧开始张拉斜拉索，因此其左侧拱脚的压应力比方案 2更大，方案 1-3在左侧拱脚处的 压 应 力 分 别 为-64.2MPa、-36.4MPa、-60.6MPa。此外还注意到方案1和方案2在跨中的极值点位于拱塔顶部，而方案3在跨中的极值点位于跨中往右一小段距离，这是由于方案 1和方案2为对称张拉，因此跨中的应力分布较为对称，而方案3从左侧梁端往右侧梁端张拉，张拉方案的不对称导致跨中应力分布不对称。5结论对单索面异型拱塔斜拉桥的张拉顺序开展了研究，得到以下结论。3种方案成桥状态下的成桥索力与设计索力基本吻合，表明3种方案的索力控制均合理。三种施工方案下主梁变形趋势一致，最大竖向变形出现在中跨跨中，最大横向变形发生在梁端。拱塔的最大竖向和横向变形均位于拱顶。其中方案1的主梁和拱塔位移最小，线形平顺且对称。三种方案下主梁应力变化趋势一致，应力极值点分别位于Y形墩墩顶和跨中位置，方案1的主梁组合拉应力最小。三种施工方案下拱塔拉应力分布趋势相近，拉应力极值分布在拱脚和跨中位置，方案1的应力最小，且分布更加均匀。综合考虑线形、主梁和拱塔受力，拉索张拉方案1最优。参考文献1辛明奇.某拱形独塔不等跨斜拉桥力学性能分析D.大连理工大学,2019.2林东龙.空间异形索塔组合梁斜拉桥张拉顺序优化研究J.山西建筑,2021,47(24):105-109.3张华华.异形独塔斜拉桥索力优化研究D.华中科技大学,2017.4王儒飞.基于不同施工顺序的矮塔斜拉桥施工监控研究分析D.重庆交通大学,2016.5杨雄.不同张拉顺序下的斜拉桥施工索力分析J.山西建筑,2020,46(03):132-134.6孙全胜,孟安鑫.非对称独塔斜拉桥张拉方案比选J.中外公路,2016,36(05):84-88.7赵煜炜.支架施工斜拉桥的施工控制与索力优化研究D.哈尔滨工业大学,2018.8韩保勤.钢管混凝土拱桥吊杆张拉方案比选J.桥梁建设,2015,45(01):114-119.图3成桥索力对比图4主梁位移图5拱塔位移图7拱塔组合应力包络图图6主梁组合应力包络图交通工程研究与应用154