曲塔混合梁斜拉桥施工控制仿真分析

1、公路2009年9月第9期 HIGHWAY Sep.2009No.9文章编号:04510712(200909-023804中图分类号:U448.27文献标识码:B曲塔混合梁斜拉桥施工控制仿真分析靳敏超12,夏元友1,冯仲仁1(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉市430070;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉市430052摘 要:介绍了曲塔混合梁斜拉桥的结构形式、施工仿真分析方法和相应的计算内容。为保证施工过程中结构 的安全以及成桥后的线形要求,针对其结构特点和施工方法,考虑了温度、收缩徐变以及各种施T荷载,进行了施工 过程的仿真分析。给出了施工控制所需要的各种指标,如成桥阶段主梁

2、和索塔的应力和位移以及斜拉索的索力。仿 真分析结果表明,斜拉桥主梁和索塔在施工过程中的应力均能满足规范要求。关键词:混合梁;斜拉桥;施工控制;有限元分析赣州市飞龙岛大桥主桥为曲塔双索面混合梁斜 拉桥,主桥长2301TI,主跨150ITI,主桥立面布置如 图1所示。大桥桥面宽度29.0nl,主梁为钢与混凝 土混合梁,边跨混凝土箱梁采用移动支架施工,主跨 钢箱梁则采用悬臂拼装施工。钢箱梁共分为11个 节段,从索塔向边墩的节段编号依次为M1M11。 索塔两侧各布置了9对斜拉索,从索塔向主跨方向 的拉索编号分别为J1-一J9,向边跨方向的拉索编号 分别为A1A9。勿荔11/I 1f 一 ,50出出l

3、州 出 4, 3, 1单位:m图1主桥立面示意 该桥空间受力特点明显,尤其是塔、墩、梁固接节点部位的受力较为复杂,承受来自主梁的轴力、剪力、弯矩及扭矩作用。为保证结构在施工过程中的安全以及成桥阶段的线形满足要求,本文考虑了温基金项目:湖北省自然科学基金项目。项目编号2007ABA306收稿日期:2009一0520 度、徐变以及在施工过程中的各种荷载,对各施工阶 段索塔、斜拉索、钢箱梁以及混凝土箱梁的应力或变 形进行了仿真分析,分析结果为该桥的施工控制提 供理论依据。2009年第9期 靳敏超等:曲塔混合梁斜拉桥施工控制仿真分析l仿真分析的目的和内容1.1仿真分析的目的斜拉桥的施工控制实质就是最大

4、限度地使各施 工阶段实际状态与理想状态相一致,但理论预测不 可避免存在误差。要实现工程实际与理论预测相吻 合,就必须全面了解可能使施工状态偏离理论设计 状态的所有因素,以便对施工过程进行有效控制1。 斜拉桥属于高次超静定结构,所采用的施工方法、安 装程序与成桥线形、结构恒载内力有着密切的联 系L2J。在施工阶段随着结构体系和荷载状态的不断 变化,结构内力和变形也随之不断变化。为了发现 施工中存在的问题或者可能出现的问题,需采用计 算机对斜拉桥的施工进程、施工工序中涉及的众多 因素进行全过程模拟分析。因此,建立仿真模型,按 现场参数进行计算,并根据施工中的实测数据对这 些参数进行分析,以使施工过

5、程的仿真计算能与实 际施工相符并对下一阶段施工进行预测,是斜拉桥 施工控制的核心3。飞龙岛大桥塔梁固结,结构构造复杂,空间受力 状态明显,对施工精度要求高,且独塔斜拉桥对于施 工误差的影响更为敏感。施工过程中,钢箱梁拼装 还将产生较大的焊接变形,这些误差将可能导致结 构线形严重偏离理论计算线形。因此,分析施工过 程中的结构变形和受力状态,是保证斜拉桥顺利修 建的必要条件。近年来,国内外对常规斜拉桥的施 工控制已进行了许多深入的研究,施工全过程分析 作为施工控制前期的主要工作,目前常采用平面杆 系有限元方法进行。对于曲塔混合梁斜拉桥这种空 间受力特点明显的桥型来说,通常的平面有限元很 难精确模拟

6、结构施工全过程的真实状态,空间分析 已成为仿真分析的必然选择。1.2仿真分析的主要内容在大跨度斜拉桥施工过程中,施工控制的主要 工作包括:(1根据状态变量(控制点标高、索力、控 制截面应力的实测值与相应理论值的差别对影响 参数进行误差识别;(2根据已施工阶段的影响参数 识别结果,对其后施工的相应参数进行误差预测; (3根据已识别或预测的影响参数的误差,以成桥状 态结构控制截面内力为控制目标,对控制张拉索力 进行最优控制,求出其调整值;(4计算影响参数的 误差和控制张拉索力的调整值对成桥标高的影响, 求出主梁标高的调整值4。因此,相应的施工过程 仿真分析需要进行多次的结构重分析,如理想倒退分析、

7、实时前进分析等。首先要建立有限元结构模 型和施工阶段模型,其中包括单元模型、节点信息、 结构材料特性、边界条件、荷载分布等。飞龙岛大桥施工过程的仿真分析内容包括: (1各施工阶段的张拉索力值和主梁标高;(2各施 工阶段梁段的状态变量值,斜拉索的索力变化、主梁 测点标高值以及索塔的位移值;(3施工过程中主梁 和索塔上控制截面的应力和应变值;(4典型状态下 全桥的索力、标高、索塔位移及控制截面应力值,典 型状态包括每挂一对拉索、拆除临时墩前后以及施 加二期恒载前后状态5。具体步骤如下。(1桥梁结构设计验算。一般可以采用设计部门确定的设计成桥状态作 为监控计算初始状态。监控计算应对设计成桥状态 进行

8、复核验算,对结构关键部位的应力、位移等进行 检查,是否满足规范要求,并进行过程优化以确定最 优成桥状态,并以此作为监控计算的初始状态。 (2对施工各阶段进行跟踪计算。由于理论设计参数与实际参数存在差异以及施 工荷载、实际斜拉索索力、线形等不可能与理论计算 完全一致,必须根据实测索力、线形、温度及应力等 修改计算控制参数,如梁体刚度、梁重、混凝土收缩 徐变系数等,进行反复计算,按最小二乘法拟合桥梁 控制参数值,使计算值与实测值之间的差别达到最 小,再根据前面阶段所拟合的参数值及实测索力、线 形、温度及应力等计算下一阶段的合理索力及线形 的调整量。(3成桥索力调整计算。将实测索力、线形与设计索力、

9、线形进行比较, 对索力偏离设计值较大的索或线形偏离设计值较大 的梁段处的索进行调整,优化调索程序,使全桥索力 与线形均能满足设计要求。2施工仿真分析模型的建立仿真模型(如图2中斜拉索采用索单元,主梁 和主塔采用空间梁单元进行模拟,桥面以上塔柱根 据拉索的锚固点位置来划分单元,下塔柱按截面变 化来划分单元;在主梁的单元划分和节点位置设置 上,对于每个拉索的锚固点和吊车的锚固点位置都 设置相应的节点,主梁与斜拉索的联系通过主梁横 向伸出的刚性连接与斜拉索单元的连接来模拟。全 桥离散为175个节点;173个单元,其中主梁81个 单元,塔、墩共56个单元,斜拉索共36个单元。公 路 2009年第9期

10、圈2曲塔混合梁斜拉桥有限元模型施工控制前期准备阶段,结构计算中的参数通 常取自相关设计资料,但也可根据工程经验对某些 参数进行适当修改以便更符合实际情况。在施工控 制阶段,还应根据结构设计参数与实际情况之间的 差异、施工误差、测量误差、结构计算分析模型与工 程实际之间的差异等确定是否对控制计算参数进行 调整。仿真分析中钢材及混凝土的材料特性如表1所示,弹性模量及线膨胀系数均按规范取值。有限 元分析过程中,钢箱梁的截面特性考虑了纵向加劲 肋的影响。根据施工方案,将整个仿真计算分为26个工况,如表2所示。表1主梁材料性能汇总钢材项目 项目 C50 (Q345qD弹性模量/MPa 210000弹性模

11、量/MPa 32500剪切模量/MPa 81000剪切模量/MPa 13000泊松比 O.3泊松比 O.2轴向容许应力/MPa 200轴心抗压强度标准值/MPa 32.4弯曲容许应力/MPa 210轴心抗拉强度标准值/MPa 2.65剪切容许应力/MPa 120轴心抗压强度设计值/MPa 22.4屈服强度/MPa 345轴心抗拉强度设计值/h伊a 1.83线膨胀系数 0.000012线膨胀系数 0.OOO 013施工过程仿真分析主要结果通过对表2中各工况的计算分析,得到了各施 工阶段主梁、索塔的应力和位移以及斜拉索的索力。 表3给出了斜拉索的施工索力和成桥索力。各典型 工况主塔截面最大应力的分

12、布如图3所示,各施工 阶段索塔塔顶的水平位移变化如图4所示。最大悬表2斜拉桥施工过程仿真分析计算工况工况号 工况内容 工况号 工况内容01索塔施工 14张拉A9,安装M9,张拉J9 02边跨现浇段施工 15安装M10,Mll,合龙主跨 03张拉边跨预应力柬 16对A1、J1进行二次张拉 04张拉A1斜拉索 17对A2、J2进行二次张拉 05安装M1,张拉J118对A3、J3进行二次张拉 06张拉A2,安装M2,张拉J219对A4、J4进行二次张拉 07张拉A3,安装M3,张拉J320对A5、J5进行二次张拉 08张拉A4,安装M4,张拉J421对A6、J6进行二次张拉 09张拉A5,安装M5,

13、张拉J522对A7、J7进行二次张拉 10张拉A6,安装M6,张拉J623对A8、J8进行二次张拉 11张拉A7,安装M7,张拉J724对A9、J9进行二次张拉 12张拉A8,安装M8,张拉J825拆除边跨现浇支架 13施加边跨配重 26铺装二期恒载 臂状态和成桥状态钢箱梁、混凝土箱梁截面的最大 应力分别见图5和图6。曲塔斜拉桥仿真分析结果表明,索塔混凝土在 施工过程中处于全截面受压状态。从图3可看出,4种典型工况中主塔各截面最大应力值不超过 7MPa。注意到各工况之间的应力差别较小且变化 均匀,这说明主塔自身的刚度足够大,足以保证钢箱 梁的悬拼施工顺利进行。相对于传统的直塔而言, 曲塔的水平

14、偏位在施工过程中的变化更为明显,将 塔顶处的水平偏位控制在一定范围内也是施工控制 的一项重要工作。从图4来看,施工过程中曲塔塔 顶最大水平位移为5.2cm,施工过程结束后,塔顶 水平偏位则不超过1cm,以上两项指标均满足设计 的控制要求。 从图5可看出,最大悬臂状态和成桥状态钢箱2009年 第9期 靳敏超等:曲塔混合粱斜拉桥施工控制仿真分析一241一衷3拉索施工索力及成桥索力t索号初张拉力二次调索成桥索力设计索力差值/%索号初张拉力二次调索成桥索力设计索力差值/%J157.592.787.392.75.8A1124.8201.3192.5201.334.4J291.9116.3103.8109

15、.465.2A2173.2211.2198.5206.163.7J3101.4161.4146.4151.353.3A3155.5242.1227.6232.071.9J4114.5195.9187.0190.882.O A4157.4267.3253.1262.293.5J5120.5205.2209.0215.212.9A5162.5290.3281.2290.253.1J6129.2204.9219.0225.893.1A6180.5310.6306.7315.622.8J7140.7211.4235.5242.622.9A7197.9331.1332.3341.162.6J8154.9

16、216.9240.9249.913.6A8234.8360.9369.4378.762.5】9174.2246.4263.4263.9一O.2A9271.5381.O 395.0411.334.OOlO203040506070塔高/m图3典型工况主塔截面最大应力O20406080100120距钢.混结合段位置,m圈5最大悬臂及成桥状态钢箱梁截面最大应力 梁最大应力分别为15.8MPa、37.1MPa,其值均小 于相关规范的容许应力值。从图6可看出,混凝土 箱梁截面在施工过程中处于全截面受压状态,成桥 阶段的正应力值略大于最大悬臂阶段,但其最大值 不超过7.6MPa,也满足相关规范的要求。参考文献:1汪劲丰,徐兴,项贻强.悬臂浇注施工斜拉桥的误差控矗星较氆 K略l鲁锰 躲斗H“ 掰 蜉施工过程计算工况号圈4备工况索塔塔顶水平位移020406080100