曲塔混合梁斜拉桥施工控制仿真分析

1、HIGHWAY Sep. 2009 No. 9公路2009年9月第9期文拿编号：0451-0712(2009)09-0238-04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夏元友X冯仲仁I（1.贰汉理工大学土木工務与越茨学冼廉汉市430070, 2.中交那二公路勘索设计研究院有限公司武汉市430052）播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窑.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待点和施工方法考虑了温度.收缩徐变以及各种施工荷載进行了施工 过程的仿真分析给出了施工控制所需要的各种指标，如成桥阶段主梁和索塔的应力

2、和位移以及斜拉索的索力仿 真分析结果表明斜拉桥主集和索塔在施工过程中的应力均能満足规范要求.关词：混合梁，斛拉桥施工控制；有限元分析檢州市飞龙岛大桥主桥为曲塔双索面混合梁斜 拉桥，主桥长230 m主跨150 m主桥立面布置如 图1所示.大桥桥面宽度29.0 m,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MlMil. 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J1J9,向边跨方向的拉索编号 分别为A1A9.单（4：tnS 1主桥立面示*该桥空间受力待点明显，尤其是塔、燉、菜固

3、接 节点部位的受力较为复杂承受來自主梁的釉力、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 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。墓金巧目：湖北宵自能科学墓金序目頊目编号2007ABA306 收稱日期：2009-05-20240公 路2009年第9期240公 路2009年第9期240公 路2009年第9期1仿真分析的目的和内容 11仿真分析的目的斜拉桥的施工桂制实质就是最大限度地使各施 工阶段实际状态与理想状态相一致，但理论预测不 可避

4、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. 斜拉桥属于高次超莽定结构，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.在施工阶段随着结构体系和荷载状态的不断 变化,结构内力和蛮形也随之不断变化.为了发现 施工中存在的何题或者可能出现的问题，需采用计 算机对斜拉桥的施匸进程、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

5、制的核心.飞龙岛大桥塔梁固结，结构构造复杂，空间受力 状态明显，对施丁箱度要求髙，且独塔斜拉桥对于施 工误基的影响更为敏感.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 构线形严重備离理论计算线形.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人的研究，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 间受力待点明显的桥型来说，通常的平面有限元很 难精确模拟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

6、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）根据状态变赴（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K2）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）根据已识别或横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， 求出主梁标高的调矗值.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、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

7、、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惊高；（2）各施 工阶段梁段的状态变贷值，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、索塔位移及控制戡面应力值典 型状态包括毎挂一对拉索、拆除临时墩前后以及施 加二期恒载前后状态.具体步骤如下.（】）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 进行复核验算，对结构关键部位的应力、位移尊进行 检査，是否満足規范要求，

8、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杰.（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，使计真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 的调整址.（3）成桥索力调整计算。将实测索力、线形与设计索力、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

9、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 据拉索的锚固点位建来划分单元，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.图2曲塔混合臺斜拉桥畜限元橫型施工控制前期唯备阶段，结构计算中的参数通 常取自相关设计资料，

10、但也可根据工程经验对某些 参数进行适当修改次便更符合实际情况.在施工控 制阶段，还应根据结构设计参数与实际悄况之间的 差异、施工误差、测蚩误差、结构计算分析模型与工 程实际之间的差异導确定是否对控制计算参数进行 调整.仿真分析中啊材及混凝土的材料特性如表1 所示，弹性模撬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堪了纵向加劲 肋的形响.根据施工方案，将镀个仿真计算分为26 个工况，如表2所示.» 1主梁材料性能汇总頊目(Q3<5qD)琐目C50弹性«t/MPa210 000弹性ftt/MPa32 500勇切ttt/MPa81 000剪切W1/MP

11、.13 000泊松比0.3泊松比0.2轴向容许应力/MPa200输心抗压乞度标32.4弯曲容许应力/MPa210输心抗拉冬度标Mffi/MPa2. 65舅切容许应力/MPa120抽心抗乐鱼度设计ffl/MPa22.4屈强度/MPa345输心抗拉鱼度设计值/MPa1.83线膨胀累数0.000 0120.000 013施工过稈仿更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给岀了斜拉索的施工索力和成桥索力.各典型 工况主塔截面最大亚力的分布如图3所示，各施工 阶段索塔塔顶的水平位移变化如图4所示.最大悬衰2斜拉桥施工过程仿JI分析计算工

12、况工况号工况内容r况号工况内容01萦塔鑫工14张拉A9安装M9张拉J902边时现枫段麾工15«« M10.MIL合龙主蹄03张拉边跨8i应力束16M Aljlfi二次张拉04张拉A】斜拉索17对A2J2进行二次张拉05安裟Ml.张拉JI18对A3J3 3ff二次张竝06张拉A2安装M2,张拉J2】9对A4、J4进行二次张拉07张K A3安装M3.*拉J3对A5J5进行二次张拉08张拉A4,安装M4张拉”21对A6J6进行二次张拉09张拉A5安装M5.张拉J522对A7.J7进行二次张拉10张拉A6,安蔑M6.W拉J623对A8J8进行二次张拉11*拉A7安装M7张拉J724

13、MA9J9进行二次张拉12张拉A8安裳M8张拉J825拆除边跨现盘支架13施加边跨配电26習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 种典教工况中主塔各截面最大应力值不超过 7 MPa.注盘到各工况之间的应力差别较小且变化 均匀，这说明主塔自身能刚度足够大,足以保证钢箱 梁的悬拼施工顺利进行，相对于传统的賀塔而育, 曲塔的水平偏位在施工过程中的变化更为明显，将 塔顶处的水平値位控制生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5.2 cm,

14、施工过程结東后，塔顶 水平僞位则不超过1 cm,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240公 路2009年第9期2009年第9期新敏超等：曲塔混合變斜拉桥施工控制仿真分析241«3 ««*!»力及成桥累力*号初张拉力二次调索成桥索力设计索力差值/%您号勿张拉力二次测家成桥索力设计窝力差值/%J157.592787.392.7-5.8A1124.8201.3192. S201.33一44J29L9116.3103.8109.46-5.2A2173.2211.219&5206.1637J3101.4161.41

15、4$. 4151.35-3.3A31S5. 5242.1227.6232. 077 9J4114.5195.9187.0190. 88-2.0A4157.4267.32S3.1262. 29-3.5J5120.5205.2209.0215.21-2.9A5162.5290.3281.2290. 25-XIJ6129.2204.9219.0225.89-3.1A6180.5310.6306.7315. 62一 28J7140.7211.4235.5242.62-2.9A7197.9331.1332.3341.16-2.6J8154.9216.9240.9249.913» 6A8234.

16、8360.9369.437& 76-2.5J9174.2246.4263.4263.9-0.2A9271.5381.0395.0411.33-4.02009年第9期新敏超等：曲塔混合變斜拉桥施工控制仿真分析2412009年第9期新敏超等：曲塔混合變斜拉桥施工控制仿真分析241010203040506070QdW/总ffix«I®tftt杆K3典盘工况主塔面量大应力101eg-Rw*«3ty4H+lK理 O-1O-2O g-R234<*fifftt9草30距钢混结合段位置An2009年第9期新敏超等：曲塔混合變斜拉桥施工控制仿真分析24195 大成桥状杰翔箱梁徽面量大应力梁最大应力分别为15.8MPa、37.1 MPa,其值均小 于相关规范的容许应力值.从图6可看出，混凝土 箱梁截面存施工过稈中处于全截面受圧状杰成桥 阶段的正应力值