曲塔混合梁斜拉橋施工控制仿真分析

1、HIGHWAY Sep. 2009 No. 9公路2009年9月第9期文拿編號：0451-0712(2009)09-0238-04中圖分類號：U448. 27文獻標識碼：B曲塔混合梁斜拉橋施工控制仿真分析靳敏超夏元友X馮仲仁I（1.貳漢理工大學土木工務與越茨學冼廉漢市430070, 2.中交那二公路勘索設計研究院有限公司武漢市430052）播介紹了曲塔混合梁斜拉橋的結(jié)構形式施工仿真分析方法和相應的計算內(nèi)窯.為保證施工過程中結(jié)構的安全以及成橋后的線形要求針對其結(jié)構待點和施工方法考慮了溫度.收縮徐變以及各種施工荷載進行了施工 過程的仿真分析給出了施工控制所需要的各種指標，如成橋階段主梁和索塔的應力

2、和位移以及斜拉索的索力仿 真分析結(jié)果表明斜拉橋主集和索塔在施工過程中的應力均能満足規(guī)范要求.關詞：混合梁，斛拉橋施工控制；有限元分析檢州市飛龍島大橋主橋為曲塔雙索面混合梁斜 拉橋，主橋長230 m主跨150 m主橋立面布置如 圖1所示.大橋橋面寬度29.0 m,主梁為鋼與混凝 土混合梁,邊跨混凝土箱梁采用移動支架施工，主跨 鋼箱梁則采用懸臂拼裝施工鋼箱梁共分為11個 節(jié)段，從索塔向邊墩的節(jié)段編號依次為MlMil. 索塔兩側(cè)各布置了 9對斜拉索，從索塔向主跨方向 的拉索編號分別為J1J9,向邊跨方向的拉索編號 分別為A1A9.單（4：tnS 1主橋立面示*該橋空間受力待點明顯，尤其是塔、燉、菜固

3、接 節(jié)點部位的受力較為復雜承受來自主梁的釉力、剪 力、彎矩及扭矩作用。為保證結(jié)構在施工過程中的 安全以及成橋階段的線形滿足要求本文考慮了溫 度、徐變以及在施工過程中的各種荷載對各施工階 段索塔斜拉索、鋼箱梁以及混凝土箱梁的應力或變 形進行了仿真分析，分析結(jié)果為該橋的施工控制提 供理論依據(jù)。墓金巧目：湖北宵自能科學墓金序目頊目編號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仿真分析的目的和內(nèi)容 11仿真分析的目的斜拉橋的施工桂制實質(zhì)就是最大限度地使各施 工階段實際狀態(tài)與理想狀態(tài)相一致，但理論預測不 可避

4、免存在誤差.要實現(xiàn)工程實際與理論預測相吻 合，就必須全面了解可能使施工狀態(tài)偏離理論設計 狀態(tài)的所有因素，以便對施工過程進行有效控制. 斜拉橋?qū)儆诟叽纬ФńY(jié)構，所采用的施工方法、安 裝程序與成橋線形、結(jié)構恒載內(nèi)力有著密切的聯(lián) 系.在施工階段隨著結(jié)構體系和荷載狀態(tài)的不斷 變化,結(jié)構內(nèi)力和蠻形也隨之不斷變化.為了發(fā)現(xiàn) 施工中存在的何題或者可能出現(xiàn)的問題，需采用計 算機對斜拉橋的施匸進程、施工工序中涉及的眾多 因素進行全過程模擬分析.因此,建立仿真模型，按 現(xiàn)場參數(shù)進行計算，并根據(jù)施工中的實測數(shù)據(jù)對這 些參數(shù)進行分析，以使施工過程的仿真計算能與實 際施工相符并對下一階段施工進行預測，是斜拉橋 施工控

5、制的核心.飛龍島大橋塔梁固結(jié)，結(jié)構構造復雜，空間受力 狀態(tài)明顯，對施丁箱度要求髙，且獨塔斜拉橋?qū)τ谑?工誤基的影響更為敏感.施工過程中，鋼箱梁拼裝 還將產(chǎn)生較大的焊接變形，這些誤差將可能導致結(jié) 構線形嚴重備離理論計算線形.因此，分析施工過 程中的結(jié)構變形和受力狀態(tài)，是保證斜拉橋順利修 建的必要條件.近年來，國內(nèi)外對常規(guī)斜拉橋的施 工控制已進行了許多深人的研究，施工全過程分析 作為施工控制前期的主要工作，目前常采用平面桿 系有限元方法進行.對于曲塔混合梁斜拉橋這種空 間受力待點明顯的橋型來說，通常的平面有限元很 難精確模擬結(jié)構施工全過程的真實狀態(tài)，空間分析 已成為仿真分析的必然選擇.1.2仿真分

6、析的主要內(nèi)容在大跨度斜拉橋施工過程中，施工控制的主要 工作包括：（1）根據(jù)狀態(tài)變赴（控制點標高、索力、控 制截面應力）的實測值與相應理論值的差別對影響 參數(shù)進行誤差識別K2）根據(jù)已施工階段的影響參數(shù) 識別結(jié)果對其后施工的相應參數(shù)進行誤差預測, （3）根據(jù)已識別或橫測的影響參數(shù)的誤差，以成橋狀 態(tài)結(jié)構控制截面內(nèi)力為控制目標對控制張拉索力 進行最優(yōu)控制，求出其調(diào)整值；（4計算影響參數(shù)的 誤差和控制張拉索力的調(diào)整值對成橋標高的影響， 求出主梁標高的調(diào)矗值.因此，相應的施工過程 仿真分析需要進行多次的結(jié)構重分析，如理想倒退 分析、實時前進分析等.首先要建立有限元結(jié)構模 型和施工階段模型其中包括單元模型

7、、節(jié)點信息、 結(jié)構材料特性、邊界條件、荷載分布等.*飛龍島大橋施工過程的仿真分析內(nèi)容包括： （1各施工階段的張拉索力值和主梁驚高；（2）各施 工階段梁段的狀態(tài)變貸值，斜拉索的索力變化、主梁 測點標高值以及索塔的位移值;（3）施工過程中主梁 和索塔上控制截面的應力和應變值；（4）典型狀態(tài)下 全橋的索力、標高、索塔位移及控制戡面應力值典 型狀態(tài)包括毎掛一對拉索、拆除臨時墩前后以及施 加二期恒載前后狀態(tài).具體步驟如下.（】）橋梁結(jié)構設計驗算.一般可以采用設計部門確定的設計成橋狀態(tài)作 為監(jiān)控計算初始狀態(tài).監(jiān)控計算應對設計成橋狀態(tài) 進行復核驗算，對結(jié)構關鍵部位的應力、位移尊進行 檢査，是否満足規(guī)范要求，

8、并進行過程優(yōu)化以確定最 優(yōu)成橋狀態(tài),并以此作為監(jiān)控計算的初始狀杰.（2）對施工各階段進行跟蹤計算。由于理論設計參數(shù)與實際參數(shù)存在差異以及施 工荷載、實際斜拉索索力、線形等不可能與理論計算 完全一致，必須根據(jù)實測索力、線形、溫度及應力等 修改計算控制參數(shù)，如梁體剛度、梁重、混凝土收縮 徐變系數(shù)等,進行反復計算，按最小二乘法擬合橋梁 控制參數(shù)值，使計真值與實測值之間的差別達到最 小，再根據(jù)前面階段所擬合的參數(shù)值及實測索力、線 形、溫度及應力等計算下一階段的合理索力及線形 的調(diào)整址.（3）成橋索力調(diào)整計算。將實測索力、線形與設計索力、線形進行比較, 對索力偏離設計值較大的索或線形偏離設計值較大 的梁

9、段處的索進行調(diào)整,優(yōu)化調(diào)索程序，使全橋索力 與線形均能滿足設計要求.2施工仿真分析模型的建立仿真模型（如圖2）中斜拉索采用索單元，主梁 和主塔采用空間梁單元進行模擬，橋面以上塔柱根 據(jù)拉索的錨固點位建來劃分單元，下塔柱按截面變 化來劃分單元在主梁的單元劃分和節(jié)點位置設置 上，對于每個拉索的錨固點和吊車的錨固點位置都 設置相應的節(jié)點，主梁與斜拉索的聯(lián)系通過主梁橫 向伸出的剛性連接與斜拉索單元的連接來模擬.全 橋離散為175個節(jié)點；173個單元，其中主梁81個 單元，塔、墩共56個單元，斜拉索共36個單元.圖2曲塔混合臺斜拉橋畜限元橫型施工控制前期唯備階段，結(jié)構計算中的參數(shù)通 常取自相關設計資料，

10、但也可根據(jù)工程經(jīng)驗對某些 參數(shù)進行適當修改次便更符合實際情況.在施工控 制階段，還應根據(jù)結(jié)構設計參數(shù)與實際悄況之間的 差異、施工誤差、測蚩誤差、結(jié)構計算分析模型與工 程實際之間的差異導確定是否對控制計算參數(shù)進行 調(diào)整.仿真分析中啊材及混凝土的材料特性如表1 所示，彈性模撬及線膨脹系數(shù)均按規(guī)范取值。有限 元分析過程中，鋼箱梁的截面特性考堪了縱向加勁 肋的形響.根據(jù)施工方案，將鍍個仿真計算分為26 個工況，如表2所示.» 1主梁材料性能匯總頊目(Q3<5qD)瑣目C50彈性«t/MPa210 000彈性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軸向容許應力/MPa200輸心抗壓乞度標32.4彎曲容許應力/MPa210輸心抗拉冬度標Mffi/MPa2. 65舅切容許應力/MPa120抽心抗樂魚度設計ffl/MPa22.4屈強度/MPa345輸心抗拉魚度設計值/MPa1.83線膨脹累數(shù)0.000 0120.000 013施工過稈仿更分析主要結(jié)果通過對表2中各工況的計算分析，得到了各施 工階段主梁、索塔的應力和位移以及斜拉索的索力. 表3給岀了斜拉索的施工索力和成橋索力.各典型 工況主塔截面最大亞力的分布如圖3所示，各施工 階段索塔塔頂?shù)乃轿灰谱兓鐖D4所示.最大懸衰2斜拉橋施工過程仿JI分析計算工

12、況工況號工況內(nèi)容r況號工況內(nèi)容01縈塔鑫工14張拉A9安裝M9張拉J902邊時現(xiàn)楓段麾工15«« M10.MIL合龍主蹄03張拉邊跨8i應力束16M Aljlfi二次張拉04張拉A】斜拉索17對A2J2進行二次張拉05安裟Ml.張拉JI18對A3J3 3ff二次張竝06張拉A2安裝M2,張拉J2】9對A4、J4進行二次張拉07張K A3安裝M3.*拉J3對A5J5進行二次張拉08張拉A4,安裝M4張拉”21對A6J6進行二次張拉09張拉A5安裝M5.張拉J522對A7.J7進行二次張拉10張拉A6,安蔑M6.W拉J623對A8J8進行二次張拉11*拉A7安裝M7張拉J724

13、MA9J9進行二次張拉12張拉A8安裳M8張拉J825拆除邊跨現(xiàn)盤支架13施加邊跨配電26習狀態(tài)和成橋狀態(tài)鋼箱梁、混凝土箱梁截面的最大 應力分別見圖5和圖6.曲塔斜拉橋仿真分析結(jié)果表明，索塔混凝土在 施工過程中處于全截面受壓狀態(tài).從圖3可看出,4 種典教工況中主塔各截面最大應力值不超過 7 MPa.注盤到各工況之間的應力差別較小且變化 均勻，這說明主塔自身能剛度足夠大,足以保證鋼箱 梁的懸拼施工順利進行，相對于傳統(tǒng)的賀塔而育, 曲塔的水平偏位在施工過程中的變化更為明顯，將 塔頂處的水平値位控制生一定范圍內(nèi)也是施工控制 的一項重要工作.從圖4來看，施工過程中曲塔塔 頂最大水平位移為5.2 cm,

14、施工過程結(jié)東后，塔頂 水平僞位則不超過1 cm,以上兩項指標均滿足設計 的控制要求.從圖5可看出，最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)鋼箱240公 路2009年第9期2009年第9期新敏超等：曲塔混合變斜拉橋施工控制仿真分析241«3 ««*!»力及成橋累力*號初張拉力二次調(diào)索成橋索力設計索力差值/%您號勿張拉力二次測家成橋索力設計窩力差值/%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：曲塔混合變斜拉橋施工控制仿真分析2412009年第9期新敏超等：曲塔混合變斜拉橋施工控制仿真分析241010203040506070QdW/總ffix«I®tftt桿K3典盤工況主塔面量大應力101eg-Rw*«3ty4H+lK理 O-1O-2O g-R234<*fifftt9草30距鋼混結(jié)合段位置An2009年第9期新敏超等：曲塔混合變斜拉橋施工控制仿真分析24195 大成橋狀杰翔箱梁徽面量大應力梁最大應力分別為15.8MPa、37.1 MPa,其值均小 于相關規(guī)范的容許應力值.從圖6可看出，混凝土 箱梁截面存施工過稈中處于全截面受圧狀杰成橋 階段的正應力值