利用MI DAS實(shí)現(xiàn)斜拉橋無(wú)應(yīng)力狀態(tài)施工控制

錢(qián) 江

（檀慕信息技術(shù)（上海）有限公司，上海 200233）

0 引言

對(duì)于斜拉橋成橋合理狀態(tài)的確定，可以用剛性支撐連續(xù)梁法、零位移法、影響矩陣法等一系列方法進(jìn)行求解。但是斜拉橋的施工過(guò)程很大程度影響了成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)與成橋線(xiàn)型，同時(shí)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，收縮徐變又增加了問(wèn)題的復(fù)雜性，如何確定斜拉橋滿(mǎn)足成橋目標(biāo)狀態(tài)要求的中間施工過(guò)程的內(nèi)力和線(xiàn)形，這是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

傳統(tǒng)習(xí)慣用倒拆與正裝的方法，以成橋的目標(biāo)狀態(tài)為計(jì)算的起始點(diǎn)，按正裝的逆序進(jìn)行倒拆計(jì)算，通過(guò)內(nèi)力和位移數(shù)值的累加確定斜拉橋施工各中間階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線(xiàn)形。由于倒拆是一個(gè)虛擬的過(guò)程，倒拆計(jì)算完成后，需按倒拆計(jì)算確定的施工各階段的斜拉索張力值進(jìn)行正裝計(jì)算。但是考慮收縮徐變及體系轉(zhuǎn)換的影響，倒拆與正裝的結(jié)果是閉合不了，同時(shí)由于其計(jì)算較為復(fù)雜，又是以力作為中間的控制量，考慮實(shí)橋施工的臨時(shí)荷載和溫度影響時(shí)，效果往往不太理想［1］。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)和施工復(fù)雜程度的增加，尋找和控制合理施工狀態(tài)的難度加大，傳統(tǒng)方法已不適應(yīng)工程的發(fā)展需要，一種用構(gòu)件無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量聯(lián)系過(guò)程狀態(tài)和最終狀態(tài)的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法應(yīng)運(yùn)而生［1］，該方法由中鐵大橋局秦順全提出，已成功的運(yùn)用于國(guó)內(nèi)多座大型斜拉橋，取得了良好效果。

本文主要利用MIDAS軟件建立三維模型，采用無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法模擬施工階段，控制無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度及無(wú)應(yīng)力曲率保持不變，最終結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與目標(biāo)狀態(tài)精確閉合。

1 無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法原理

無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法可以簡(jiǎn)單的描述為：一定的外荷載、結(jié)構(gòu)體系、支承邊界條件、單元的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量組成的結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移是唯一的，與結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程無(wú)關(guān)［2］。

結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)力和位移隨結(jié)構(gòu)的加載、體系的轉(zhuǎn)換和斜拉索的張拉而變化，單元無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度只有人為調(diào)整才發(fā)生變化，當(dāng)荷載和結(jié)構(gòu)體系一定時(shí)，單元無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的變化必然唯一對(duì)應(yīng)單元軸力的變化［3］。

只要安裝過(guò)程采用合理成橋狀態(tài)的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量，則通過(guò)分階段安裝計(jì)算得到的成橋狀態(tài)的內(nèi)力必然自動(dòng)滿(mǎn)足合理成橋狀態(tài)的要求［4］。而無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量與施工階段的內(nèi)力可相互轉(zhuǎn)換，因此可由無(wú)應(yīng)力狀態(tài)量的正裝計(jì)算很方便的求解施工中間狀態(tài)。

2 求解索單元無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

結(jié)合某實(shí)際工程，240m+450m+240m雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主塔采用H型，主梁斷面采用閉合箱型，頂面全寬21.2m，梁高4.5m，設(shè)置雙向2%的橫坡。斜拉索間距采用15m，采用PES7熱擠聚乙烯平行鋼絲拉索，PESM7冷鑄鐓頭錨錨固體系，塔端為張拉端，梁段為固定端，斜拉索兩端均采用張拉端錨具。斜拉索規(guī)格有PES7-121，PES7-139，PES7-163，PES7-199，PES7-241，PES7-283，PES7-337，PES7-451 共計(jì)8種規(guī)格，在midas Civil中建立全橋三維仿真模型，如圖1所示。

圖1 全橋三維模型

由于全橋邊中跨比接近0.5，因此可以采用零位移法思路進(jìn)行成橋索力調(diào)整，定義主梁與拉索相接點(diǎn)為豎向位移零點(diǎn)，利用midas未知荷載系數(shù)法功能，求解成橋索力，目標(biāo)為控制關(guān)鍵點(diǎn)的豎向位移為0，得到索力系數(shù)后，微調(diào)端部索力，以達(dá)到“塔直梁平”的最優(yōu)狀態(tài)，最后得到目標(biāo)成橋狀態(tài)內(nèi)力分布，如圖2所示。

圖2 調(diào)索后合理成橋狀態(tài)的內(nèi)力

建立模型后，定義一次落架的施工階段，考慮大位移幾何非線(xiàn)性分析，斜拉索用索單元模擬，最后可以得到每根索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，如表1所示。

表1 拉索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

3 考慮無(wú)應(yīng)力狀態(tài)施工模擬

建立施工階段正裝模型，共分為38個(gè)施工階段，考慮施工臨時(shí)荷載包括掛籃重量等影響，輸入每根索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，定義幾何非線(xiàn)性分析。無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法操作的關(guān)鍵有兩點(diǎn)，一個(gè)是無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度保持不變，第二個(gè)是無(wú)應(yīng)力曲率不變。為了讓分階段模擬的正裝計(jì)算結(jié)果能與一次落架模型結(jié)果閉合，需要保證合龍段激活時(shí)候是平曲線(xiàn)接順，這是無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法操作的核心。

通過(guò)正裝模擬，在中跨合龍前，梁段的轉(zhuǎn)角為0.00594rad，為了讓合龍段以平曲線(xiàn)接順的方式激活，施工過(guò)程一般用臨時(shí)加重或者調(diào)整索力的方式，讓其轉(zhuǎn)角達(dá)到0。本文采用臨時(shí)加重的方式來(lái)處理，可以通過(guò)影響矩陣法的思路進(jìn)行求解，最后求得當(dāng)配重為2612.5kN時(shí)，剛好使得其轉(zhuǎn)角為0。同時(shí)合龍前，梁端水平向位移為0.233m，采用頂推的方式，結(jié)合上述的思路，可以推算的水平力為312kN時(shí)，其水平位移為0。通過(guò)上述操作，最終得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)如圖3所示。數(shù)值上與圖2一致，可以說(shuō)是精確閉合。

圖3 考慮頂推作用結(jié)構(gòu)最終內(nèi)力

實(shí)際施工有時(shí)可能不做頂推模擬，在此也進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真分析，即合龍前只考慮豎向配重，不考慮水平頂推力，這樣施工結(jié)束后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力如圖4所示。對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，合龍前不考慮水平推力，對(duì)于主梁的內(nèi)力影響不大，通過(guò)數(shù)值對(duì)比，誤差大概在2%左右。但是對(duì)于主塔的內(nèi)力有較大的影響，原目標(biāo)狀態(tài)主塔的內(nèi)力基本接近為308kN·m，而不考慮頂推作用，最終主塔內(nèi)力為11738kN·m，這個(gè)變化在實(shí)際施工過(guò)程是不能忽略，需要慎重考慮。

圖4 不考慮頂推作用結(jié)構(gòu)最終內(nèi)力

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)闡述了無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法的原理，結(jié)合某實(shí)際工程，采用無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行斜拉橋正裝分析。通過(guò)計(jì)算標(biāo)明在實(shí)際施工過(guò)程中需要控制無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度及無(wú)應(yīng)力曲率保持不變，即保證合龍段是平曲線(xiàn)接順，施工結(jié)束后最終可以達(dá)到完全閉合的要求，這也證明了無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法理論的正確性與實(shí)用性。同時(shí)若不考慮合龍頂推模擬，最終可能對(duì)主塔的內(nèi)力有較大的影響，這點(diǎn)在施工過(guò)程中需要慎重考慮。

［1］秦順全.橋梁施工控制—無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法理論與實(shí)踐［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］秦順全.無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法斜拉橋安裝計(jì)算的應(yīng)用［J］.橋梁建設(shè)，2008（2）.

［3］黃曉航，高宗余.無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法宗述［J］.橋梁建設(shè)，2010（1）.

［4］李斌.無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法結(jié)合梁斜拉橋施工控制中的應(yīng)用［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.