基于有限元正裝迭代懸拼拱橋合理施工索力優(yōu)化

朱華棟，卓小麗

(1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 414600；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000)

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橋梁工程

基于有限元正裝迭代懸拼拱橋合理施工索力優(yōu)化

朱華棟1，卓小麗2

(1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 414600；2.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000)

結(jié)合貴州龍場渡槽對千斤頂斜拉扣掛法施工中合理施工索力的計(jì)算進(jìn)行研究，提出以扣塔偏位和拱圈應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化思想，采用有限元分析軟件對施工過程正裝模擬，通過正裝迭代得到合理施工索力，為類似工程提供索力計(jì)算依據(jù)。

斜拉扣掛；合理施工索力；有限元；正裝迭代；索力優(yōu)化

1 工程背景

龍場渡槽為單跨拱式渡槽，主拱圈為單箱雙室鋼筋混凝土箱形拱，凈跨徑200 m，凈矢高f0=40 m，矢跨比1/5。拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=2.240。拱箱為變截面，拱寬從12 m漸變?yōu)?.5 m，箱高3.5 m。

拱圈0#節(jié)段采用貝雷架反拉現(xiàn)澆方案，1#～13#節(jié)段采用預(yù)制吊裝，拱頂設(shè)勁性骨架合龍段。每安裝完成一個(gè)節(jié)段，立即澆筑當(dāng)前節(jié)段與上一節(jié)段間的接縫，待接頭混凝土達(dá)到85%以上設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，方可吊裝下一節(jié)段。主拱圈采用整體分段預(yù)制和懸臂(纜索吊裝配合斜拉扣掛工藝)安裝方案，縱向分為26段預(yù)制吊裝，為方便預(yù)制施工和吊裝安全，橫向兩箱整體預(yù)制。預(yù)制段的縱向通過榫頭搭接相連，每安裝1節(jié)段后，將前面節(jié)段接頭的現(xiàn)澆砼澆筑完畢，增加拱圈的整體剛度與接頭的強(qiáng)度，保證施工安全。

2 施工索力初步計(jì)算

根據(jù)實(shí)際施工方案，采取兩次張拉工藝，基于接頭的特殊性，提出“一張平衡自重，二張調(diào)節(jié)內(nèi)力的”原則。指導(dǎo)施工索力計(jì)算。初步計(jì)算施工索力。

基于計(jì)算結(jié)果，采用結(jié)構(gòu)分析專用軟件MIDAS CIVIL 2012對施工過程進(jìn)行正裝模擬。

根據(jù)模擬結(jié)果可得到拱圈應(yīng)力包絡(luò)圖、拱圈變形包絡(luò)圖，結(jié)果如下。

根據(jù)圖1至圖2可知，初步計(jì)算索力作用下拱圈上緣最大拉應(yīng)力為1.8 MPa，最大壓應(yīng)力8 MPa，而拱圈下緣最大拉應(yīng)力達(dá)到了5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過C55混凝土抗裂要求的1.92 MPa，截面應(yīng)力過大，無法滿足設(shè)計(jì)要求。故需對初步計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正裝迭代優(yōu)化。

圖 1 初步計(jì)算索力作用下拱圈截面上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖 2 初步計(jì)算索力作用下拱圈截面下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

3 施工索力優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

基于初步計(jì)算結(jié)果，以拉索安全系數(shù)，拱圈截面應(yīng)力，扣塔塔偏滿足要求為優(yōu)化目標(biāo)，對扣索索力進(jìn)行修正。最終迭代結(jié)果要求在保證拉索安全系數(shù)足夠的情況下，施工過程中的拱圈截面應(yīng)力和扣塔塔偏均收斂，經(jīng)過多次迭代，優(yōu)化結(jié)果如下。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)各工況優(yōu)化結(jié)果可得到拱圈應(yīng)力包絡(luò)圖、拱圈變形包絡(luò)圖及鋼扣塔偏位包絡(luò)圖，結(jié)果如下：根據(jù)圖3至圖5可知，正裝迭代優(yōu)化后索力作用下拱圈上緣最大拉應(yīng)力為0.8 MPa，最大壓應(yīng)力3.5 MPa，拱圈下緣最大拉應(yīng)力減小至0.5 MPa，滿足混凝土抗裂要求的1.92 MPa。同時(shí)，鋼扣塔在該組索力作用下最大變形減小至21 mm，滿足規(guī)范要求。故該組索力可在二次張拉工藝中實(shí)現(xiàn)拱圈應(yīng)力、索力及扣塔偏位多目標(biāo)控制。

圖 3 優(yōu)化索力后拱圈截面上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

4 結(jié) 論

千斤頂斜拉扣掛工藝實(shí)現(xiàn)多次張拉較便利，基于該工藝提出“一張平衡節(jié)段自重，二張調(diào)節(jié)拱圈應(yīng)力”的索力控制原則。以該原則為索力優(yōu)化思想，將拱圈應(yīng)力、扣塔偏位作為優(yōu)化目標(biāo)，建立有限元施工過程模型，對索力進(jìn)行正裝迭代優(yōu)化，得到最終合理施工索力，指導(dǎo)施工。龍場渡槽順利成拱驗(yàn)證了該法的可行性。

圖 4 優(yōu)化索力后拱圈截面下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖 5 優(yōu)化索力后鋼扣塔偏位包絡(luò)圖

[1] 周水興,蔡凈,熊洪濱.定長扣索法安裝拱析架一竹段控制索力計(jì)算[J].工程力學(xué)，2001.

[2] 周水興.浙江三門健跳大橋拱肋安裝與施工控制計(jì)算[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.

2016-04-12

朱華棟(1991-)，男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：橋梁施工控制。

U442

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1008-3383(2016)08-0069-01