鋼-混組合梁斜拉橋施工過程靜力特性研究*

劉耕,邢丙東,趙慶偉,王洪云,關(guān)文學(xué),楊則英,曲永業(yè)

(1.山東省交通工程監(jiān)理咨詢有限公司,山東 濟(jì)南 250101；2.山東大學(xué),山東 濟(jì)南 250100)

斜拉橋的內(nèi)力一直是橋梁設(shè)計(jì)中十分重要的問題,很大程度上反映斜拉橋結(jié)構(gòu)的安全性和合理性。對斜拉橋進(jìn)行仿真計(jì)算,分析施工中各部分的內(nèi)力和變形,對保證施工過程中及成橋狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)的安全非常重要。對于鋼－混組合梁結(jié)構(gòu),尤其需注意各施工階段中橋面板的應(yīng)力狀態(tài),防止其發(fā)生破壞。該文以濟(jì)齊黃河公路大橋?yàn)楣こ瘫尘?利用MIDAS分析鋼－混組合梁斜拉橋施工過程中的靜力特性。

1 施工過程模擬

斜拉橋的施工順序?qū)λ髁刂朴幸欢ㄓ绊?采用MIDAS建模分析時需盡可能按照實(shí)際施工順序進(jìn)行。濟(jì)齊黃河公路大橋模型的主要施工程序見表1。

表1 主橋施工步驟

續(xù)表1

2 施工階段分析

斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系及荷載隨施工的進(jìn)行會發(fā)生變化,各部分在不同施工階段的變形和受力都不相同,各有特點(diǎn)。主要針對主梁、索塔及斜拉索,分析鋼－混組合梁在施工過程中的靜力特性。

2.1 主梁的靜力特性

分別對鋼梁和橋面板的靜力特性進(jìn)行分析。

2.1.1 鋼梁應(yīng)力

離散出組合梁中鋼梁部分,對其應(yīng)力進(jìn)行分析。各施工階段鋼梁的最大應(yīng)力見表2,成橋狀態(tài)下應(yīng)力見圖1。

表2 施工階段鋼梁最大應(yīng)力 MPa

圖1 成橋狀態(tài)下鋼梁應(yīng)力(單位：Pa)

由表2、圖1可知：1)施工階段鋼梁的最大拉應(yīng)力為128.8 MPa,發(fā)生在15＃梁段,滿足鋼材的容許應(yīng)力。同一位置在不同施工階段的應(yīng)力分布不同,主要是在懸臂施工過程中,吊機(jī)等臨時荷載的裝卸會對鋼梁產(chǎn)生一定影響。2)成橋狀態(tài)下鋼梁應(yīng)力分布與各施工階段鋼梁的應(yīng)力分布有很大區(qū)別,不僅數(shù)值大小不同,而且施工過程中鋼梁可能受拉,成橋狀態(tài)下可能受壓。主要是因?yàn)槌蓸驙顟B(tài)下結(jié)構(gòu)體系和施工過程有很大區(qū)別。

2.1.2 橋面板應(yīng)力

砼的抗拉能力較弱,施工過程中需重點(diǎn)關(guān)注砼橋面板所受的拉應(yīng)力。各施工階段橋面板的最大應(yīng)力見表3,成橋狀態(tài)下應(yīng)力見圖2。

表3 橋面板各施工階段的最大應(yīng)力 MPa

圖2 成橋狀態(tài)下橋面板應(yīng)力(單位：Pa)

由表3、圖2可知：1)大部分施工階段橋面板的最大拉應(yīng)力滿足抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,僅有小部分橋面板的最大拉應(yīng)力超過設(shè)計(jì)值。推測是模擬計(jì)算中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致突變,和位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對后證明結(jié)構(gòu)安全。2)施工過程中,幾乎所有橋面板都出現(xiàn)了拉應(yīng)力。如果橋面板在施工過程中出現(xiàn)較多受拉開裂現(xiàn)象,將對橋梁整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。因此,需重點(diǎn)關(guān)注橋面板在施工過程中的應(yīng)力控制。3)橋面板在施工階段和成橋狀態(tài)的應(yīng)力分布有很大區(qū)別,成橋狀態(tài)下橋面板全部受壓,這與其受力特性有很大關(guān)系。成橋狀態(tài)下橋面板的最大壓應(yīng)力為15.2 MPa,符合抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,結(jié)構(gòu)安全。

2.1.3 主梁的彎矩和變形

成橋狀態(tài)下鋼梁和橋面板的彎矩分別見圖3、圖4,主梁變形見圖5。

圖3 成橋狀態(tài)下鋼梁彎矩(單位：N·m)

圖4 成橋狀態(tài)下橋面板彎矩(單位：N·m)

圖5 成橋狀態(tài)下主梁線形(單位：m)

由圖3可知：在共用墩、輔助墩和跨中部分,鋼梁呈現(xiàn)正彎矩,其余大部分為正彎矩。這和成橋狀態(tài)下主梁變形特點(diǎn)相吻合。成橋狀態(tài)下鋼梁最大正彎矩為20 278.1 kN·m,最大負(fù)彎矩為15 641.8 kN·m,符合斜拉橋設(shè)計(jì)對彎矩的要求。

由圖4可知：在共用墩、輔助墩、橋塔部分,橋面板呈現(xiàn)較大的負(fù)彎矩和正彎矩,其余大部分彎矩分布較均勻。成橋狀態(tài)下橋面板最大正彎矩為1 643.4 kN·m,最大負(fù)彎矩為3 610.3 kN·m,符合斜拉橋設(shè)計(jì)對彎矩的要求。

由圖5可知：成橋狀態(tài)下主梁變形與鋼梁和橋面板彎矩的分布規(guī)律基本一致,主梁在跨中和輔助墩有較大變形,豎向最大位移為41.0 cm。

2.2 索塔的靜力特性

索塔是斜拉橋受力的主要部分。對施工完成和成橋階段索塔的軸力、彎矩、應(yīng)力進(jìn)行對比分析。

2.2.1 索塔軸力

施工完成和成橋階段索塔的軸力分別見圖6、圖7。

圖6 施工完成階段索塔軸力(單位：N)

圖7 成橋狀態(tài)下索塔軸力(單位：N)

由圖6、圖7可知：1)施工完成階段,索塔的最大軸力發(fā)生在塔底,為160 649 kN。主要是因?yàn)槭┕ね瓿呻A段索塔只受自重的影響,越靠近塔頂,軸力越小。2)成橋狀態(tài)下索塔軸力比施工完成階段的軸力大,尤其是在索塔的上塔柱。主要是因?yàn)樗髁Φ挠绊?拉索主要錨固在上塔柱,成橋狀態(tài)下索力的分力會對索塔軸力產(chǎn)生一定影響。

2.2.2 索塔彎矩和變形

施工完成和成橋階段索塔彎矩和變形見圖8～11。

圖8 施工完成階段索塔彎矩(單位：N·m)

圖9 成橋狀態(tài)下索塔彎矩(單位：N·m)

圖10 施工完成階段索塔線形(單位：m)

圖11 成橋狀態(tài)下索塔線形(單位：m)

由圖8～11可知：施工完成階段索塔彎矩遠(yuǎn)小于成橋狀態(tài)下彎矩。成橋狀態(tài)下索塔最大彎矩發(fā)生在承臺,為289 636 kN·m,彎矩的分布特點(diǎn)與索塔的變形對應(yīng)。索塔彎矩主要集中在中下塔柱,這與實(shí)際索塔的形狀符合。

2.2.3 索塔應(yīng)力

施工完成和成橋階段索塔應(yīng)力分別見圖12、圖13。

圖12 施工完成階段索塔應(yīng)力(單位：Pa)

圖13 成橋狀態(tài)下索塔應(yīng)力(單位：Pa)

由圖12、圖13可知：施工完成階段索塔最大應(yīng)力為3.6 MPa,遠(yuǎn)小于成橋狀態(tài)下最大應(yīng)力11.3 MPa,但兩階段索塔應(yīng)力分布基本一致。成橋狀態(tài)下,中塔柱和下塔柱應(yīng)力分布較均勻,主要是由于其采用變截面設(shè)計(jì),從上到下截面面接越來越大。雖然上塔柱受到的索力分力從上到下越來越大,但由于上塔柱采用變截面設(shè)計(jì),其應(yīng)力分布也較均勻。索塔應(yīng)力分布均勻,有利于運(yùn)營時索塔的保持。

2.3 斜拉索的靜力特性

斜拉索呈空間扇形分布,兩側(cè)雙索面布置,每個索面在邊跨和中跨各布置16條拉索,采用7種不同規(guī)格的拉索。對成橋階段斜拉索索力和施工階段5＃、15＃拉索索力進(jìn)行分析,結(jié)果分別見表4、圖14、圖15。

由表4可知：成橋階段最大索力發(fā)生在中跨16段,為5 564.3 kN；成橋階段斜拉索索力由橋塔向兩側(cè)逐漸增大,有必要采用多種規(guī)格斜拉索；同一對拉索,中跨的拉索索力大于邊跨的拉索索力,索力的水平分力在中跨也大于邊跨,故索塔會向中跨部分偏移,與索塔變形結(jié)果一致。

表4 成橋階段斜拉索索力 kN

圖14 施工階段5#斜拉索索力

圖15 施工階段15#斜拉索索力

由圖14、圖15可知：在施工開始的階段,5＃、15＃拉索索力有較大變化；隨著施工的進(jìn)行,邊跨和中跨的拉索索力趨于平穩(wěn)；在橋面鋪裝階段,由于荷載的施加,索力又發(fā)生較大變化。

3 結(jié)論

(1)橋面板在各施工階段和成橋狀態(tài)的應(yīng)力分布有很大區(qū)別,尤其要注意橋面板在施工過程中的應(yīng)力控制。

(2)索塔采用變截面設(shè)計(jì)有利于索塔應(yīng)力的均勻分布。索塔的變形主要集中在塔頂,施工時尤其要注意對塔頂位移的監(jiān)控。

(3)施工過程中要重點(diǎn)監(jiān)測索力的變化,若需調(diào)整索力,需檢測主梁的應(yīng)力變化。