矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型構(gòu)建與應力分析

易成

摘 要：采用塔梁同步施工工藝可以在一定程度上縮短矮塔斜拉橋的施工工期，但也會給塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應力形成較大影響。研究以我國蘭合鐵路某段矮塔斜拉橋為例，對該工程開展同步施工階段矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型進行構(gòu)建，分析了該工程局部應力分布規(guī)律，通過模型模擬分析結(jié)果與實際工程測試數(shù)據(jù)對比，對該模型的準確性進行驗證。

關鍵詞：矮塔斜拉橋；塔梁墩；固結(jié)粘接部位；分析模型；局部應力

中圖分類號：U445.58+8

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0162-04

Local model construction and stress analysis of consolidation and bonding parts of pier of short tower cable-stayed bridge

YI Cheng

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xian 710043，China）

Abstract：The construction period of short tower cable-stayed bridge can be shortened to a certain extent by using the tower beam synchronous construction technology，but it also has a great influence on the local stress of the consolidation and bonding parts of tower beam pier.Taking a short tower cable-stayed bridge of Lanhe Railway as an example，a local model of the consolidation and bonding position of the tower girder pier of the short tower cable-stayed bridge during the synchronous construction phase of the project was constructed.The local stress distribution law of the project was analyzed and the accuracy of the modified model was verified by comparing the model simulation analysis results with the actual engineering test data.

Key words：low-pylon cable-stayed bridge;tower beam pier;consolidation and bonding site;analysis model;local stress

傳統(tǒng)的矮塔斜拉橋在施工過程中大多會選擇先塔后梁的技術(shù)，即先對矮塔進行建設后再開展梁等部分的建設。為了優(yōu)化工期，部分矮塔斜拉橋在施工過程中逐漸摒棄了這種先塔后梁的技術(shù)，選擇了塔梁同步施工工藝［1］。這種施工工藝能夠根據(jù)建設項目的工程特點大大縮短施工時間。然而，塔、梁的同步施工會給塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應力帶來較大的影響，如果計算不當有時會給工程帶來巨大的風險。因此，本文以我國蘭合鐵路某段矮塔斜拉橋為例，建立了一種專門針對塔梁同步施工工藝塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應力的分析模型，通過該模型監(jiān)控和分析塔梁同步施工過程中各局部應力的變化情況，以掌握矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部應力分布規(guī)律，保證相關工程建設的合理、安全。

1 項目背景

1.1 項目概況

該項目位于蘭合鐵路某段，整體分為3個不同橋垮，其中1號橋跨全長135 m，2號橋垮240 m，3號橋垮195 m。圖1為該橋梁的基布結(jié)構(gòu)示意圖。

從圖1可以看出，該橋梁為典型的矮塔斜拉橋，其拉鎖為雙索面扇形布置，圖中所示部分總共設置44對斜拉索，項目施工主要結(jié)構(gòu)包括路基、橋梁、隧道、互通、涵洞工程等［2］；橋墩固結(jié)粘接部位采用低水化熱水泥，如礦渣硅酸鹽水泥粘接加工所成。橋梁各部分主要指標參數(shù)值如表1所示。

1.2 設計荷載

該橋梁總質(zhì)量23 540 t，設計載荷掛籃每套重2 550 kN，共設計斜拉索44對，設計合攏吊架質(zhì)量350 kN。表2為該橋梁部分矮塔斜拉索設計索力值。

梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土砂漿初凝時間高于0.5 h；3 d養(yǎng)護齡期的橋梁伸縮縫過渡區(qū)環(huán)氧樹脂混凝土的抗壓強度約89.7 MPa，抗折強度約21.8 MPa，粘接強度為2.86 MPa，彈性模量為14.8 GPa，斜拉索設計索力值可以達到橋梁設計載荷的需求。經(jīng)過紫外老化和濕熱老化處理后，矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位力學性能需要超過國家水泥混凝土路面設計特重交通等級水凝混凝土強度規(guī)定；同時，還需要具有良好的耐老化性能。

1.3 矮塔斜拉橋塔梁同步施工步驟

塔梁同步施工主要指的是矮塔斜拉橋的大橋主體上部分結(jié)構(gòu)和主梁部分則采用懸臂澆筑的方法進行施工［3］。塔梁同步施工中轉(zhuǎn)體部分位于第2跨和第3跨，設計采用鋼箱梁T型剛構(gòu)。圖2為該項目的主要施工步驟。

矮塔斜拉橋的同步施工共經(jīng)歷2條不同線路，主體上部分結(jié)構(gòu)經(jīng)過塔柱支架施工、塔柱施工、若干次斜拉索施工等步驟；主梁部分則采用支架現(xiàn)澆、矮塔斜拉橋施工、若干次掛籃懸澆和吊架現(xiàn)澆合龍等步驟［4］。2條路線經(jīng)過同時施工實現(xiàn)矮塔斜拉橋的同步施工。

2 矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建邏輯

本次構(gòu)建矮塔斜拉橋梁墩固結(jié)部位局部模型主要目的為分析該橋梁在開展同步施工時的局部應力情況。在進行模型構(gòu)建時以Midas系列軟件對橋梁的整體桿模型進行搭建，再以該整體桿模型為基礎對梁墩固結(jié)部位在不同施工步驟、邊界連接等情況下進行網(wǎng)格劃分，得到矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位局部模型并進行應力分析［5］。

2.2 梁墩固結(jié)粘接部位局部模型構(gòu)建

2.2.1 計算模型范圍選取與網(wǎng)格劃分

根據(jù)文獻［6］提出的理論，將該矮塔斜拉橋中心位置為原點，以對稱的方式向矮塔斜拉橋2延伸方向各取24 m為一階段進行x軸劃分，以19 m為一階段進行y軸劃分；圖3為該矮塔斜拉橋塔梁墩團結(jié)部位局部網(wǎng)格劃分圖。

圖3矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部網(wǎng)格劃分圖以原點為對稱點，將對稱點處界面設為第0號塊，以原點所在位置的垂直截面為對稱面將模型分為2部分。其中主塔、主梁及橋墩部分為固結(jié)部位核心構(gòu)件，該構(gòu)件向下0～8.5 m將矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部網(wǎng)格按照每0.3 m一階段進行劃分；該構(gòu)件向下8.5～29 m按照每0.5 m一階段進行劃分；該構(gòu)件向下29 m以下按照每1.0 m一階段進行劃分［7］。

2.2.2 預應力鋼束模擬

該項目的應力分析只考慮矮塔斜拉橋橋梁主梁的x軸與y軸預應力鋼筋作用。在對塔梁墩固結(jié)部位進行預應力鋼束模擬時，利用Midas系列軟件內(nèi)的強化功能賦予圖4所示，矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部網(wǎng)格劃分圖不同網(wǎng)格各自的特性，將預應力值設定在預應力鋼筋的始末兩端，通過軟件的自主運算得到鋼束信息［8］。通過軟件分析可知該項目預應力鋼筋網(wǎng)格劃分尺寸為0.1 m。

2.2.3 主要結(jié)構(gòu)件材料特性

根據(jù)以往相同類型工程建設實例采用C55、C50、C40混凝土分別作為矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)粘接部位的主梁、橋塔與橋墩的建筑材料。表3所示為構(gòu)件各材料的主要特性如彈性模量、泊松比等的統(tǒng)計結(jié)果。

2.3 梁墩固結(jié)粘接部位局部應力分析

以0號塊對稱面中心點為原點設定距離該原點處沿x軸方向0、3.5、4.6、6 m位置處分別為梁墩固結(jié)部位中心處、橫隔板縱向中心處、主梁懸臂根部、梁墩固結(jié)部位0號塊端部節(jié)點，以0號塊對稱面中心點為原點設定距離該原點處沿y軸方向0、2.7、5.1、6 m位置處分別為梁墩固結(jié)部位中心處、箱式頂板中心、邊腹板內(nèi)表面、邊腹板外表面節(jié)點，開展縱向正應力分析、橫向正應力分析等。

2.3.1 縱向正應力分析

經(jīng)軟件分析后得到表4所示的梁墩固結(jié)粘接部位第0號塊頂板上緣、底板下緣沿x軸位置及頂板上緣沿z軸位置縱向正應力在最大懸臂狀態(tài)下的波動情況結(jié)果。

從頂板上緣沿x軸方向縱向正應力來看，主梁頂板上緣應力隨距中點距離縮小呈現(xiàn)出先減小后升高并略顯對稱的變化狀態(tài)，最大應力為據(jù)中心點距離12 m處，此時應力可達-16.8 MPa；底板下緣沿x軸方向縱向正應力的變化狀態(tài)與頂板上緣極為類似，通常隨距中點距離縮小呈現(xiàn)出先減小后升高并略顯對稱的變化狀態(tài)，最大應力為據(jù)中心點距離12 m處，此時應力可達3.6 MPa，但是底板下緣在距中心點-9、-6、6、9、12 m時的差距并不大。

從頂板上緣沿z軸方向縱向正應力來看，主梁頂板上緣應力隨距中心點距離縮小呈逐漸增大狀態(tài)，并于中心點處達到最大值-13.4 MPa；在距離該原點相同距離的-9、9 m等位置縱向正應力的絕對值極為接近，整體分布具有較強的對稱性。

2.3.2 橫向正應力分析

經(jīng)軟件分析以后得到表5所示梁墩固結(jié)粘接部位第0號塊頂板上緣沿x軸位置及頂板上緣沿z軸位置橫向正應力在最大懸臂狀態(tài)下的波動情況。

從頂板上緣沿x軸方向橫向正應力來看，主梁頂板上緣應力隨距中點距離縮小呈現(xiàn)出先增大后減小并略顯對稱的變化狀態(tài)，最大應力為據(jù)中心點距離-6、6 m處，此時應力可達-3.1、3.33.1 MPa。從頂板上緣沿z軸方向橫向正應力來看，主梁頂板上緣應力隨距中心點距離縮小呈逐漸增大狀態(tài)，并于中心點處達到最大值3.9 MPa，整體分布同樣具有較強的對稱性。

3 模型推測與實測數(shù)據(jù)對比分析

3.1 頂板應力增量對比

表6所示為模型經(jīng)過計算后得到的頂板應力增量值與實際施工過程中相同位置的實測數(shù)據(jù)對比情況結(jié)果。

從推測值與實測值對比情況來看，模型推測值最大誤差處出現(xiàn)在邊跨最大懸臂位置，此時的推測誤差約為0.8 MPa；其次為全橋合龍?zhí)?，誤差約為0.7 MPa。其余部分的誤差基本集中在0.1或0.2 MPa左右。可見在頂板應力增量分析方面該模型的誤差基本在可接受范圍內(nèi)。

3.2 底板應力增量對比

表7所示為模型經(jīng)過計算后得到的底板應力增量值與實際施工過程中相同位置的實測數(shù)據(jù)對比情況結(jié)果。

從推測值與實測值對比情況來看，模型推測值最大誤差處出現(xiàn)在二期環(huán)節(jié)，此時的推測誤差約為1.2 MPa；其次為中跨合龍?zhí)?，誤差約為0.8 MPa；其余部分的誤差基本集中在0.1或0.2 MPa左右?？梢娫诘装鍛υ隽糠治龇矫嬖撃Ｐ偷恼`差基本在可接受范圍內(nèi)。

綜合來看，該模型基本可以滿足矮塔斜拉橋塔梁墩團結(jié)部位局部應力分析，其誤差主要集中在邊跨最大懸臂、全橋合龍、二期及中跨合龍等施工工藝環(huán)節(jié)。

4 結(jié)語

研究以國內(nèi)某項目為例，對矮塔斜拉橋塔梁墩固結(jié)部位局部應力分析模型進行構(gòu)建，以工程施工中的實測值與模型推測值進行對比。結(jié)果表明，該模型除在邊跨最大懸臂、全橋合龍、二期及中跨合龍等施工工藝環(huán)節(jié)的推測值存在一定誤差外，其他施工環(huán)節(jié)的誤差很小，基本增量誤差均為0.1、0.2 MPa，該模型可以應用在實際的工程施工環(huán)節(jié)。

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