千米级斜拉桥主桥施工加载过程分析

第５卷　第３期　２００６芷　６月　广州大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．５　Ｎｏ．３　Ｊａｎ．２０ｏ６　文章编号：１６７１－４２２９（２００６）０３－００５４－０６　千米级斜拉桥主桥施工加载过程分析　张建民　，唐煦明２　（１．广州市市政Ｔ￣：ｇＮ量监督站，广东广州５１００５０；２．广西大学土木工程系，广西南宁５３０００４）　摘要：对某千米级斜拉桥的施工加载过程进行了分析，结合有限元步进法、一阶分析法和按龄期调整的有效　模量法，编制了相应的计算程序．根据该桥实际划分的施工时段，计算桥梁从施工到成桥任一时刻主粱和主塔　受力和变形状态。并提出了建议．　关键词：斜拉桥；施工控制；仿真计算　中图分类号：Ｕ　４４８．２７　文献标识码：Ａ　约８２　ｋｍ，下游离长江人海口约１０８　ｋｍ．综合考虑　１　工程概况　某千米级斜拉桥是交通部规划的黑龙江嘉荫　至福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通　道，也是江苏省公路主骨架之一赣榆至吴江高速　基础宽度、河势演变、船舶撞击等因素，双塔双索　面斜拉桥主跨跨径确定为１　０８８　ｍ，边跨跨径为　５００　ｍ．边跨设有两个辅助墩，全漂浮体系，边中跨　比为０．４６０，孔跨布置为１００＋１００＋３００＋１　０８８＋　３００＋１００＋１００　ｍ．总体布置如图１．　索塔为倒Ｙ型钢筋混凝土塔，塔柱为单箱单　公路的重要组成部分，上游距江阴长江公路大桥　图１某千米级斜拉桥立面图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｆｌ　ｔｈｏｕｓａｎｄ—ｍｅｔｅｒ　ｓｃａｌｅ　ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　室断面，承台以上塔高为２９７．７　ｍ．主梁高４．０　ｍ，　全宽为４０．６　ｍ，采用封闭扁平流线型钢箱梁，为　Ｑ３４５－Ｃ钢材，全焊连接．斜拉索采用低松弛高强　过千米的超大跨度斜拉桥目前还没有成功经验可　以借鉴，可能会出现新的特殊力学问题．本文采用　大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，详细研究该桥在施　度平行镀锌钢丝束，边跨索距为１０　ｍ、１６　ｍ，中跨　工过程中的受力和变形状态，为工程设计单位和　索距为１６　ｍ．全桥共设４×３４对斜拉索．为平衡　施工单位提供了依据．　索塔水平力、优化桥梁整体受力及克服支座负反　力，在边跨三个辅助墩上部的主梁２０　ｍ、２５　ｍ、　２分析方法　１６　ｍ范围内进行压重处理，压重分别按４５　ｔ・　ｍ～５９　ｔ・ｍ一、５４　ｔ・ｍ　考虑；二期恒载按全桥　２．１结构计算模型　７　ｔ・ｍ　考虑．　本桥为超大跨度斜拉桥，在施工过程开始之　随着跨度的增大，斜拉桥的刚度急剧下降．超　前，必须对全桥施工全过程进行仿真分析，以确定　、收稿日期：２００５—０６—１５　基金项目：中国博士后科学基金资助项目（２００３０３４２７９）　作者简介：张建民（１９６８一），男，高级工程师，博士，主要从事市政桥梁检测和施工控制研究　维普资讯 http://www.cqvip.com

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５６　广州大学学报（自然科学版）　第５卷　模量进行修正后作为第ｉ阶段的模量，以后各轮迭　代，利用上一轮相应阶段索力，用于本阶段弹模修　正计算．　（２）梁柱效应．斜拉桥主梁、主塔都工作在压　弯状态，引起了梁柱效应．用梁单元分析时，可用　稳定函数表示的几何非线性刚度矩阵或一般的几　何刚度阵来计人这一效应．　（３）大位移效应．由于斜拉桥具有柔性结构　特征，外荷载作用下结构变形较大，平衡方程必须　约束信息来模拟；新拼装单元自重、施工机具荷载　用单元荷载和节点荷载模拟．　（３）新拼装单元两端节点的坐标应由前一　阶段分析的结果决定，而不应取初始状态下相　应节点的坐标，因在结构分析中，节点坐标在不　断变化．　（４）在计算中考虑结构的几何非线性的影响，　按应力叠加法来进行计算．斜拉索的第一次张拉　采用在主梁相应位置施加大小和方向相同的集中　建立在变形后的位置上．可以用大位移刚度矩阵　或基于ｕ．Ｌ列式的有限位移理论（拖动座标法）　计人这一效应．　２．３材料非线性　由于本桥采用３００　ｉｎ的高塔柱，塔柱的徐变　压缩将直接影响施工中的桥面标高，合理充分地　估计塔柱的徐变影响是确定主梁预制长度时必须　考虑的因素．混凝土的徐变特性研究涉及到两个　方面：徐变系数和计算方法．但由于规范给出的徐　变系数的计算方式以图形曲线及表格形式出现，　不便于计算机分析，文献［３］将其表达成适宜电算　的公式．计算方法采用按龄期调整的有效弹性模　量法，其ｔ时刻的应力应变关系为　（　）：　（　。）＋　（２）　Ｄ　Ｄ∞　式中，Ｅ　责　为按龄期调整的有效弹性　１　１　模量，其中，ｐ　知一　对于不同的施工阶段，由于桥梁的结构体系　不同，各部分的加载龄期及起算龄期也各不相同，　所以在时效分析时，应根据具体的施工顺序，以实　际的混凝土加载龄期和起算龄期进行计算．　２．４程序设计　考虑到斜拉桥施工状态分析的特殊性，在设　计计算机仿真分析程序时，采取了相应的一些措　施，以模拟实际的施工过程．　（１）整个桥梁的施工分成若干阶段，各阶段的　分析内容一次性输入计算机，将所有单元虚拟化，　一次性输入各控制点初始坐标及材料、截面物理　特性，一次性计算出各节点初始坐标．　（２）在每一施工阶段中，新拼装的杆件用激活　该杆件两端节点信息来模拟；支座的增加、主梁间　临时铰的安装和拆除均可用激活和放松对应节点　力来模拟，第二次张拉采用给斜拉索施加初应变　并激活相应索单元的方法来进行模拟．　根据以上思路，针对千米级斜拉桥的施工特　点，对ＡＮＳＹＳ程序进行二次开发，利用ＡＰＤＬ语言　的迭代算法和ＵＰＦｓ语言的用户可编程特性，开发　了超长斜拉索模拟、混凝土时效特性模拟、斜拉索　索力（指定受力大小）多次张拉模拟、临时和辅助　墩只能受压不能受拉的支撑情况模拟等数十个子　程序．运用编制的计算机仿真分析程序，对千米级　斜拉桥施工过程中的受力和变形状态进行分析．　３计算结果分析　３．１　施工中的索力优化和线形控制　在进行斜拉桥施工过程仿真分析前，首先要　确定桥梁的合理施工状态．焊接钢箱梁斜拉桥主　梁施工中，与混凝土斜拉桥的立模标高的实现相　比，钢箱梁的拼装不能象混凝土梁段浇筑那样实　现主梁梁段连接处无应力转角和悬臂端标高的较　大调整．特别是转角误差对标高误差具有很大的　累积性影响效应，因此，钢箱梁斜拉桥的线形控制　实际较混凝土主梁斜拉桥的线形控制操作难度　大　Ｊ．因此，对千米级斜拉桥而言，施工阶段应以　线形控制为主，同时兼顾结构内力不超限，索力尽　量接近合理施工索力，成桥后再进行较小面和较　小幅度的索力调整，使结构的受力处于最优状态．　根据这一施工控制原则，将斜拉桥成桥后的　线形和主梁与主塔的最小弯曲应变能设为目标函　数，各主梁节段的预转折角和施工中斜拉索的张　拉力设为设计变量，通过附加必要的约束条件，利　用多目标最优化计算方法来确定斜拉桥各施工节　段的预抬高以及对应的张拉索力（另文发表），以　确保成桥后的主梁线形满足设计要求．计算结果　如图４、５．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　张建民等：千米级斜拉桥主桥施工加载过程分析　５７　幅度非常大，节段的预抛高值最大可达到２．１　ｍ，　而主跨合拢并施ＪＪｕ－－期恒载后，各控制点的理论　标高与设计线形的竖直向误差不超过１．２　ｃｍ．考　虑到每个主梁节段的长度为１６　ｍ，因此这些竖直　误差完全可以通过调整桥面铺装层的厚度来予以　消除．　３．２结构强度验算　桥梁施工控制的要求首先是确保施工中结构　堇　Ｒ　的安全，其次是保证结构的内力合理和外型美观．　为了达到上述目的，施工过程中还必须对桥梁各　部分的应力进行控制　Ｊ．将最优化分析中获得的　索号　谣　节段预转折角和斜拉索张拉力用于主梁悬臂拼装　计算中，得到不同施工阶段主梁和主塔的应力图，　如图６、７所示．　图５成桥后的索力　Ｆｉｇ．５　Ｃａｂｌｅｓ　Ｆｏｒｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ　ｄｅａｄ　ｓｔａｔｅ　在斜拉桥悬臂施工过程中，主梁的标高变化　图６各施工阶段主梁的轴向应力图　Ｆｉｇ．６　Ａｘｉａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｇｉｒｄｅｒｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　在施工阶段，主梁各计算截面最大压应力均　控制在１７５　ＭＰａ以内，拉应力控制在１４　ＭＰａ以　角点最大压应力均控制在混凝土容许压应力之　内．考虑到本阶段为施工阶段，材料容许应力值一　般可按比设计的容许应力提高２５％采用．Ｑ３４５　钢设计的容许应力为２１０　ＭＰａ，故本阶段Ｑ３４５钢　容许应力值按１．２５×２１０＝２６２．５　ＭＰａ控制，因而　未超过容许值．　施工过程中，主塔压应力控制在１４．８　ＭＰａ以　内，塔身各计算截面顺桥向和横桥向均处于小偏　心受压状态．各斜拉索的应力控制在７１７．６　ＭＰａ　以内．　３．３内力和变形验算　计算还对施工过程中钢箱梁的阶段内力和累　积位移、塔顶水平位移和临时及永久支座反力进　行了跟踪．一般情况下，本次斜拉索的张拉力仅对　前４至５个梁段的竖向位移及索力产生一定的影　响，之后则影响甚微．在施工阶段，主梁阶段累积　内，塔身无拉应力出现；索塔横联最大拉应力为　４．９９　ＭＰａ，可通过配置预应力钢筋来予以消除．　维普资讯 http://www.cqvip.com

５８　广州大学学报（自然科学版）　第５卷　位移最大为２．１０１　ｍ，最小为一０．２７１　ｍ；塔顶施工　过程最大水平位移为０．３６５　４　ｍ，辅助墩墩顶支座　最大反力为３　８１０．４　ｋＮ，最小为０．成桥后，主梁　侧应力和岸侧应力在最不利组合下尽量接近，从　的最大弯矩为１．２７０　５×１０　ｋＮ・ｍ～，主塔的最　大弯矩为２．０１５　５×１０　ｋＮ・ｍ～．为使各塔的江　而塔的受力达到最优，需使两个塔的成桥恒载状　态均向岸侧有一定的预偏．经过试算，塔顶宜向岸　侧水平预偏４　ｃｍ．成桥后主梁和主塔的弯矩见　图８．　图７各施工阶段主塔的轴向应力图　Ｆｉｇ．７　Ａｘｉａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｃａｂｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　姜　艳　辫　州　－４ＯＯ　－３００　－２００　．１００　０　ｌｏ０　２００　３００　４００　５００　弯矩／ｘ　１０３ｄ，￣．ｍ　（ａ）主塔弯矩图　主梁跨长，ｍ　（ｂ）主梁弯矩图　图８成桥后主梁和主塔的弯矩图　Ｆｉｇ．８　Ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇｉｒｄｅｒｓ　ａｎｄ　ｃａｂｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ　ｄｅａｄ　ｓｔａｔｅ　于该桥采用悬臂拼装法施工，主梁各节段前端结　４　结　论　通过对千米级斜拉桥的施工加载过程进行非　线性静力仿真分析，得到以下主要结论：　（１）大跨度钢斜拉桥的施工控制在施工阶段，　应以线形控制为主，而在成桥后对内力进行适当　调整；　点的竖向位移、塔顶的水平偏位以及各斜拉索的　成桥恒载索力往往成为控制目标；　（３）非线性对索力、主梁挠度、主梁内力的影　响程度不同．对于索力，最大综合非线性效应为　１７．４％：对于主梁挠度，非线性的影响在１０％以　上；对于主梁和主塔的弯矩，也在６．５％左右．在　（２）对于钢箱梁斜拉桥，钢材的允许拉、压应　力较大，主梁的应力基本上不控制设计．相反，由　施工阶段，非线性综合因素将引起主塔控制断面　应力最大增加９．４％，主梁控制断面应力最大增大　７１．９％，并使最大应力出现的截面位置发生了改变．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　张建民等：千米级斜拉桥主桥施工加载过程分析　５９　参考文献：　［Ｉ］韩富庆，胡３７．　可，寇明国．安庆长江公路大桥主桥施工控制仿真计算［Ｊ］．安徽建筑工业学院学报，２００２，１０（３）：３２—　ＨＡＮ　Ｆｕ—ｑｉｎｇ，ＨＵ　Ｋｅ，ＫＯＵ　Ｍｉｎｇ—ｇｕｏ．Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｖｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｖｅｒ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｉｎ　Ａｎｑｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，２００２，１０（３）：３２－３７．　［２］Ｎ　Ｊ　Ｇｉｍｓｉｎｇ，姚玲森，林长川．缆索承重桥梁的构思与设计［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９２．　Ｎ　Ｊ　Ｇｉｍｓｉｎｇ，ＹＡＯ　Ｌｉｎ—ｓｅｎ，ＬＩＮ　Ｃｈａｎｇ—ｃｈｕａｎ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃａｂｌｅ—ｂｅａｒｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｅｏｐｌｅ’ｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，１９９２．　［３］　张建民，郑皆连，秦荣．大跨径钢管混凝土拱桥混凝土时变模式分析［Ｊ］．重庆交通学院学报，２００１，２０（４）：１ｌ—ｌ５．　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎ—ａｍｉｎ，Ｚｈｅｎｇ　Ｊｉｅ—ｌｉａｎ，Ｑｉｎｇ　Ｒｏｎｇ．Ｔｉｍｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｌｏｎｇ　ｓｐａｎ　ＣＦＳＴ　ｒｃｈ　ａｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００１，２０（４）：１１—１５．　［４］郝超．大跨度钢斜拉桥的施工监控及其目标精度值［Ｊ］．中国公路学报，２００３，１６（１）：５４＿５７．　ＨＡＯ　Ｃｈａｏ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｇｏａｌ　ｏｆ　ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ　ｓｔｅｅｌ　ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｉｈｗａｙｇ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，２００３，１６（１）：５４＿５７．　［５］汪正兴，陈开利，庄２００２（６）：１１－１５．　茁，等．荆州长江大桥南汉通航孔主桥非线性仿真分析——成桥状态静力分析［Ｊ］．桥梁建设，　ＷＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ—ｘｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｋａｉ—ｌｉ，ＺＨＵＡＮＧ　Ｚｈｕｏ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｏｎｌｉｎｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ—ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｓｏｕｔｈｅｒｎ　ｂｒａｎｃｈ　ｎａｖｉｇｂｌａｅｍａｉｎ　ｓｐａｎ　ｏｆＪｉｎｇｚｈｏｕ　Ｃｈａｎｇ，ｉｉｎｇＲｉａｖｅｒＨｉｇｈｗａｙ　Ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ，２００２（６）：１１—　１５．　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｐａｎ　ｏｆ　ａ　ｔｈｏｕｓａｎｄ・・ｍｅｔｅｒ　ｓｃａｌｅ　ｃａｂｌｅ・－ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ＺＨＡＮＧＪｉａｎ—ｍ　’．ＴＡＮＧ　Ｘｉ－ｒｎｉｎ￣　（１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　ＥＩ　ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｎ　５１００５０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ／，。Ｎａｎｎｉｎｇ　５３０００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａ　ｔｈｏｕｓａｎｄ—ｍｅｔｅｒ　ｓｃａｌｅ　ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ａｃ—　ｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐ　ｂｙ　ｓｔｅｐ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｆｉｒｓｔ　ｏｒｄｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｇｅ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ａ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｃｔｕａｌ　ｄｉｖｉｄｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｓｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｈｉｔｓ　ｂｒｉｄｇｅ，Ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｉｄｅｒｒｓ　ａｎｄ　ｃａｂｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ａｔ　ａｎｙ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｈｅ　ｗｈｏｌｔｅ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｃｏｕｒｓｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｏｍｅ　ｏｆ　ｕｓｅｆｕｌ　ｃｏｍｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ；ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｐｒｏｐｏｓａｌｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　【责任编辑：刘少华】