吳曉偉 全治宇 田 俊

1 概述

斜拉橋是一種由索(拉)、塔(壓彎)、梁(壓彎)三種基本要素形成的復(fù)雜空間超靜定結(jié)構(gòu)體系[1]。在斜拉橋設(shè)計階段,設(shè)計參數(shù)通常均按規(guī)范取值。施工過程中的實際參數(shù)值與規(guī)范建議值均存在差異。設(shè)計參數(shù)的偏差將直接影響成橋后的主梁線型與受力狀態(tài),在施工階段,若不進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的修正或主要影響參數(shù)的嚴(yán)格控制,最終成橋狀態(tài)將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離預(yù)先設(shè)計的合理成橋內(nèi)力與合理成橋線型。對于影響成橋狀態(tài)的參數(shù)有:梁段自重、施工荷載、結(jié)構(gòu)剛度,包括梁、塔、索三大部分的 EA和EI(軸向剛度和彎曲剛度)、斜拉索張拉力、溫度的影響等等。確定出影響敏感的設(shè)計參數(shù)顯的尤為重要。因此為實現(xiàn)合理的成橋狀態(tài),確定出影響敏感的設(shè)計參數(shù)是保證斜拉橋成功、順利修建不可缺少的重要工作。

2 工程概況

杭州灣跨海大橋南通航孔道斜拉橋為A形單塔雙索面三跨連續(xù)半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋,全長578 m,跨徑布置為100 m+160 m+318 m(橋型布置如圖1所示)。橋面縱坡為2.5%(-2.05%),位于R=20 000 m,T=455 m,E=5.176 m的圓弧豎曲線上。

主梁為扁平鋼箱梁,采用低合金鋼Q345-D。梁高3.5 m(中心線),鋼箱梁橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3.75 m,鋼箱梁內(nèi)設(shè)置兩道中縱腹板,其距鋼箱梁中心線間距為8.50 m。

索塔總高度為194.3 m,塔柱分為上、中、下三部分,上塔柱中間設(shè)置了鋼錨箱,為斜拉索的錨固結(jié)構(gòu)。斜拉索采用直徑為7 mm的高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絲,斜拉索共分六類,鋼絲根數(shù)分別為109絲、121絲、139絲、163絲、187絲、199絲。斜拉索在鋼箱梁上的錨固采用耳板銷接連接方式,標(biāo)準(zhǔn)索距為15 m。

3 計算模型

采用有限元程序ANSYS進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析。鋼箱梁、塔均采用梁單元模擬(Beam188)。其中上塔柱內(nèi)設(shè)有鋼錨箱,鋼錨箱與塔柱混凝土形成鋼混組合結(jié)構(gòu),對于鋼混組合結(jié)構(gòu)的上塔柱采用換算截面法進(jìn)行模擬的。拉索采用桿單元模擬(Link10),拉索由于垂度而帶來的非線性問題,采用Ernst和Podolny提出的等效模量法,即通過修正彈性模量的方法來考慮[2],斜拉索彈性模量的修正值按簡化的Ernst公式計算,塔底為固定約束,邊跨與主跨支座只約束橫橋向和豎向位移及縱橋向的轉(zhuǎn)動。

4 敏感性參數(shù)分析

4.1 梁段自重誤差

梁段自重誤差主要來源于梁段成型尺寸誤差。假設(shè)所有的梁重均超重5%,對成橋狀態(tài)下主梁豎向累計位移、成橋索力的影響圖如圖2,圖3所示。

從圖2,圖3可知,有梁段超重會導(dǎo)致成橋狀態(tài)下主梁累計位移明顯減小,索力偏大,影響不容忽視。施工臨時荷載的影響規(guī)律與梁重誤差影響是相似的,數(shù)值上可作以下分析:標(biāo)準(zhǔn)梁段主梁面積為1.653 1 m2,取容重為100.2 kN/m3,則5%的梁重誤差為124 kN。通常橋面影響最大的臨時施工荷載是吊車和提前堆放的斜拉索。一臺吊車約200 kN;如一根PES7-187型斜拉索長196 m,則重量可達(dá)116 kN。施工荷載容易造成塔的不平衡受力,對主梁標(biāo)高的影響會更大,因此,施工臨時荷載是影響很大的因素,應(yīng)嚴(yán)格控制。

4.2 結(jié)構(gòu)剛度誤差

4.2.1 主梁剛度誤差

主梁的抗彎慣性矩由于橫隔板的影響,往往比計算的值高,但是這部分的影響又難以計入。假設(shè)所有主梁單元的抗彎慣性矩增大5%,對于主梁豎向累計位移和索力的影響見圖4,圖5。

從圖4,圖5可知,主梁剛度對主梁豎向位移和索力影響均不大。

4.2.2 塔的剛度誤差

主塔混凝土彈性模量實際值往往比規(guī)范建議值高,這與實際混凝土強(qiáng)度往往偏高有關(guān),在許多橋上都發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,通?？筛哌_(dá)10%左右。假設(shè)所有的主塔單元的彈性模量均增大10%,對主梁豎向累計位移和索力的影響如圖6,圖7所示。

從圖6,圖7可知主塔剛度誤差對主梁豎向累計位移、索力的影響很小。

4.2.3 斜拉索剛度誤差

斜拉索的剛度誤差主要來源于鋼絲的彈性模量和截面面積。由于鋼絲的制作精度較高,截面面積誤差很小,高強(qiáng)鋼絲的彈性模量也較穩(wěn)定,因此,這項誤差通常都不大。只是斜拉索的垂度會引起索的軸向剛度下降,一般的計算均通過換算彈性模量予以修正,在現(xiàn)行跨度規(guī)模的斜拉橋中已有足夠精度。假設(shè)彈性模量增大3%,通過分析對主梁豎向累計位移和索力的影響可知,斜拉索的剛度誤差對主梁豎向累計位移和索力的影響比較小。

4.3 斜拉索張拉力誤差

斜拉索的張拉力可通過張拉千斤頂?shù)挠捅碜x數(shù),或者用頻率法通過測定索的自振頻率來換算索力,也可以用錨下安裝荷重傳感器來測定索力。第一種方法誤差較大,通常不以此為準(zhǔn);頻率法較常用,但換算系數(shù)較難算準(zhǔn);第三種方法較準(zhǔn)確,但使用成本較高,難以對每根索均使用。另外,斜拉索在張拉操作時也很難拉至指定的理論值。因此,斜拉索的張拉力總是存在誤差的。假設(shè)張拉控制索力增大5%,通過分析對主梁豎向累計位移和索力的影響可知,斜拉索張拉力誤差對主梁豎向累計位移和前端索力的影響較明顯。

5 結(jié)語

通過以上對各種設(shè)計參數(shù)誤差的影響分析,可以看出:梁重、臨時施工荷載、索力張拉值、主梁撓度、成橋索力影響較大,其中臨時荷載的影響尤為明顯,而結(jié)構(gòu)剛度偏差影響較小。斜拉索張拉力誤差對主梁豎向累計位移和前端索力的影響較明顯。在施工過程中應(yīng)對這些參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格管理和控制,并對敏感性參數(shù)進(jìn)行必要修正,確保成橋后結(jié)構(gòu)受力和線型滿足設(shè)計要求。

[1] 田 俊.空間扭索斜拉橋合理成橋狀態(tài)與合理施工狀態(tài)耦合分析方法[D].西安:長安大學(xué)碩士論文,2010.

[2] 鄭凱鋒,陳 寧,張曉翹.橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)研究[J].橋梁建設(shè),2003(2):10-15.

[3] 周 艷,宋君超.斜拉橋損傷分析[J].山西建筑,2009,35(1):340-341.