肖玉德 ,唐國喜

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院　土木工程系　合肥　 230051；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，合肥　230025)

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混凝土自錨式懸索橋主纜成橋線形施工控制研究

肖玉德1,唐國喜2

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系合肥 230051；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，合肥230025)

摘要：自錨式懸索橋的主梁采用鋼筋混凝土加勁梁結(jié)構(gòu)，提高了橋梁整體的剛度，抗風(fēng)抗振能力增強，施工對周圍環(huán)境影響小，是城市景觀橋梁的一個很好的方案。根據(jù)這種橋型的力學(xué)特性，推導(dǎo)了主纜成橋線形目標(biāo)函數(shù)，并考慮柔性結(jié)構(gòu)在荷載作用下的非線性位移、主纜自重作用下的垂度、溫度等的影響用有限元空間分析模型計算成橋線形狀態(tài)，結(jié)合固鎮(zhèn)縣澮河二橋工程實例分析了計算結(jié)果與施工監(jiān)測值。目標(biāo)函數(shù)計算簡單，精度能滿足工程施工需要,具有工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：混凝土自錨式懸索橋；主纜線形目標(biāo)函數(shù)；施工控制

0引言

現(xiàn)代大跨徑懸索橋由于主梁采用扁平的鋼箱梁，自重輕、剛度小、抗風(fēng)、抗振能力相對較弱，而主梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則大大提高了結(jié)構(gòu)的剛度。它的造型優(yōu)美，和城市周圍環(huán)境能融為一體，往往作為城市景觀的一個標(biāo)志，因此，在城市中小跨徑景觀橋梁的應(yīng)用中，是非常具有比選優(yōu)勢的一種橋型方案。自錨式懸索橋的塔頂設(shè)索鞍，用于支承懸索橋的主纜，懸索的兩端錨固于主梁兩端的橫梁上。由于它不需要建造強大的錨錠，對地基的要求較低，施工時對周圍環(huán)境的影響小，一般采用整體法現(xiàn)澆，索鞍的偏移量容易控制，但主纜的線形施工控制依然比較復(fù)雜，施工時應(yīng)盡量準(zhǔn)確收集施工荷載參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并考慮溫度的影響對吊桿和主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)進行修正計算，使主纜架設(shè)符合設(shè)計線形要求。[1-2]

1結(jié)構(gòu)形式

固鎮(zhèn)縣澮河二橋為安徽省首座鋼筋混凝土自錨式懸索橋，橋梁受力簡潔，造型美觀，為固鎮(zhèn)縣城增添了一道亮麗的風(fēng)景，該橋跨徑為20 m +2×66 m +20m,錨固跨 20m，全長 172m，橋?qū)?2.4m。如圖1所示。

圖1　澮河二橋主橋總體布置

主梁采用鋼筋混凝土單箱四室截面箱梁，塔梁墩固結(jié)，橋塔采用造型優(yōu)美的H型塔，塔柱采用矩形截面。全橋主纜共兩根，主纜矢高f為3.475 2m，矢跨比f/l=1/17.27。每根主纜由37股91φ5.1mm高強鍍鋅平行鋼絲束組成，鋼絲彈性模量為2.0x105MPa，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1670MPa,主橋箱梁現(xiàn)澆，施工時先搭設(shè)支柱支架，預(yù)壓并預(yù)設(shè)預(yù)拱度，成橋狀態(tài)的基準(zhǔn)溫度為200C。

主纜錨固系統(tǒng)采用熱鑄錨，索兩端分別錨于梁端，主纜架設(shè)完畢后緊纜并進行表面防護。柔性吊索采用109-Ф7mm高強鍍鋅鋼絲，其彈性模量為2.0×105MPa,抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)植為1 670MPa。

由于這種懸索橋的獨特的受力特性，施工控制研究目前在安徽省內(nèi)尚屬空白，因此有必要在理論研究的基礎(chǔ)上，對該橋主纜線型施工關(guān)鍵施工技術(shù)進行研究。

2成橋線形施工控制理論

本文根據(jù)彈性理論進行分析，并與考慮非線性因素的數(shù)值解法和施工監(jiān)測值對比分析?；炷磷藻^式懸索橋的主纜與吊索和主梁剛度相比，可作為柔性索處理，圖2是主纜結(jié)構(gòu)受力圖,圖3是主纜單元的受力圖，由于無水平外荷載作用，主纜任意點的拉力水平分量H可視為常數(shù)[3-4]。

圖2　主纜結(jié)構(gòu)受力圖

對于微段dx，Σy=0

化簡為

(1)

式(1)即為主纜的目標(biāo)函數(shù)。

根據(jù)同濟大學(xué)李國豪的懸索橋等代梁計算理論，把該主纜的目標(biāo)函數(shù)與相同條件下作為簡支梁撓曲方程進行對比，

(2)

(1)、(2)兩式比較，根據(jù)彈性力學(xué)原理，建立關(guān)系式如下：

Hy(x)=M(x)

由此得：

(3)

圖4為考慮獨塔懸索橋結(jié)構(gòu)邊界條件特點：

圖5為主纜單元力學(xué)模型，在其一端施加一個彎矩Hc，則：

這樣主纜y(x)和主纜單元力學(xué)模型M(x)就具有了相似的邊界條件，據(jù)此就可確定主纜線形狀態(tài)目標(biāo)函數(shù)，從而得出主纜線形坐標(biāo)。

圖5　主纜單元力學(xué)模型

2.1拋物線法確定目標(biāo)函數(shù)

在混凝土自錨式懸索橋的成橋狀態(tài)，荷載q(x)可近似看成沿橋跨方向均勻分布[5-6]，成橋線形狀態(tài)目標(biāo)函數(shù)為

(4)

該橋主纜施工需要精確地定位索夾的坐標(biāo)，這樣就需確定主纜的無應(yīng)力長度。先對目標(biāo)函數(shù)積分，計算主纜在恒載作用下的有應(yīng)力長度，減去主纜的彈性伸長。即，

主纜有應(yīng)力長度：

(5)

主纜的彈性伸長：

(6)

主纜的無應(yīng)力長：

L=S-ΔS

(7)

2.2懸鏈線法確定目標(biāo)函數(shù)

對于自錨式懸索橋主纜，假設(shè)q(x)為沿橋跨方向為均勻分布qy(x)[7]，如圖6所示。

圖6　懸鏈線法主纜結(jié)構(gòu)受力分析圖

成橋線形狀態(tài)目標(biāo)函數(shù)為：

(8)

式(8)就是成橋狀態(tài)目標(biāo)函數(shù)，式中：

由目標(biāo)函數(shù)(8)可知，只有求出 H，才能得到主纜線形坐標(biāo)。根據(jù)這種橋型的設(shè)計特點，利用位移條件先確定跨中坐標(biāo)，即：

當(dāng)

3成橋主纜線形計算與監(jiān)測分析

根據(jù)上述理論和考慮柔性結(jié)構(gòu)在荷載作用下的非線性位移、主纜自重作用下的垂度[10-11]、溫度等的影響用有限元空間分析模型計算吊點坐標(biāo)，結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型如圖7，主纜吊索的編號如圖8。同時監(jiān)測成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)在恒載作用下，主梁達到設(shè)計線形要求時主纜的吊點坐標(biāo)。結(jié)果如表1所示。

圖7　澮河二橋主橋結(jié)構(gòu)模型離散圖

圖8　澮河二橋主橋主纜吊索的編號

表1　成橋狀態(tài)下主纜吊點坐標(biāo)與施工監(jiān)測坐標(biāo)

根據(jù)表1的計算結(jié)果，三種計算結(jié)果與施工成橋?qū)崪y值分析比較如表2。

表2　成橋狀態(tài)下計算值與施工實測值對比分析

由表2可知，三種方法計算結(jié)果與實測值吻合較好，解析法給出的目標(biāo)函數(shù)計算簡單，與實測值最大誤差只有0.57cm，滿足該橋的施工精度。

4結(jié)語

本文以固鎮(zhèn)澮河二橋工程為例，給出了主纜成橋線形的目標(biāo)函數(shù)，分別用三種方法計算主纜成橋線形。對比分析了三種計算結(jié)果與施工現(xiàn)場監(jiān)測值。結(jié)論如下。

(1)三種方法計算結(jié)果相差很小，用不同方法相互驗證主纜線形狀態(tài)，具有現(xiàn)實意義和實用價值。

(2)本文目標(biāo)函數(shù)法計算公式力學(xué)概念清晰，計算方法簡單易行，與施工監(jiān)測值非常吻合，結(jié)果驗證了該方法是正確可行的。

(3)在中小跨徑懸索橋的施工控制中，用彈性理論確定的目標(biāo)函數(shù)求解主纜線型可以滿足工程要求。具有推廣應(yīng)用價值。

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[責(zé)任編輯：張永軍]

Construction Control Research for Self-anchored Concrete Suspension Bridge Cable Curve Construction

XIAO Yu-de1,TANG Guo-xi2

(1.Department of Civil Engineering,Anhui Communications Vocational &Technical College,Hefei 230051,2.Anhui Transport Consulting & Design Institute Co. Ltd，Hefei 230025,China)

Abstract:The self-anchored suspension bridge main girder reinforced concrete stiffening girder structure,improve the overall stiffness of the bridge,wind vibration capacity enhancement,construction of small impact on the surrounding environment,is a good program cityscape of the bridge. Based on the mechanical characteristics of this type of bridge,derived main cable shape of the objective function,and consider the nonlinear flexible structure displacement under load,the influence of the main Curve under its own weight sag,temperature,etc. Using finite element space bridge linear analysis model to calculate the state,combined Guzhen Huihe bridge project examples analyzed the results and monitoring the value of the construction. The objective function calculation is simple,the accuracy can meet the construction needs,with engineering application value.

Key words:self-anchored suspension bridge;the main cable Curve of the objective function;fine construction control

中圖分類號：TU528

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-162X(2016)01-0115-05

作者簡介：肖玉德(1968—)男，安徽廬江人，安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系副教授。

基金項目：2012年安徽省交通科技進步計劃“混凝土自錨式懸索橋精細(xì)化施工關(guān)鍵技術(shù)研究”資助。

收稿日期：2015-09-28修回日期：2015-12-10