劉斌

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

對(duì)于懸臂拼裝施工的疊合梁斜拉橋，由于鋼主梁在鋼結(jié)構(gòu)制造廠家事先預(yù)制完成，現(xiàn)場(chǎng)懸拼時(shí)節(jié)段之間的轉(zhuǎn)角不可隨意調(diào)整，只能進(jìn)行切向安裝，制造預(yù)拱度計(jì)算對(duì)懸拼鋼梁至關(guān)重要。制造預(yù)拱度是給鋼結(jié)構(gòu)廠家下達(dá)的線形加工指令，即鋼梁的無應(yīng)力制造線形，若鋼梁的制造預(yù)拱度有誤差，將導(dǎo)致鋼梁斜拉橋梁段安裝時(shí)前后梁段間轉(zhuǎn)角與制造線形不一致，影響結(jié)構(gòu)受力，甚至影響全橋的運(yùn)營。以往較多采用零初始位移法(將新生成節(jié)點(diǎn)的初始位移指定為零，以該點(diǎn)為零點(diǎn)記錄節(jié)點(diǎn)的累計(jì)位移值)計(jì)算預(yù)拱度，該方法的計(jì)算結(jié)果是安裝線形，無法直接得到制造線形，基于零初始位移法的計(jì)算模型需結(jié)合各節(jié)點(diǎn)豎向位移和轉(zhuǎn)角位移才能計(jì)算出制造預(yù)拱度。切線位移法是將新節(jié)點(diǎn)初始位移指定到沿著已成梁段懸臂端切線上，把到節(jié)點(diǎn)偏移零位置的距離作為累計(jì)位移值，其計(jì)算結(jié)果為制造預(yù)拱度，且計(jì)算中不存在預(yù)拱度之間的轉(zhuǎn)化。

1 制造預(yù)拱度的計(jì)算原理

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，鋼梁是按照前一個(gè)橋梁節(jié)段的切線方向用高強(qiáng)度螺栓拼裝，這種獨(dú)特的施工方式會(huì)帶來不可忽視的假想位移(也稱虛位移)，故結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移(也稱為總位移)由結(jié)構(gòu)荷載產(chǎn)生的純位移和虛位移組成。計(jì)算鋼梁的制造預(yù)拱度是為了向鋼梁制造廠家下達(dá)制造線形指令，鋼梁制造完成后在廠內(nèi)預(yù)拼裝，達(dá)到構(gòu)件精度和線形要求后將鋼梁運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)按鋼主梁的切線方向進(jìn)行拼裝，使成橋后實(shí)際橋梁線形與成橋理論線形基本一致。制造預(yù)拱度等于施工過程中各施工階段總位移的反方向的值。

以3個(gè)節(jié)段的懸臂拼裝梁施工為例，為了形象直觀，令梁段在變形后仍為直線節(jié)段。如圖1所示，在懸臂拼裝完第1個(gè)梁段后，節(jié)點(diǎn)1處產(chǎn)生的位移為δ11，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3處分別產(chǎn)生假想位移δ21、δ31；在懸臂拼裝完第2個(gè)梁段后，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2處產(chǎn)生的位移分別為δ12、δ22，節(jié)點(diǎn)3處產(chǎn)生假想位移δ32，這3個(gè)位移全都不包含懸臂拼裝梁段1時(shí)的假想位移；在懸臂拼裝完第3個(gè)梁段后，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2處產(chǎn)生的位移分別為δ13、δ23，節(jié)點(diǎn)3處產(chǎn)生的位移為δ33，這3個(gè)位移全都不包含懸臂拼裝梁段1和梁段2的位移。

圖1 懸臂拼裝各梁段時(shí)的位移

懸臂拼裝完第3個(gè)梁段后各點(diǎn)的總位移為：

節(jié)點(diǎn)1的總位移=δ11+δ12+δ13

節(jié)點(diǎn)2的總位移=δ21+δ22+δ23

節(jié)點(diǎn)3的總位移=δ31+δ32+δ33

各節(jié)點(diǎn)的純位移為：

節(jié)點(diǎn)1的純位移=δ11+δ12+δ13

節(jié)點(diǎn)2的純位移=δ22+δ23

節(jié)點(diǎn)3的純位移=δ33

如圖2所示，制造預(yù)拱度是一條連續(xù)線形，中間沒有出現(xiàn)突變，如果嚴(yán)格按施工預(yù)拱度進(jìn)行施工，拼裝鋼主梁時(shí)只需按照制造預(yù)拱度與前一個(gè)橋梁節(jié)段連接，再利用斜拉索對(duì)鋼主梁線形進(jìn)行微調(diào)，即可使實(shí)際成橋線形與理論成橋線形基本一致。

圖2 制造預(yù)拱度曲線

2 制造線形實(shí)例研究

某疊合梁斜拉橋全長866 m，為雙向坡雙塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋(主跨480 m)，設(shè)計(jì)速度80 km/h。索塔為江魚拱形砼橋塔，總高182.922 m，橋面以上索塔高度為128.6 m。承臺(tái)頂面至塔冠頂面采用承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)。為減小索塔拉應(yīng)力，塔柱設(shè)置井字形水平預(yù)應(yīng)力鋼束，局部范圍內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。中跨采用鋼箱疊合梁，邊跨采用預(yù)應(yīng)力砼梁，鋼混結(jié)合段位于中跨索塔附近。下面以該橋?yàn)槔?，研究懸臂拼裝鋼梁的制造線形。

2.1 模型建立

采用MIDAS/Civil軟件進(jìn)行建模計(jì)算。邊界條件如下：主塔樁基礎(chǔ)由土彈簧約束，橋墩底部固結(jié)；梁端及輔助墩處豎向約束，縱向不約束；主梁與主塔豎向、橫向約束。計(jì)算模型見圖3。

圖3 MIDAS計(jì)算模型

2.2 軟件計(jì)算特點(diǎn)

利用MIDAS軟件計(jì)算鋼梁制造預(yù)拱度時(shí)，在施工階段分析控制數(shù)據(jù)對(duì)話框中選擇構(gòu)件沿初始切線位移方向激活選項(xiàng)并選擇需激活該選項(xiàng)的結(jié)構(gòu)組，施工新的橋梁節(jié)段時(shí)，新節(jié)段按照上一個(gè)橋梁節(jié)段的切線方向安裝，在后處理模式分析時(shí)，可在分析結(jié)果中分別提取鋼梁的切線位移和預(yù)拱度。其中鋼梁的切線位移包含結(jié)構(gòu)受力、至竣工階段的收縮徐變、切線拼裝引起的位移總和，預(yù)拱度考慮的是成橋10年后收縮徐變和0.5倍活載引起的位移。

2.3 制造線形計(jì)算結(jié)果與分析

該橋制造線形計(jì)算結(jié)果見表1、圖4。

表1 某疊合梁斜拉橋制造線形計(jì)算結(jié)果

圖4 鋼梁制造線形

由圖4可知：鋼梁的制造線形為一條連續(xù)光滑的曲線。但在實(shí)際制造過程中，將梁段制造為光滑曲線既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又無實(shí)際工程意義，多采用以直代曲的方式制造。制造過程中誤差是不可避免的，故懸臂拼裝施工時(shí)應(yīng)以安裝線形來定位梁段標(biāo)高，以更好地進(jìn)行線形控制，確保最終達(dá)到設(shè)計(jì)線形。

3 結(jié)語

該文根據(jù)現(xiàn)有疊合梁斜拉橋制造線形計(jì)算理論，采取適用于疊合梁的切線位移法計(jì)算鋼梁的制造預(yù)拱度，并以某疊合梁斜拉橋?yàn)槔罁?jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和參數(shù)建立橋梁空間有限元計(jì)算模型，通過對(duì)整個(gè)施工過程的模擬，獲得其懸臂拼裝鋼梁的制造線形，為該橋提供合理的線形數(shù)據(jù)。