游勇利, 劉 輝
(1.江西省公路科研設(shè)計(jì)院有限公司,江西 南昌 330002;2.江西省交通工程集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330038;3.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)
隨著城市的發(fā)展,越來(lái)越多的城市景觀橋梁成為一座城市的標(biāo)志,造型獨(dú)特,體現(xiàn)當(dāng)?shù)貧v史文化特色的空間結(jié)構(gòu)橋梁成為首選。斜拉橋因其結(jié)構(gòu)新穎、美觀、跨越能力大等特點(diǎn),在現(xiàn)代橋梁橋型方案設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。斜拉橋施工方法對(duì)成橋內(nèi)力、變形影響較大,而橋梁施工控制是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)合理成橋狀態(tài)的關(guān)鍵。根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究成果,施工控制方法主要有無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度控制法、卡爾曼濾波法、最小二乘法、自適應(yīng)控制法等方法[1]。獨(dú)塔斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜,為確保橋梁施工過(guò)程結(jié)構(gòu)安全、設(shè)計(jì)的合理成橋狀態(tài)在橋梁施工中得以順利實(shí)現(xiàn),需采用有限元軟件建立空間模型進(jìn)行計(jì)算分析,確定合理的施工狀態(tài),應(yīng)用仿真分析結(jié)果,分析斜拉橋施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力、索力、變形等變化規(guī)律,指導(dǎo)施工,最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。因此,獨(dú)塔斜拉橋?qū)κ┕けO(jiān)控計(jì)算的要求更高,把握該類型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與控制重點(diǎn),才能保證施工安全及實(shí)現(xiàn)合理的成橋狀態(tài),指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。獨(dú)塔斜拉橋主要有懸臂現(xiàn)澆或懸臂拼裝施工法、預(yù)制安裝法、轉(zhuǎn)體施工法、頂推施工法、支架現(xiàn)澆法等施工方法,其中懸臂澆注和支架現(xiàn)澆法最為常用[2]。本研究以江西省某獨(dú)塔混凝土斜拉橋?yàn)楸尘埃捎肕IDAS Civil建立整體模型進(jìn)行施工全過(guò)程仿真計(jì)算,開展支架現(xiàn)澆法塔梁同步施工斜拉橋力學(xué)性能研究。針對(duì)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力模式,明確了支架現(xiàn)澆法施工主梁、塔梁同步施工、主梁豎向位移、人字塔中塔柱施工臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力控制、塔梁固結(jié)處應(yīng)力、拉索索力值及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換是控制的重點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明,該橋主梁、主塔、斜拉索在各擬定施工階段均滿足控制要求,且具有一定安全儲(chǔ)備,施工方案切實(shí)可行,可為類似支架現(xiàn)澆法塔梁同步施工混凝土斜拉橋仿真計(jì)算分析提供借鑒參考。
江西省境內(nèi)某大橋跨越撫河,橋跨布置為4×35 m(預(yù)制小箱梁)+2×132 m(預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋)+4×35 m(預(yù)制小箱梁),橋梁全長(zhǎng)560 m。其中主橋采用2跨132 m獨(dú)塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,橋梁結(jié)構(gòu)為塔梁固結(jié)體系。主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):一級(jí)公路兼顧城市道路功能,雙向6車道,橋面寬度為28 m;設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí),人群3.5 kN/m2;設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100。
主梁采用雙邊肋板式斷面(π形梁),中心梁高2.65 m,邊肋板梁高2.5 m。主梁頂寬為26.5 m。主梁0號(hào)塊總長(zhǎng)30 m,其余縱向分段長(zhǎng)度8 m,分為13對(duì)梁段。主塔采用人字形塔身,主塔下塔柱高度為16.46 m,中塔柱高為37.81 m,上塔柱高44.5 m,自承臺(tái)頂起塔柱高98.77 m。下橫梁與主梁固結(jié),采用橫、豎雙向預(yù)應(yīng)力體系,箱形截面。斜拉索采用平行鋼絲拉索體系,全橋共設(shè)26對(duì)斜拉索。兩塔柱底承臺(tái)平面尺寸分別為15.5 m×15.5 m,厚4.5 m,承臺(tái)系梁高4.5 m,寬6 m。為抵抗塔柱傳遞下來(lái)的較大水平力,在承臺(tái)及系梁內(nèi)橫橋向布置預(yù)應(yīng)力鋼束。每個(gè)承臺(tái)下設(shè)9根φ2.5 m的鉆孔灌注樁,系梁下設(shè)2根φ2.5 m的鉆孔灌注樁[3]。橋型布置圖如圖1所示。
圖1 橋型布置圖
針對(duì)此類獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合橋位區(qū)地勢(shì)平坦,河床地形平緩、水位較淺、橋下凈空較低等現(xiàn)場(chǎng)條件,主橋采用的施工方法主要有:0#段采用托架上現(xiàn)澆施工,兩側(cè)主梁采用少支架現(xiàn)澆法同時(shí)對(duì)稱施工;主梁合龍段采用吊架現(xiàn)澆施工,現(xiàn)澆段在墩旁支架上現(xiàn)澆施工;主塔基礎(chǔ)位于淺水區(qū),采用筑島圍堰施工。主塔塔柱采用爬模法施工。擬定施工方案后,進(jìn)行施工階段內(nèi)力分析,了解橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各施工階段下內(nèi)力狀態(tài)。
根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(人字塔、主塔剛度較大,主梁剛度較小),結(jié)合橋位區(qū)河道現(xiàn)狀未通航,河床平緩、水位較淺、橋下凈空較低等特點(diǎn),考慮到施工難易程度、造價(jià)、工期等多方面因素,綜合考慮確定本橋采用現(xiàn)澆支架法分節(jié)段施工預(yù)應(yīng)力混凝土主梁,即塔梁同步施工方法,主要施工流程見表1。首先主塔樁基、承臺(tái)、系梁等下部結(jié)構(gòu)施工;其次采取爬模施工中下塔柱,同時(shí)配置一臺(tái)塔吊輔助施工,中塔柱施工時(shí)設(shè)橫、豎向支撐鋼管,同時(shí)在爬模施工人字塔中塔柱時(shí)須分批預(yù)頂橫向支撐鋼管。完成中塔柱合龍后施工主梁0#塊,上塔柱與主梁分節(jié)段同步施工。A1~A13范圍主梁采用8 m一段滿堂支架逐段現(xiàn)澆施工,并設(shè)置臨時(shí)支撐鋼管,臨時(shí)支撐鋼管間距8 m,在斜拉索終張拉完成后拆除臨時(shí)支撐鋼管。斜拉索的兩端均采用張拉端錨具,施工時(shí)在主塔內(nèi)張拉。
表1 施工流程圖
根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),塔梁同步施工,主梁采用支架法施工,主塔采用爬模法施工,根據(jù)擬定的施工專項(xiàng)方案,將有限元計(jì)算模型劃分為24個(gè)施工階段(表2)。
表2 施工階段劃分
斜拉橋由主梁、主塔、拉索等3種基本構(gòu)件組合構(gòu)成,主梁受力類似于多跨彈性支撐連續(xù)梁,斜拉索與主梁錨固處可看做一個(gè)多點(diǎn)的彈性支承,使得主梁彎矩大大減小[4-5]。在恒載作用下,斜拉索張拉力使得塔梁處于合理的受力狀態(tài)下;其他附加荷載和活載的共同作用下,斜拉索發(fā)揮力的傳遞和彈性支承作用[5-7]。一般情況下,塔柱和主梁處于偏心受壓受力狀態(tài),并且斜拉索索力具有可調(diào)性,在恒載的作用下,可通過(guò)調(diào)整斜拉索的索力來(lái)改變主梁的彎曲內(nèi)力[5, 8]。因此,拉索承受拉力,主塔、主梁承受較大壓力。
斜拉橋計(jì)算模型,按主梁的模擬情況,可分為Ⅱ形模型、三主梁模型、雙主梁模型和單主梁模型;按斜拉索的模擬情況,可分為曲線索單元法、等效彈性模量法和多段直桿法[6, 9-10]。本研究中斜拉橋主塔、主梁均采用單梁模型模擬。
采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS Civil建立空間有限元分析模型(見圖2)。全橋共離散為391個(gè)節(jié)點(diǎn),322個(gè)單元,其中采用只受拉桁架單元模擬斜拉索,其余構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,塔梁固結(jié)(主梁與主塔橫梁固結(jié))采用剛性連接模擬,現(xiàn)澆支架采用只受壓彈性連接模擬[11]。根據(jù)施工階段劃分(表2),模型共劃分為24個(gè)施工階段。通過(guò)理論計(jì)算得出施工過(guò)程中的最不利施工工況及結(jié)構(gòu)最不利受力位置,使成橋后的索力、內(nèi)力和線形既滿足施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全要求又能達(dá)到理論的設(shè)計(jì)狀態(tài)。
圖2 有限元仿真模型
支架現(xiàn)澆法塔梁同步施工獨(dú)塔斜拉橋,建立有限元仿真模型進(jìn)行計(jì)算分析,研究關(guān)鍵施工階段主塔、主梁、斜拉索等主要構(gòu)件的應(yīng)力、撓度(偏位)以及穩(wěn)定性情況,特別是主梁合龍前最大單懸臂狀態(tài)下的穩(wěn)定性。針對(duì)索塔錨固區(qū)、塔梁固結(jié)處等局部受力復(fù)雜構(gòu)件,需要進(jìn)一步建立實(shí)體模型進(jìn)行局部分析研究,本研究不做闡述。其中支架現(xiàn)澆法施工主梁、塔梁同步施工、中塔柱施工臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力控制、主梁豎向位移、塔梁固結(jié)處應(yīng)力、拉索索力值及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換是施工控制計(jì)算的重點(diǎn)。
(1)主塔施工過(guò)程及成橋后水平位移控制。由于該橋主塔為人字形塔、塔高近99 m,其中中塔柱高為37.81 m,中塔柱各節(jié)段施工采用旋臂架爬模施工工藝。人字塔傾斜中塔柱在施工階段,隨著各節(jié)段塔柱施工,自重作用下產(chǎn)生的傾覆力矩越來(lái)越大,同時(shí)爬模及風(fēng)荷載作用下,塔柱根部產(chǎn)生較大的應(yīng)力[12]。首先,施工中塔柱時(shí),中塔柱處于單懸臂狀態(tài),應(yīng)合理設(shè)置臨時(shí)橫撐設(shè)計(jì),在水平臨時(shí)橫撐鋼管內(nèi)設(shè)置千斤頂,并根據(jù)中塔柱節(jié)段施工情況,調(diào)整臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力,嚴(yán)格控制中塔柱底截面應(yīng)力、塔頂位移,保證主塔施工安全,如圖3所示。
圖3 主塔施工示意圖
(2)主梁應(yīng)力及變形。主橋主梁施工采用搭設(shè)支架現(xiàn)澆,為嚴(yán)格控制主梁線形,澆注混凝土前必須進(jìn)行壓載試驗(yàn),以檢驗(yàn)現(xiàn)澆施工平臺(tái)系統(tǒng)各構(gòu)件、驗(yàn)證關(guān)鍵點(diǎn)的受力情況、消除非彈性變形。仿真計(jì)算首先根據(jù)總體施工方案擬定的施工順序進(jìn)行模擬,并在施工過(guò)程中嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工順序、施工參數(shù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正,重點(diǎn)對(duì)各施工階段主梁應(yīng)力、位移進(jìn)行控制,特別是拆除節(jié)段支架、調(diào)索、合龍階段,同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果提供各節(jié)段主梁預(yù)拋高理論值。
(3)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換控制。拆除主梁節(jié)段支點(diǎn)支架時(shí),主塔兩側(cè)應(yīng)同時(shí)一起卸架,達(dá)到同步、均衡的要求,嚴(yán)格控制主塔水平位移情況。落架是一次重要的體系轉(zhuǎn)換過(guò)程,應(yīng)重點(diǎn)計(jì)算各節(jié)段落架前后的主塔、主梁位移、拉索索力變化情況,以保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。主塔偏位和主梁線形均應(yīng)控制在允許范圍以內(nèi)。
(4)斜拉索索力控制。對(duì)于斜拉橋結(jié)構(gòu),斜拉索是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中最為關(guān)鍵的一個(gè)構(gòu)件,拉索索力值對(duì)主梁、主塔受力狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。通過(guò)理論計(jì)算得出拉索初張拉及調(diào)索索力值是施工監(jiān)控計(jì)算中的重中之重。根據(jù)施工方案,確定斜拉索進(jìn)行3次調(diào)索。斜拉索:①第1次調(diào)索:各拉索掛索初張拉;②第2次調(diào)索:主梁合龍,體系轉(zhuǎn)換,拆除主梁支架;③第3次調(diào)索:橋面系施工后,調(diào)索至成橋設(shè)計(jì)索力值。
(5)主梁行車舒適性。結(jié)合本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主梁主要承受軸向壓力,主梁有索區(qū)彎矩應(yīng)盡可能均勻分布,同時(shí)應(yīng)避免主梁無(wú)索區(qū)出現(xiàn)過(guò)大的變形撓度和較大的彎矩,盡量使主梁受力合理,線形滿足行車舒適性要求[13]。
斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,拉索索力對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響顯著,尤其是對(duì)于主梁剛度較小的獨(dú)塔斜拉橋,由于其主梁截面面積小、自重小、剛度小等特點(diǎn),斜拉索的張拉力對(duì)主梁的線形和內(nèi)力影響很大,因此,預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋合理成橋狀態(tài)和合理施工狀態(tài)的確定在結(jié)構(gòu)分析理論中尤為關(guān)鍵[14]。
根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)(主梁剛度較柔,主塔剛度較大),擬定合理成橋狀態(tài)而確定拉索成橋索力,使主塔、主梁應(yīng)力及位移均滿足規(guī)范要求。所謂合理成橋狀態(tài)是指斜拉橋在施工完成后在所有恒載作用下受力滿足某種理想狀態(tài)[15],如梁、塔中彎曲應(yīng)變能最小。在斜拉橋成橋狀態(tài)的確定時(shí)只考慮結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力等恒載,而擬定設(shè)計(jì)合理成橋狀態(tài)。合理成橋狀態(tài)下成橋索力設(shè)計(jì)值如圖4所示。
圖4 合理成橋狀態(tài)下索力設(shè)計(jì)值
(1)主梁。成橋狀態(tài)下,主梁截面上下緣均受壓,主梁混凝土上緣最大壓應(yīng)力-8.2 MPa,下緣最大壓應(yīng)力-10.8 MPa,滿足規(guī)范要求,主梁上下緣應(yīng)力圖如圖5所示。
圖5 成橋狀態(tài)下主梁正應(yīng)力(單位:MPa)
(2)主塔。成橋狀態(tài)下,主塔截面上下緣基本處受壓狀態(tài),主梁混凝土上緣最大壓應(yīng)力-6.5 MPa,下緣最大壓應(yīng)力-8.7 MPa,滿足規(guī)范要求,主梁上下緣應(yīng)力圖如圖6所示。從主塔應(yīng)力圖中可知,塔梁固結(jié)處局部出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力(0.74 MPa),分析其原因?yàn)?,主塔、主梁均采用單梁模型模擬,塔梁固結(jié)處通過(guò)剛性連接進(jìn)行處理,產(chǎn)生一定偏差??蛇M(jìn)一步對(duì)塔梁固結(jié)處建立實(shí)體模型進(jìn)行局部分析,求出精確解。
圖6 成橋狀態(tài)下主塔正應(yīng)力(單位:MPa)
(3)斜拉索。斜拉橋成橋索力及成橋應(yīng)力如圖7所示,成橋狀態(tài)下斜拉索應(yīng)力在520~603 MPa之間。斜拉索的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5[16],即[σ]≤0.4fpk=0.4×1 670=668 MPa,滿足規(guī)范要求。
圖7 成橋狀態(tài)下斜拉索應(yīng)力(單位:×102 MPa)
(4)行車舒適性。在公路-I級(jí)和人群荷載作用下,主梁跨中最大撓度為48 mm,遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的橋梁跨徑的1/500,說(shuō)明主梁行車舒適性很好。但施工過(guò)程中還應(yīng)注意澆注主梁混凝土前應(yīng)進(jìn)行支架預(yù)壓,預(yù)壓重為1.2倍主梁節(jié)段自重。
可使用MIDAS Civil 程序中未知荷載系數(shù)功能做斜拉橋的正裝分析,通過(guò)設(shè)定目標(biāo)函數(shù)值而計(jì)算出各施工階段較為理想的索力,可避免較為繁瑣的試算工作[17-18]。
施工控制可采用以標(biāo)高(位移)、拉索張拉力控制相結(jié)合方法。塔柱、主梁、拉索同步施工,應(yīng)重點(diǎn)解決好塔梁相互影響,同時(shí)在主塔施工過(guò)程中保護(hù)好斜拉索索體。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整施工工序時(shí),需重新劃分施工階段,優(yōu)化計(jì)算模型,得出拉索施工索力值[19]。
根據(jù)擬定的施工工況,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,調(diào)整拉索索力、臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力等方式,并經(jīng)多次修正計(jì)算,使各施工階段橋梁構(gòu)件(主塔、主梁、拉索)內(nèi)力、位移及應(yīng)力值均在控制目標(biāo)范圍內(nèi),確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工安全。結(jié)果證明,各構(gòu)件應(yīng)力值均符合各施工階段的控制要求,且具有一定安全系數(shù)。
(1)合理施工索力理論值。根據(jù)施工方案,擬定4次調(diào)索工況:①第1次調(diào)索:各拉索初張拉;②第2次調(diào)索:拆除各節(jié)段支撐點(diǎn)鋼管支撐;③第3次調(diào)索:主梁合龍,體系轉(zhuǎn)換;④第4次調(diào)索:橋面系施工后,調(diào)索至成橋設(shè)計(jì)索力值。各施工工況索力理論值如圖8所示。
圖8 各工況施工索力理論值
(2)施工中塔柱橫撐千斤頂頂推力。中塔柱施工,采用旋臂架爬模施工,模板高4.3 m,每次最大施工階段為4 m,共分11次澆注。在中塔柱中間位置設(shè)置水平臨時(shí)橫撐,在水平臨時(shí)鋼管內(nèi)設(shè)置千斤頂,中塔柱施工臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力理論值如圖9所示。
圖9 中塔柱施工臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力
(3)主塔。主塔混凝土最大壓應(yīng)力為-7.8 MPa,小于容許壓應(yīng)力值[σ]=32.4×0.5=16.2 MPa,表明主塔主要呈受壓狀態(tài)。各施工階段,塔頂水平位移最大值為27.1 mm(→),小于H/300=99/300=0.33 m且不大于30 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。
(4)主梁。各施工階段主梁上下緣應(yīng)力均為壓應(yīng)力,主梁軸力分布較均勻。主梁上緣最大壓應(yīng)力為-12.6 MPa,下緣最大壓應(yīng)力為-9.4 MPa,均小于容許壓應(yīng)力值[σ]=35.5×0.5=17.75 MPa。這表明主梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。
(5)斜拉索。成橋狀態(tài)下,斜拉索最大拉應(yīng)力為621.8 MPa,最小拉應(yīng)力為534.6 MPa,均小于容許應(yīng)力值[σ]=1 670 MPa/2.5=668 MPa,滿足規(guī)范要求。結(jié)果表明斜拉索未出現(xiàn)松弛現(xiàn)象,拉索應(yīng)力分布較均勻,斜拉索安全系數(shù)均大于2.68。
通過(guò)對(duì)支架現(xiàn)澆法塔梁同步施工獨(dú)塔混凝土斜拉橋進(jìn)行施工全過(guò)程仿真分析,驗(yàn)證了采用的施工方案是否可行,并得出結(jié)構(gòu)最不利受力位置和最不利施工工況,從而確定下一步現(xiàn)場(chǎng)施工重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面及控制目標(biāo)值。同時(shí)可以得出以下結(jié)論:
(1)主梁、主塔、斜拉索在各擬定施工階段均滿足控制要求,主梁有支架施工數(shù)值模型中模擬方法有效,塔梁同步施工仿真分析方法合理可行。明確了支架現(xiàn)澆法施工主梁、塔梁同步施工、中塔柱施工臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力控制、主梁豎向位移、塔梁固結(jié)處應(yīng)力、拉索索力值及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換是控制的重點(diǎn)。
(2)通過(guò)對(duì)獨(dú)塔斜拉橋施工階段仿真計(jì)算,可得出斜拉索施工階段張拉索力值;并根據(jù)中塔柱節(jié)段劃分,控制中塔柱底截面應(yīng)力及塔頂水平位移為目標(biāo)函數(shù),確定臨時(shí)橫撐千斤頂頂推力理論值。
(3)基于此類型橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(主塔的剛度較大,主梁剛度較小),計(jì)算時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注支架拆除、調(diào)整索力、體系轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵階段,主梁豎向位移變化幅度。
(4)主塔塔頂偏位和塔身局部應(yīng)力控制。由于主塔為變截面人型塔,塔柱空間受力復(fù)雜,調(diào)整索力對(duì)主塔內(nèi)力影響較大,特別是主塔固結(jié)點(diǎn)(塔底、塔梁固結(jié)處,上塔柱與中塔柱分叉點(diǎn))受力變化較大,塔身局部應(yīng)力有可能超限。因此,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主塔3個(gè)固結(jié)點(diǎn)的局部應(yīng)力,如有必要,擬采用ANSYS有限元分析軟件建立局部分析模型,進(jìn)行局部應(yīng)力驗(yàn)算。