重庆忠县长江大桥斜拉桥施工控制计算.pdf

5 6 桥梁建设 2 0 0 9年第 1期 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 0 9 ) 0 l 一0 0 5 6 0 4 重庆忠县长江 大桥斜拉桥施 工控 制计算 袁 建新 。 ， 李之达 ( 1 中铁 大桥局 集 团武 汉桥科 院有 限公 司， 湖北 武 汉 4 3 0 0 3 4 ； 2 武汉理 工 大学 交通 学院 ，湖北 武 汉 4 3 0 0 6 3 ) 摘 要 ：采 用倒拆 与正 装迭 代 相结合 的计 算 方 法确 定 了忠县 长 江 大桥 斜 拉桥 施 工 阶段 索力 ， 并进行 了全桥 施 工过程仿 真 计算 。针 对施 _7 - 中最 大双 悬臂 状 态 ， 进 行 了稳 定 性 分析 。同 时对 成桥 状 态进行 了参数分 析和施 工过程 温度 效应 分析 。 关键 词 ：斜拉 桥 ； 预 应 力混 凝 土梁 ； 施 _ 7 - 控 制 ； 仿 真 计算 中图分 类号 ：u4 4 8 2 7 ； u4 4 5 1 文献标 志码 ：a ca l c u l a t i o n o f co ns t r u c t i o n co n t r o l o f ca b l e - st a y e d br i d g e o f z h o n g x i a n c h a n g j i a n g ri v e r b r i d g e i n c h o n g q i n g yuan di an xi n ，lizh i d a ( 1 b r i d g e s c i e n c e re s e a r c h i n s t i t u t e l t d ，c h i n a z h o n g t i e ma j o r b r i d g e en g i n e e r i n g gr o u p ，w u h a n 4 3 0 0 3 4 ， chi na；2 sc ho ol o f tr a ns p or t a t ion，w u ha n uni v e r s i l y of te c hn o l o gy，w uh an 43 00 63，chi n a ) ab s t r a c t ：th e c o mbi ne d ba c kwa r d a nd f o r wa r d i t e r a t i o n c a l c u l a t i on me t ho d wa s us e d t o d e t e r mi n e t h e c a b l e f o r c e s o f t h e c a b l e s t a y e d b r i d g e o f z h o n g x i a n ch a n g j i a n g ri v e r b r i d g e a t c o n s t r uc t i o n s t a ge a n d t he s i m u l a t i on c a l c ul a t i on o f t he c o ns t r uc t i o n p r oc e s s o f t he o v e r a l l b r i d ge wa s ma d e fu r t he r i n t he l i g ht o f t he l o ng e s t do ubl e c a n t i l e v e r s o f t he br i d ge i n c o ur s e of t he c on s t r uc t i o n，t he s t a bi l i t y o f t he b r i d ge wa s a na l y z e d a nd t he pa r a m e t r i c a n a l ys i s a n d c ons t r u c t i on t e m p e r a t u r e e f f e c t a n a l ys i s o f t he c o m p l e t e d b r i dg e we r e c on du c t d e a s we l 1 ke y wo r ds ： c a b l e s t a ye d b r i d ge；pr e s t r e s s e d c o nc r e t e g i r de r；c o ns t r uc t i o n c o n t r ol ； s i mul a t i o n c a 1 c ttl 1 a t i o n 1 工程概 况 重庆 忠县 长江 大桥斜 拉桥 位 于忠县 县城 上游 约 8 0 k m 处 ， 为沪蓉 国道 主 = f 线分 水岭 ( 鄂渝 界 ) 忠 县 高速公 路控制 性 关键 工程 。大桥 为 漂浮体 系 双塔 双 索面混 凝土 斜拉 桥 ， 跨 径组 成 为( 2 0 5 +4 6 0 +2 0 5 ) m， 全桥 长 8 7 0 m。桥梁 设计 等 级 为 公路 一 i级 、 双 向 4车道高 速公 路 。 主 梁为 形 断 面 ， 梁 高 ( 中心 线处 ) 2 9 6 5 m， 标 准截面纵向每隔 8 m 没 1道横隔板 。标准节段长 8 m， 肋板 宽为 1 8 m， 采用 前 支点 挂 篮 悬 浇施 工 。索 塔 呈 h 形 ， 采 用塔 墩 固接 的钢筋 混凝 土 和部 分 施加 预应 力 配筋结 构 。索塔 总 高度 为 2 4 7 5 0 m， 其 中塔 墩 高 4 7 5 m， 塔柱 高 2 0 0 m。斜 拉 索 采用 双 向扇形 布嚣平 行钢 丝体 系 ， 梁 上标 准 间距 为 8 m， 在塔 上锚 固间距 为 1 5 5 m。全 桥 共 设 置 42 9对 平行 钢 丝斜拉 索 。桥梁 的总体布 置 见 图 1 。 2计 算模 型 监控 计 算 采用 桥 梁博 士 v3 1 0和 mi da s c i v i l 2 0 0 6软件 。 利用 桥梁 博 士软件 计 算时将 结 构离 散为 8 1 2个 平 面梁 元 ， 6 8 5个节 点 。其 中 主梁 4 5 6个 单 元 ， 主塔 收稿 日期 ：2 0 0 8 0 6 2 4 作者简介 ：袁建新( 1 9 7 6 ) ， 男 ， j 二 程师 ， 1 9 9 9年毕业于 长沙铁道学院交通 土建专 、 ， 二 学学士 ( y j x wh 1 2 6 c o m) 。 重庆忠县长江大桥斜拉桥施工控制汁算 袁建新 ， 李之达 5 7 2 05 4 60 2 05 一 1 镦n j j 位 ： 图 1 忠 县 长 江 大 桥斜 拉桥 立面 布 置 2 2 8个单 元 ， 斜 拉 索 1 1 6个 单 元 。挂 篮 利 用 软 件 中 的挂 篮系统模 拟 ， 每套挂 篮划分 为 3个 单元 。 利 用 mi d as c i v i l 2 0 0 6计 算 时 主梁 及 主 塔采 用空 问梁单 元模拟 ， 斜拉 索采用 桁架 单元模 拟 ， 结 构 离散 图见 图 2 。 图 2重 庆 忠县 长 江 大 桥 斜 拉 桥 的 mi d a s计算模型( 半桥 ) 3施工控 制分析 方法 采用 常规 的 装 一倒 拆迭 代法计 算分 析 。 根据 设计 成 桥状 态 ， 采 用倒 拆 法来 确 定计 算 的 初始 状态及 各 阶段 索 力 的大 小 、 标 高等 。但 由于 该 方法 无法 真实模拟 混凝 土的 收缩 、 徐 变等 因素 ， 一般 会遇 到结构 状态 不 闭合 的 问题 ， 表 现 为倒 拆 至 最 后 一 个 梁段有 剩余 内力及按 倒拆结 果作 正装计 算 与原 成桥 状态 不一致 等 现 象 。因此 ， 简单 的倒 拆 法 确定 的施 工状态 并不理 想 ， 必须结合使 用 正装迭 代分 析 ， 即利 用倒拆 分析所 得 的数据 ， 按 实 际 的施 工 过 程对 桥 梁结构进 行正装 计算 。若计算 的成 桥状态 与理 想 状态 的差别 在允许 范 围之 内则停 止迭 代 ， 否则 ， 再 采 用一定 的算 法和理 沦修正 初始状 态 和其 他相 关参数 进行 迭代计算 。 斜拉 桥是一 种柔性结 构 ， 该 桥 由于跨 度 大 ， 结 构 的几何非线 性影 响较 为明显 ， 在施 工控 制分 析 中， 为 了尽龟反映真实情况 ， 精确分析结构在各施工阶段 的静 力响应 ， 按有 限位 移理论考 虑非线 性计 算 。 ( 1 )斜 拉索 的垂 度影 响 。采 用 e r n s t 公 式 修 正 拉索 的弹性 模量来 考虑斜 拉索 自重垂 度 的影 响 。 ( 2 )梁柱 效 应 。用 梁 单 元分 析 时 ， 用 稳 定 函 数 表示 的几何 非线 性刚度 矩阵或 一般 的几何 刚度矩 阵 来计 入梁柱 效应 。本桥 采用一 般 的几 何 刚度矩 阵来 计入 梁柱效 应 。 ( 3 )大 变形 效 应 。施 工 过 程计 算 时 ， 采 用 荷 载 分 阶段施 加 来 考 虑 一个 施 ： 阶段 之 内 的 大 变 形 效 应 。对 于施 工 阶段 之 间 ， 则 采 用 拖动 坐 标 法考 虑 大 变形 效应 ， 即在 结 构 进行 下 次 计 算 之 前 ，修 正 节 点 的坐标值，重新计算单元 的刚度矩阵，使结构的平 衡位 置建 立在新 的节点 位置 j ： 。 4施 工 阶段 的 划分 0 、 1 号节 段 ( 即塔 根部 ) 及 边跨 墩 顶段 在支 架 上 施工 ， 其余 节段采 用挂 篮悬臂 法施 工 。 主梁 标准 节段施 工 划分 为 7个 工 况 ， 即移 动 施 j 二 挂 篮 ； 第 1 次 张拉相应 的斜拉 索 ； 浇注节段 一半 混 凝土 ； 第 2次张拉 相应 的斜拉 索 ； 浇 注节段 另一半 混 凝 土 ； 节段 形成 、 张拉 主梁 预应 力 ， 同时 将索 锚 点 转 移至 梁上 ； 第 3次张拉 相应 的斜 拉索 。 对于其他结构体系或荷载发生变化的施工过程 都单 独划分 施工 阶 段 ， 全 桥施 工过 程 总计 2 2 3个 施 工阶段 。 5主要计 算 内容和结 果 5 1施 l r 过程索 力 的确定 经分 析 计算 比较 ， 本 桥 索力 张 拉 方案 主要 采 用 “ 一 次张拉到位” ， 即大部分斜拉索在合龙后不进行 调整 ， 合龙后仅对个别斜拉索进行调索 。 与钢 箱 梁斜 拉 桥不 同 ， 混凝 土斜 拉 桥 由于 采用 前支 点挂 篮施工 ， 施工 阶段索力 实 际上包括 2部分 ， 一 是 混凝土 浇注过 程 的索力 ， 即本桥 的一张 、 二张 索 力 ， 二 是指混 凝 土达 到强 度 并体 系转 换后 的张 拉 索 力 ， 即本桥 的三 张索 力。按 照通 常 的方 法 只能 确定 三张 索力 。虽然 三 张索 力对 成 桥状 态起 控 制作 用 ， 但一 张 、 二 张索力 对 于混 凝 土斜 拉 桥 施 监 控 来说 至关 重要 ， 直接影 响 到混 凝 土 浇注 过 程 巾桥 梁 结 构 本身 和挂篮 的安全 以 及节段梁 体浇筑 后 的线 形 。 三张索力 采用倒 拆 法确定 。 中间索力确定 计算 时分 2步 ， 第 l 步根 据 挂 篮 受力 要 求确 定 各 次 中间 索 力 的允许范 围 ( 上下 限 ) ； 第 2步 则先 用 上下 限的 平 均值 代入正 装计 算 过程 中计算 ， 再 根 据 混凝 土 主 5 8 桥梁建设 2 0 0 9 年第 1 期 梁 的受力 情况 在上 下 限范 围 内作 适 当调 整 ， 直 到 满 意为止 _ 2 。为了制 定 合 理 的 中 间索 力 张拉 方 案 ， 应 综合考虑以下有关 因素 ： 牵索张拉的次数不宜太 多 ， 也 不宜太 少 ， 多 了会 增 加施 工难 度 ， 少 了可 能 又 达不 到牵索 挂篮施 工 的效 果 ， 牵 索 张拉 次 数 一 般 为 2 3次 ； 已浇 梁 段 的应 力应 控 制 在安 全 的 范 围 之 内 ， 不允许 出现 过 大 的 拉压 应 力 ； 挂 篮 结 构 的 安全 ， 挂篮 的水平 支 反 力 和竖 向支 反 力不 能 超 过 挂 篮设计允许值； 为减小非弹性变形 ， 挂篮前支点 以不出现负反力为宜 i 主梁前端挠度变化值不宜 太 大 。 根据 以上原 则 ， 最 终 确定 本 桥 在混 凝 土 浇注 前 后 张拉 2次索力 ， 第 1次 张拉 在 挂 篮 移 动 到 位后 进 行 ， 索力为 三 张索 力 的 1 4 1 3 ， 第 2次 张 拉 在 混 凝土浇注 一半时进行 ， 索力 为三张索力 的 2 5 2 3 。 5 2 施 工过程 仿真 计算 按照 划分 的施 工阶段 ， 建 立有 限元模 型 ， 对 整个 施 工过程 进行 模拟 计 算 ， 主要 计 算 内容 包 括 各 施 工 阶段 的索 力 、 变 形 、 应 力 ， 其 主要 目的在 于 验 算 施 工 过 程结构 的安 全性 及确 定各施 工工 况 目标状 态 。 施工 过程 中主梁最 大压 应力 为 1 9 5 mp a ， 最 大 拉 应力 为 0 2 mp a 。主 梁采 用 c 6 0混凝 土 ， 在 施 工 阶段 其 容 许 压 应 力 为 2 6 9 5 mp a ， 容 许 拉 应 力 为 1 9 9 mp a 。均未 超过 容许值 。 施 工过 程 中主塔 最大压 应 力为 1 1 9 mp a ， 无拉 应 力 。主塔 采用 c 5 0 昆凝 土 ， 在施 工 阶段 其容 许 压 应力 为 2 2 6 8 mp a ， 容 许 拉 应 力 为 1 8 5 5 mp a 。未 超过 容许值 。 施工过 程 中斜 拉 索 的最 大 应 力 为 5 9 7 mp a ， 根 据规 范要 求 斜 拉 索 应 力 应 满 足 2 5倍 安 全 系数 要 求 ， 即应力 应该 小 于 6 6 8 mp a 。未超 过容许 值 。 成桥 时 主梁顶 底板 应力 见 图 3 ( 压应 力 为 正 ， 拉 应 力为 负) 。成桥 时主 梁累计 位移 见 图 4 。 单 位： a 图 3主 梁 刚成 桥 时顶 底板 应 力 图 4主 梁 成 桥 时 累 计 位 移 由图 3可 知 ， 成 桥 时 主 梁 顶 板 最 大 压 应 力 为 1 2 8 mp a ， 底 板最 大压 应力 为 1 6 7 mp a ， 顶 底板 均 无 拉应 力 ， 全 桥 各 截 面应 力 均 满 足规 范 要 求 。由 图 4可 知 ， 全 桥 最 大 累计位 移 向上 为 0 4 2 3 m， 向下 为 0 2 2 9 m， 说 明施 工 过程 中结构 的位移 变化 较 大 ， 在 施 ： 【控 制 中应加 以重视 。 5 3最 大 双悬臂 稳定 性分 析 本 桥边 跨无 辅助 墩 ， 施 工过 程 中最大 双悬 臂时 ， 边 跨 长 1 9 4 m， 中跨长 度 达 2 1 6 m。在 这 种状 态 下 ， 当索塔两侧有不平衡横 向风力及其他荷载作用 时， 结 构处 于不 利 的受 力 状 态 ， 应 对此 工 况 状 态 稳定 性 进行 验算 。 本 次计 算按 一类 稳定 性 问题求 解 ， 采 用 mi d as 软件 ， 计算 荷载 包括 所有 恒载 、 挂篮 、 风荷 载 、 电焊 机 等施 工荷 载 。其 中风 荷 载 、 不 平 衡 荷载 的取 值 参 照 公路 斜 拉桥设 计规 范 ( 试行 ) ( j t j 0 2 7 9 6 ) ， 计 算 示 意见 图 5 。 if ll if ll l1 i l f h l l1 ll ii l l 1 il ii f 图 5 最大双悬臂稳定性分析计算 图示 w 为 挂篮 、 电焊 机 等 施 工 荷 载 ， 取 2 2 0 0 k n， w 为半个 节 段 的梁 重取 2 0 0 7 k n， 均 布 风 荷 载 p 一 ( 、 。 s v b 1 6 l 3 j 。其 中升举 系 数 c 。 取 0 7 5 i 阵风 系数 s边跨 侧取 1 7 8 ， 主跨侧 取 0 8 9 ； 风速 取4 3 6 8 m s ， 桥 宽 b 一2 6 5 m。 经计 算 最 大 双 悬 臂 状 态 下 ， 结 构 安 全 系 数 为 1 1 4 7 。斜 拉 桥设 计 规 范 要求 弹 性 屈 曲稳定 安 全 系 数 应不小 于 4 ， 表 明结 构 在该状 态下 稳定 性较 好 。 5 4 参 数影 响性 分 析 混 凝土 斜拉 桥施 工过 程 中的结 构状 况往往 会偏 离 理论 轨迹 ， 造 成这 种偏 离 ， 很 大程 度上 与计算 参 数 的取值 以及 温度 、 临 时荷 载等 因素 相关 。 因此 ， 在 前 期对 结构进 行影 响性 分 析 时 ， 有 必 要 了解 各 种 因 素 对结 构 内力和 线形 的影 响 ， 从 而 把 握关 键 性 影 响 因 素 ， 为施 工控 制提供 依据 。 影 响性分 析包 括成 桥状 态设 计参 数影 响性分 析 和施 工状 态 温度影 响性 分析 。 5 4 1 成桥 状态设 计 参数 影 响性分 析 成桥 状态 计算 涉及 的主要设 计参 数包 括混 凝 土 弹 性模 量 、 斜 拉索 弹性 模量 、 混 凝土 容重 。为分 析设 计 参数对 成 桥状 态 的影 响 ， 监 控 计 算 时针 对 以上参 重庆忠县长江大桥斜拉桥施工控制计算 袁建新 ， 李之达 5 9 数 分别取 不 同的数 值 进行 了计算 ， 具体 参 数 取 值如 下 ： 所 有参 数 按规 范 取 值 ； 混 凝 土 容 重 由 2 6 k n m。 增 加到 2 6 5 k n m。 对结构 的影 响 ； 主梁 混 凝土 弹性 模量 提高 到 3 9 1 0 mp a对结 构 的影 响 ； 斜拉 索弹性 模量取 2 0 1 0 mp a 。 对 计算 结 果整 理发 现 ， 不 同参 数 对应 的成桥 状 态不 一样 。图 6 、 图 7为 以上 几 种 参 数取 不 同数 值 时引起 的成桥 累计位 移和 成桥索 力的变 化 曲线 。 o 0 2 0 o0 0 0 2 0 04 斜拉索 单 l 号 一 混凝 土容重取2 6 5 k n m 。 一 錾凝 圭母 性 模 量取 3 9 x l o ： a 斜 拉索弹 性模量 取2 ol o a 图 7 计算参数对成桥索力影响 从 图 6 、 图 7来看 ， 混凝土 容重 对 成桥 状 态 的影 响最大 ， 其次 为混凝 土弹性模 量 ， 斜 拉索 弹性模 量对 成 桥状 态的影 响 相对 较 小 。因此 ， 在施 工 控 制 中应 把混凝土 材料 参