天津永和斜拉桥换索后的索力调整_图文

1、第 25卷 第 10期2008年 10月 公 路 交 通 科 技Journal of Highway and T ransportation Research and DevelopmentV ol 125 N o 110 Oct 12008文章编号 :10020268(2008 10007905收稿日期 :20080118基金项目 :天津市科技计划资助项目 (07ZCGY SF00100作者简介 :李宏江 (1973- , 男 , 河北迁安人 , 博士 , 副研究员 , 从事旧桥检测与评定及大跨度桥梁结构理论与设计方法研究 1(hj 1li rioh 1cn 天津永和斜拉桥换索后的索力调整李

2、宏江 1, 王 江 2, 张永明 2, 王荣石 2, 张鹏勇2(11交通部公路科学研究院 , 北京 100088; 21天津市市政公路管理局 , 天津 300170摘要 :结合天津永和斜拉桥的换索与调索实践 , 在分析换索后全桥结构性能变化的基础上 , 、原 则 , 利用平面杆系有限元程序和影响矩阵法基本原理 , , 。调索 过程中的监测结果表明 , 索力调整后 , 全桥索力接近目标值 , 善 , 调索并未引起主梁混凝土产生过大的拉应力 , 。天津永和斜拉桥的调索实践为今后PC 关键词 :试算法 ; PC 斜拉桥 中图分类号 :U4481文献标识码 :ACable Force Adjustme

3、nt after Cable Replacement for T ianjin Y onghe Cable stayed BridgeLI H ong jiang 1, W ANGJiang 2, ZH ANG Y ong ming 2, W ANG R ong shi 2, ZH ANG Peng y ong2(11Research Institute of Highway , M inistry of C ommunications , Beijing 100088, China ; 21T ianjin Municipal and Highway Administration Burea

4、u , T ianjin 300170, China Abstract :Cable force adjustment is an effective measurement to reduce cable force errors after replacement of cables in existing PC cable stayed bridges 1C ombined with T ianjin Y onghe Bridge , the objective and principles for adjustment of cable forces were provided on

5、basis of analyzing changes of structural behaviors in this bridge 1Based on the planar beam finite element method and the in fluence matrix method , a trial and error calculation method was applied to determine the optimal cable force adjustment scheme 1Thereafter , s ome structural behavior changes

6、 afteradjustment were analyzed 1M onitoring results show that (1 all cable forces approach designed value and their distribution became reas onable after adjustment , the deflection of deck and position of the top of tower were im proved ; (2 during adjustment , little tensile stress changed in conc

7、rete beam 1The trial and error calculation method is a reas onably practical method 1A perfect adjustment scheme must av oid changing structural or mechanical state of old bridge over many years in order to ensure safety during cable force adjustment 1The practice of Y onghe Bridge possessed an even

8、t of significance for cable adjustment of many old prestressed concrete cable stayed bridges 1K ey words :bridge engineering ; cable force adjustment ; influence matrix ; trial and error calculation ; PC cable stayed bridge 0 引言PC 斜拉桥的拉索接近设计使用寿命时 , 常采用换索技术来延长桥梁的使用年限13。斜拉桥主梁的恒载内力主要取决于索力的大小及其分布 , 若换索过

9、程中对索力控制出现偏差 , 必然会引起结构偏离理想 状态过多 , 这时就必须通过索力调整 (简称调索 来 使索力误差控制在工程上可接受的范围之内 。 目前调索计算方法主要有影响矩阵法 4,5、逼近法 2、数学规划法 68等 。 这些方法尽管具有各自的特点和适用 性 , 但实际应用中 , 根据前述几种方法确定出的调索 方案还需进一步根据 PC 斜拉桥的结构反应进行反复调整 , 这其中兼顾的因素较多 9。 本文结合天津永和 斜拉桥换索后的索力调整实践 , 对索力的调整方法及 其效果进行分析 , 以供工程参考 。 1 工程概况天津永和斜拉桥为 5孔一联、主孔跨径 260m 、双塔双索面 、 塔墩固结

10、 、连续呈漂浮体系的 PC 斜拉桥 (图 1所示 。 主梁梁高 210m , 包括风嘴总宽 1415m , 塔高 5515m , 塔柱斜腿段为型钢骨架混凝土空心 柱 , 主墩为沉井基础 , 其余墩台为管桩基础 , 边墩设 拉力摆索支座 。 桥面净宽为 9+2×110m , 设计荷载 等级为汽 20级 , 挂 100, 人群荷载 215kN m 2, 大桥 于 1987年 12月建成通车 。全桥拉索呈扇形布置 , 共 44对 , 由天津侧至汉 沽侧依次编号为南 C11 南 C1 、 南 C1南 C11、北 C 11北 C1、 北 C1 北 C11 , 每个索号上下游各 2图 1 天津永

11、和斜拉桥立面布置 (单位 :cm Fig 11 Sectional elevation of T ianjin Y onghe Bridge (unit :cm 根索束 (如图 2所示 。 大桥运营近 20年后 , 于 2006年 11月 17日至 2007年 1月 3日对全桥拉索进行了更 换 。 图 2 拉索在主梁横断面上的布置 (单位 :m Fig 12 Arrangement of strayed cables in the transversesection of box girder (unit :m 换索施工进行至一半时 , 因索力监测采用的新索 索重与实际情况偏差较大 , 而索力

12、与索重近似呈线性 关系10, 这样就导致前面已换完的一些拉索的实际索力明显偏离目标值 , 待全部拉索更换完毕并采用修 正后的新索索重重新测试全桥索力后发现 , 一些索号 的索力相比于目标索力表现出较大的不均匀性 。 为将 全桥索力调匀 , 使其接近设计值 , 决定对新索索力进 行调整 。2 换索前后全桥结构性能的变化图 3示出了换索后索力相对于目标索力的变化量 (即索力增量 的分布 , 正值表示换索后的索力相对于目标索力有所增加 , 反之表示有所减小 , 此处的索 力系指主梁横断面上 4根索束的索力之和 。由图 3可分析 , 相比于目标索力 , 中长索 (C6 C8 、 C6、 C8 索力减小

13、 , 短索索力增大 ; 南 C6索力减小最 多 , 减小百分比约为 1516 %, 南 C2索力增大最明 显 , 增大百分比约为 1519%。图 3 换索后全桥索力增量分布Fig 13 Cable force increment distribution aftercable replacement伴随着索力变化 , 桥面线形和塔位也都发生了一 定变化 。 图 4示出了以天津侧桥头为高程零点的桥面各测点得相对高程分布 , 与原桥竣工线形相比 , 换索 前中跨跨中局部区段已然发生了一定的下挠 , 其中跨 中下挠量最大 , 达 2614cm 。换索后 , 这种下挠趋势 继续增大 , 跨中下挠量达

14、3413cm 。另外 , 与换索前相比 , 换索后南塔塔顶向河侧倾 斜了 110cm , 北塔塔顶向河侧倾斜了 218cm 。8 公 路 交 通 科 技 第 25卷 图 4 换索前后桥面线形变化Fig 14 Deck deflection change before andafter cable replacement3 索力调整的目标及原则311 索力调整的目标根据换索前后全桥结构性能的变化分析 ,均匀是造成换索后桥面线形 、原因 。 ,点 , 也是其优点 ,力误差 , , 使全 桥结构受力更趋合理 。 本次调索的目标确定为 :调索 后全桥索力相对于目标索力的变化量控制在目标索力 的

15、77;5%范围内 11。312 索力调整的原则调索应兼顾主梁线形、 主梁混凝土应力以及塔位 的变化 。与竣工线形相比 , 无论是换索前还是换索 后 , 中跨局部桥面线形不合理 , 下挠过大 , 因此 , 调 索应使这种局部下挠有所缓解 , 尽可能接近竣工线 形 。 同时 , 索力大小及其分布变化必然引起主梁混凝 土应力相应地发生变化 , 考虑到活载的作用 , 调索应 使主梁上 、 下缘混凝土应力增减适度 , 避免产生过大 的拉应力 , 并使因调索而可能产生的较大拉应力应尽 可能地产生在压应力储备较高的梁段 , 以保证主梁的 安全 。 另外 , 考虑到换索使南北塔塔顶已向河侧倾 斜 , 调索应使

16、这种趋势有所缓解 , 至少应达到换索前 状态 。4 索力调整方案调索计算采用平面杆系有限元分析程序。主梁 、 索塔分别采用梁单元模拟 , 将主梁横断面的 4根拉索 合并按 1根拉索等效 , 拉索采用索单元模拟 , 弹性模 量采用 Ernst 公式修正 12。全桥共划分 221个单元 、 180个节点 , 计算模型如图 5所示 。计算中首先采用影响矩阵法分析相邻拉索之间的 相互影响程度 , 即对每个索号的拉索索力分别一次试 张拉 100kN , 分别计算全桥的索力 , 分析所调拉索的 索力对其他拉索索力的影响程度 。 计算结果表明 , 所图 5 永和斜拉桥平面杆系有限元计算模型Fig 15 Pl

17、ane bar finite element analysis m odel forY onghe Cable stayed Bridge调拉索的影响范围仅为该索号的前后各 3对索 , 这 样 , 根据索力影响程度确定调索索号和索力调整幅 度 , 尽可能地一次张拉到位 , 避免二次张拉造成调索 工序的繁琐 。然后 , 根据图 4, 进行 , 最后 , 考虑到主梁线 , 重新调整调索 , 。 根据计算结果确定调索的初步方案如表 1所列 。 调索共分 14步 , 同一步的调索索号同时张拉 , 即在 原有索力基础上再叠加一个增量 。 前一步调索施工结 束后 , 再进行下一步 , 每完成一步 , 均要

18、对索力 、 主 梁线形 、 塔位以及主梁混凝土应力进行监测 , 并与理 论计算值进行比较 , 根据施工监测结果随时调整下一 步所调拉索索号及其施工索力增量 。表 1 永和斜拉桥换索后的索力调整初拟方案T ab 11 E lementary scheme for cable force adjustment after cable replacement in Y onghe Cable stayed Bridge调索步骤 调索索号 索力增量 调索步骤 调索索号 索力增量 kN 1南 C9 +482北 C9 +6772南 C10 +605北 C10 +8363南 C11 +601北 C11 +6

19、174南 C8 +735南 C8+652北 C8+450北 C8 +6815南 C6 +700南 C6+748北 C6+548北 C6 +6406南 C7 +595北 C7 +6587南 C5 +400南 C5+206北 C5+200北 C5 +1928南 C11+343北 C11+347 9南 C7+240南 C4 +25910南 C8 +202南 C8+266北 C8+151北 C8 +18611南 C7 +140南 C9+279北 C6+120北 C7 +12012南 C6 +150南 C6+150北 C6 +150 13北 C4 +184南 C1+291 14南 C2-137 注 :索

20、力增量中 , 正号表示索力在已有索力基础上增加 , 反之表 示在已有索力基础上减小。 此处索力增量系指同一主梁断面的 4根索 束的总增量。18第 10期 李宏江 , 等 :天津永和斜拉桥换索后的索力调整 5 调索效果分析调索过程中的监测结果表明 , 索力 、主梁线形 、主梁混凝土应力以及塔位的变化规律与理论计算结果 较为吻合 。 为节省篇幅 , 这里对每一步调索的效果不 再赘述 , 仅对整个调索施工前后全桥结构状态的变化 进行对比分析 。 511 桥面线形调索后 , 桥面线形的变化如图 6所示 。由图 6可 看到 , 相比于换索后 , 中跨跨中附近区段发生上抬 , 跨中上抬量最大 , 为 21

21、13cm , 较为明显地缓解了中 跨局部桥面下挠的趋势 , 调索后的桥面线形接近竣工 线形 , 使主梁的受力更趋合理 , 显著 。图 6 调索后桥面线形的变化Fig 16 Deck deflection change after cable force adjustment512 主梁混凝土应力整个调索过程中均对主梁控制断面的应力进行了监测 。 调索引起的主梁控制截面的混凝土应力增量 (即调索前 、 后应力测试值之差 如表 2所列 。由表 2可看出 , 调索均使各个控制截面产生的应力增量较 小 , 其中拉应力增量不超过 110MPa , 压应力增量不 超 过 115MPa , 实测最大拉应力增

22、量 (0191MPa 产表 2 调索引起的主梁混凝土应力变化T ab 12 C oncrete stress change in main girder causedby cable force adjustment主梁监测断面 测点位置应力增量 MPa南半桥边跨跨中 截面上缘 0124截面下缘 0124南塔塔根 截面上缘 0139截面下缘 0146南半桥中跨 C9索点截面上缘 0114截面下缘 -1123中跨跨中 截面上缘 0142截面下缘 -1116北半桥中跨 14截面上缘 -0135截面下缘 -1108北塔塔根 截面上缘 -0103截面下缘 0191北半桥边跨跨中 截面上缘 -1133截

23、面下缘0138 注 :应力以受拉为正。生在北塔塔根附近 (该处截面混凝土压应力储备相对较大 。 513 全桥索力调索后全桥索力与目标索力比较如表 3所列。图 7示出了调索后全桥索力增量 (即调索后索力与目标 索力之差 的分布图 。 由表 3可以看出 , 与目标索力 相比 , 调索后的全桥索力百分比偏差均在 ±5%范围 内 , 基本上接近了目标索力 。 对比图 7和图 3可以发 现 , 全桥索力的均匀性得到明显的改善 , 索力分布更 趋合理 。表 3ab 1C om after adjustment in Y onghe Cable stayed Bridge力 kN 调索后 索力 k

24、N 增量百 分比 %索号目标索 力 kN 调索后 索力 kN 增量百分比 %南 C11 83878251-116C11 84378451012南 C10 81167968-118C10 80358089017南 C9 75707502-019C9 78857663-218南 C8 66096485-119C8 66436586-019南 C7 55475400-217C7 51855040-218南 C6 51534970-316C6 48394697-219南 C5 51054909-318C5 46874517-316南 C4 40183852-411C4 36763807316南 C3

25、34883330-415C3 37663717-113南 C2 23332382211C2 26642566-317南 C1 40634148211C1 39884060118南 C138443906116北 C139563998111南 C225592639311北 C227522738-015南 C333103451413北 C335603638212南 C436293738310北 C438563807-113南 C544444313-219北 C547514601-312南 C647584583-317北 C647404625-214南 C758025580-318北 C7551754

26、28-116南 C866506513-211北 C866096569-016南 C974777343-118北 C972016969-312南 C1075997337-314C1080357633-510南 C1186908658-014C1185778402-210 注 :增量百分比系指调索后索力相对于目标索力的变化量占目标 索力的百分比。514 塔顶纵桥向水平位移相比于换索后 , 调索使得南塔塔顶向岸侧变位 113cm , 使北塔塔顶向岸侧变位 410cm , 与换索引起的塔位变化方向相反 , 使换索造成的塔顶向河侧倾斜 的趋势大为缓解 , 并使塔顶稍向岸侧倾斜 , 对抵抗活 载更为有利

27、。 6 结论天津永和斜拉桥主梁刚度较小 , 且为漂浮体系 , 在连梁状态下进行索力调整取得了明显的效果 。 通过28 公 路 交 通 科 技 第 25卷 图 7 调索后全桥索力增量分布Fig 17 Cable force increment distribution after cable adjustment 该桥得索力调整实践 , 可得到如下结论 :(1 对于漂浮体系斜拉桥 , 在主梁刚度较小的情 况 , 连梁状态下通过索力调整来改善全桥结构性能是 可行的 。(2 调索是一个反复迭代 、较多的过程 , 相对较为繁琐分析程序 ,化 , 。 调索计算在存在多个 解的前提下应在调索目标 、调索原

28、则的指导下进行 , 并选取一个调索幅度相对较小的调索方案 , 尽量避免 使运营多年的老桥结构受力状态发生突变 , 以保证调 索过程中结构的安全 。(3 调索应在索力调整幅度范围内兼顾主梁线 形 、 塔位 、 主梁混凝土应力等结构参数的改善 。参考文献 :R eferences :1 蒋伟平 1斜拉桥换索理论及其技术问题的研究 D 1成都 :西南交通大学 , 20001 J I ANG Wei ping 1Research on Cable Replacement Theory and T echnology of Cable stayed Bridge D1Chengdu :S outhwes

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