威海首座跨海斜拉桥合龙仿真分析

王 慧 张自强 王振清

斜拉桥是一种桥面体系受压(或受弯压)，支承体系以斜索受拉、桥塔受压为主的桥梁。斜拉桥合龙段施工是整座桥施工过程中最为关键的部分之一，在斜拉桥合龙段施工时，结构具有最大的悬臂长度，此时的荷载和温度变化对结构的变形也最为敏感，既要保证成桥后的线形，又要保证成桥后的内力合理。合龙段的施工控制关系到全桥的线形平顺和结构的永存内力状态，因此在实际合龙施工前就必须通过有限元模拟合龙状态，寻找最优参数以指导实际施工［1］。

1 工程实例

长会口大桥主桥为跨径组合为(117+230+117)m的三跨预应力混凝土双塔双索面竖琴式斜拉桥。主梁为双边主梁肋板式预应力混凝土结构，主梁全宽约20.1 m，边肋高度2.0 m，主梁全高为2.2m，桥面板厚度为32 cm，肋间横梁间距与拉索间距相同，厚度28 cm。主梁采用C60混凝土，全桥共三个合龙段，两边跨分别为1.5m，中跨为2 m。全桥共104根拉索，标准索距8 m。大桥两侧引桥分别采用25m，35m两种跨径的预制T梁，采用先简支后墩梁固结体系。大桥全长2 020m，桥高33.2m，主塔高106.414m，采用“H”形桥塔，为双向四车道混合交通大桥，桥梁设计荷载为公路—Ⅰ级标准，设计车速为80 km/h，设计通航标准为2 000 t级单孔双向通航、3 000 t级单孔单向通航，设计使用年限为100年。

2 斜拉桥合龙影响因素

1)温度的影响。斜拉桥设计会有一个理想合龙温度，此温度一般为15℃左右，称为合龙基准温度，但是由于真实温度不一定与理想温度吻合，所以要预先计算实际温度与基准温度的差异对合龙的影响范围从而指导合理施工。

2)荷载的影响。斜拉桥悬臂合龙段施工，结构处于最大悬臂状态，此时临时荷载以及不均衡荷载都可能造成结构的较大位移，对合龙造成不利影响。

3)合龙压重的影响。处于悬臂合龙的斜拉桥，承受荷载时中跨跨中为最不利截面，这里也是最大挠度发生的位置，所以必须要采用合理的配重方案才能使桥梁内力和标高达到要求。

4)体系转换的影响。为了方便悬臂合龙，必须进行塔梁、墩梁的临时固结，而在合龙完成后则要进行体系转换，解除约束，这将对主梁内力和挠度产生影响，这些需要有限元软件进行精确计算得到最有利的控制参数指导顺利合龙。

3 有限元仿真计算

为了提高合龙精度，本桥采用Madis/Civil 2006和Dr.Bridge V3.0软件共同进行分析，以校核数据的正确性。Madis建模中双主肋、索塔、桥墩用梁单元模拟，桥面板用板单元模拟，斜拉索用只受拉桁架单元模拟，全桥离散单元共计2 041个，节点2 441个，98个施工阶段。

建模把全桥离散共划分314个单元，125个施工阶段。

3.1 温度对主梁线形、应力及索力的影响

由于本桥合龙时间为9月中旬，夜间气温为25℃左右，比合龙温度高5℃，这就需要计算温度对主梁线形、内力及索力的影响。

1)边跨合龙前为最大双悬臂状态，全桥合龙前，由温度引起的跨中最大竖向位移Madis计算为40 cm，Dr.Bridge计算为34.5 cm。

2)主梁应力的变化，由有限元软件计算，气温在25℃时容易引起较大的应力变化，跨中下缘最大压应力达到16 MPa，上缘压应力也有5 MPa。

3)由于拉索数量较多只取靠近岸边一侧索力作为参考，在25℃温度条件下Madis，Dr.Bridge计算的索力与设计索力相比较，部分计算值已超出设计索力，见图1。

3.2 压重对全桥的影响

斜拉桥悬臂施工，最不利截面发生在跨中截面，此处的挠度较大，而且下缘压应力较小，在合龙布满荷载后容易出现拉应力，为了成桥结构内力更加合理，在中跨跨中截面预留部分抵抗活载的应力，增大截面应力贮备。通过计算分析在中跨悬臂端两侧施加307 kN/m的配重，在第13号索全部张拉完毕后，在合龙口悬臂端两侧的13号块307 kN/m，以提供预压力，见表1。

配重307 kN/m还将使得索塔向河侧多偏移1.04 cm，对成桥后索塔受力影响较为不利。经计算后发现对应力的不利影响较小，综合其影响，虽然在13号块上配重307 kN/m对索塔不利，但对结构运营有较大的好处。可以认为，配重对整个桥梁结构而言利大于弊。

表1 压重后对主梁内力的影响MPa

表2 合龙方案

4 合龙方案的确定

1)通过Madis计算分析边中跨均加载30.7 t，两边均下降不到2 cm;如边跨压10 t，中跨压20 t，边跨抬升2 cm多，中跨下降4 cm多，塔往跨中偏2 cm(可根据压重关系调整塔的偏位)。此时顶推，跨中纵向已经约束，之后温度变化会引起结构反应。

2)低温焊接劲性骨架，与1.5 m现浇段锁定。升温边跨支座压力会加大，处于有利状态。如果桥面升温过大，则劲性骨架应力比较大，通过两大有限元分析劲性骨架轴向应力60 MPa左右，劲性骨架的焊接质量应引起重视。如果混凝土养护几天白天气温比较高，必须采取桥面降温措施(如整个桥面浇水等)。

3)顶推中跨压重按35 t，引起中跨下降5 cm，塔往中跨偏2 cm，边跨支座力减小11 t左右。在边跨合龙前压重(单根桩基的拉力在100 t多点)，浇筑混凝土合龙完成见表2。

5 结语

1)通过两种有限元模型分析对比得到更加合理的施工控制参数，便于指导施工。2)悬臂施工中，不均衡的临时荷载容易引起主梁标高、索力、内力的变化较大，所以临时荷载应该对称放置在距离主塔最近的0号，1号块附近。3)每次浇筑混凝土时必须选择一天中相对稳定的均匀温度场，最佳时间为清晨或晚上。

［1］ 向中富.桥梁施工控制技术［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］ 邱金亮，方水平.弯桥计算分析［J］.山西建筑，2010，36 (14):312-313.