中山小榄水道特大桥斜拉桥索力计算

陈 凯 余贤宾

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640)



中山小榄水道特大桥斜拉桥索力计算

陈 凯 余贤宾

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640)

介绍了中山小榄水道特大桥的工程概况和施工顺序，针对中山小榄水道特大斜拉桥为宽幅、牵索挂篮施工的特点，总结了模型建立与斜拉索索力计算理论方法，为同类斜拉桥的设计和监控计算模拟积累了经验。

斜拉桥,牵索挂篮,索力计算,计算模型

1 桥梁概况

中山小榄水道特大桥为双塔双索面半漂浮体系混凝土梁斜拉桥，跨径布置为125.0 m+250.0 m+125.0 m，桥面宽度35.5 m。主塔为H形，高94.768 m。全桥采用预应力混凝土主梁结构，梁高3.0 m。斜拉索采用双索面扇形布置，平行钢绞线索主塔两侧各分布20对 160根斜拉索。主梁划分为以下梁段：主塔下横梁附近0号梁段长8 m(对称于主塔墩中心线向两侧各4 m)，采用支架现浇施工；边、中跨1号～12号梁段为标准梁段，中跨13号～20号梁段为标准梁段，长为6 m，除边、中跨1号梁段采用支架现浇以外，其余标准梁段均采用挂篮悬浇施工；边跨现浇段长36.73 m，采用支架现浇施工；边、中跨合龙段长为2 m，采用吊架现浇施工。中山小榄水道斜拉桥立面图见图1。

2 监控计算方法

桥梁施工过程是一个结构体系和荷载分布不断变化、结构内力不断重分布的过程，要得到合理的成桥状态就必须余下确定合理的施工顺序和张拉索力。而混凝土结构的收缩、徐变效应更使问题变得复杂。因此，准确的对每个施工步骤进行模拟；计算出合理的施工张拉索力是施工监控的主要计算工作。在监控过程中对预先设定的参数进行识别、修正也是监控后期的重要工作。

3 模型建立及介绍

3.1 模型离散介绍

本次全桥模拟计算采用Midas Civil平面杆系单元建立，根据结构布置和构造设计对结构进行离散。模型共划分210个梁单元，180个塔单元(不包括桩基)，160个斜拉索(桁架单元)单元，共计1 435个节点。结构模型做了如下简化:1)主塔桩基按照固结考虑；2)斜拉索按照实际锚点建立，通过弹性连接与主梁、主塔连接；3)结构纵向截面突变位置采用梁单元荷载或节点荷载补足重量。计算模型简图如图2所示。

3.2 结构参数选取

主梁C60混凝土容重取26 kN/m3，Midas Civil默认25 kN/m3，故设置1.04的自重系数。斜拉索采用1860钢绞线，斜拉索受力面积按照实际受力面积等效为单位圆计算，实际换算见表1。

表1 斜拉索等效受力面积换算表

3.3 施工步骤模拟

主塔施工为翻模施工，主梁结构施工主要分为0号、1号支架现浇施工，牵索挂篮施工和边跨现浇段满堂支架施工。

牵索挂篮施工工艺为：

1)挂篮行走、锚固到位，标定立模标高。

2)将斜拉索锚固至挂篮上，第一次张拉到位。

3)编织钢筋网，浇筑一半混凝土。

4)斜拉索二次张拉。

5)浇筑图2另一半混凝土。

6)混凝土张拉预应力钢束。

7)挂篮体系转换，第三次张拉斜拉索。

4 斜拉索力计算要点步骤及结果

4.1 计算理论基本介绍

本桥施工索力计算时采用了倒拆—正装迭代的复合方法。由于混凝土收缩、徐变的特性，倒拆—正装必然有不闭合的情况出现。常用的倒拆—正装法通过多次往返迭代消除不闭合，然而计算量较大，实际操作也较为繁琐。

由于斜拉桥的成桥状态和施工息息相关，倒拆模型获得主梁应力状态差异较大；故倒拆模型优先控制合理成桥索力。通过对倒拆获得的施工索力的迭代优化，来调整主梁的施工应力状态和成桥应力状态。

本桥设计为牵索挂篮施工工艺，施工张拉索力在浇筑过程中分三次张拉到位；全桥合龙后，全桥调索。一般来说减少斜拉索张拉次数可以减少施工单位工作量，缩短施工工期。然而超过平衡现有主梁重量所需的斜拉索力，必然会使主梁承担一定的负弯矩；一方面主梁在成桥状态中的负弯矩储备是在施工过程中逐步形成的，另一方面混凝土不宜长期在受拉状态下工作。故施工索力的确定需要不断的迭代优化计算。

4.2 全桥模型中的牵索挂篮模拟必要性

本桥为三角复合牵索挂篮，根据有限元计算理论，在实际模型中必须考虑牵索挂篮和桥梁结构的耦合作用，将牵索挂篮建到模型中。

在不同的节段中通过Midas Civil的激活钝化功能实现挂篮的移动。施工阶段模拟考虑挂篮和单纯通过荷载模拟，将得到完全不同的成桥线形[2]，见图3。

5 全桥实际索力计算结果

相比于设计索力，算得成桥十年状态下的索力均值最大差值在±3%以内。从结果趋势上看，短索偏差相对较大，长索偏差较小；其原因在于短索索力小，长索索力大，虽然偏差比例不同，但是实际误差值较为稳定可控，见图4。

6 结语

1)斜拉桥牵索挂篮施工工艺复杂，受斜拉索张拉力和张拉方案、施工荷载、梁段重量、混凝土收缩徐变、温度和预应力影响，施工监控难度较大；因此必须对每个施工阶段进行精确划分，准确计算；施工过程中发现误差及时调整。

2)斜拉桥索力模型建立时，必须要将挂篮模型建入整体模型；并准确模拟挂篮的重量、刚度和支反力。

3)采用倒拆—正装迭代的复合方法的斜拉桥索力计算方法有良好的精度，在中等跨径斜拉桥索力计算上计算效果较好。

[1] 林启辉.深圳湾斜塔斜拉桥施工监控计算[A].第十三届全国工程建设计算机应用学术会议论文集[C].2006:527-531.

[2] 韩大建，苏 成，王卫峰.崖门大桥施工监控的技术流程与主要成果[J].桥梁建设，2003(1):5-8.

The stayed cable force calculation on Zhongshan Xiaolan waterway super bridge

Chen Kai Yu Xianbin

(Civil Engineering and Transportation School, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

This paper introduced the engineering general situation and construction sequence of Zhongshan Xiaolan waterway super bridge, according to the Zhongshan Xiaolan waterway super bridge with width, cable stayed hanging basket construction characteristics, summarized the theory method of modeling and cable-stayed cable force calculation, accumulated experience for the design and monitoring numerical simulation of similar cable-stayed bridge.

cable-stayed bridge, cable stayed hanging basket, cable force calculation, calculation model

1009-6825(2017)08-0159-02

2017-01-04

陈 凯(1991- )，男，在读硕士

U448.27

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