超宽异形独塔斜拉桥施工结构分析

■吴 帅

(新疆交通规划勘察设计研究院， 乌鲁木齐 830000)

桥梁结构是现代交通系统的重要组成部分，其中斜拉桥具有跨度大、自重轻、造价经济、外形美观等优点，在实际工程中得到了广泛应用[1-4]。近年来，斜拉桥整体跨径越来越大， 城市大宽幅景观桥的使用上也越来越多。 因此，施工结构分析是保障桥梁安全施工的重要措施。 桥梁的施工结构分析的内容包含了施工过程中涉及的温度、预应力、收缩徐变等影响因素和桥梁的大跨和挂篮施工的结构特点[5-6]。结构分析过程中通过理论计算和现场实测的数据对比来更好地保证桥梁的施工顺利。 本文以湖北省孝感市老澴河景观桥梁工程天仙南路桥为背景，采用MIDAS/CIVIL 建立全桥数值计算模型，对其进行结构分析。

1 工程概况

本文以孝感市天仙南路桥为工程背景，其桥型为跨径(25+35+45+35)m 的超宽独塔斜拉桥。斜拉索布置在桥梁中心线处，上部结构主梁采用变截面混凝土箱梁，采用C50 混凝土，采用水中插打钢管桩，上铺贝雷梁法一次整体现浇。主梁横向布置为：3.5 m(人行道)+4 m(拉索区)+8.5 m(机动车道)+8.5 m(机动车道)+4 m(拉索区)+ 3.5 m(人行道)。

桥梁主塔采用变截面异形主塔， 截面为矩形，塔高54.5 m，主塔下端接承台，主塔上部两分肢间采用系梁连接。 主塔采用C40 混凝土，主塔承台采用C30 混凝土[7]。

全桥共设置36 根拉索， 拉索关于主梁中心线对称布置。 为方便分析，将顺桥向左侧拉索编号为：ZA1～ZA9，ZB1～ZB9， 右侧拉索编号为YA1～YA9，YB1～YB9，桥梁总体布置图如图1 所示。

图1 桥梁总体布置图

2 有限元分析

主梁采用的是超宽幅混凝土箱梁，由于宽幅较大，故采用梁格法建模。 索塔采用实体单元模拟，主塔是异形塔。 拉索为受拉压构件，由于在施工过程中要给斜拉索施加预拉力，本桥中斜拉索可以采用桁架单元模拟，建模过程中，与索塔单元以节点相连接， 与主梁实际接触部分采用刚性连接进行连接，并且对主梁和斜拉索实际接触的地方按设计资料里面的要求进行加强，防止在有限元计算时局部应力过大[8-10]。

边界条件的模拟方式为： 在箱梁两端的支座位置将顺桥向(x 方向)，横向(y 方向)，竖向(z 方向)的位移进行约束。 在对桥梁各个构件进行建模之后，最后将各构件进行约束连接，形成全桥的有限元模型[11](图2)。

图2 全桥有限元计算模型

3 各施工阶段受力分析

3.1 主梁结构分析

工况1：在自重作用下混凝土箱梁位移云图，梁单元应力云图分别如图3～4 所示， 其最大位移为-15.65 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉应力为4.70 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大压应力为6.95 MPa，位于第二、第三支座处。

图3 混凝土箱位移云图

工况2： 在二期恒载作用下混凝土箱梁位移云图，梁单元应力云图分别如图5～6 所示，其最大位移为-1.27 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉应力为0.37 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大压应力为0.55 MPa，位于第二、第三支座处。

图4 混凝土箱梁应力云图

图5 主梁位移云图

图6 主梁应力云图

工况3： 在活载作用下混凝土箱梁位移云图，梁单元应力云图分别如图7～8 所示， 其最大位移为-2.12 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉应力为1.8 MPa， 位于第一、 第三支座处， 最大压应力为14.86 MPa，位于第三支座处。

工况4：混凝土收缩徐变后，混凝土箱梁位移云图，梁单元应力云图分别如图9～10 所示，其最大位移为-5.68 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉应力为2.72 MPa，位于第一、第三支座处，最大压应力为10.4 MPa，位于第三支座处。

图7 混凝土箱梁位移云图

图8 混凝土箱梁应力云图

图9 混凝土箱梁位移云图

图10 混凝土箱梁应力云图

工况5：在成桥+活载工况下，混凝土箱梁位移云图，梁单元应力云图分别如图11～12 所示，其最大位移-20.56 mm，位于主梁第四跨跨中，最大拉应力为1.81 MPa，位于第一、第三支座处，最大压应力为14.86 MPa，位于第三支座处。

图11 混凝土箱梁位移云图

图12 混凝土箱梁应力云图

由以上5 种工况所计算出的位移及应力结果可知， 主梁成桥最大位移为最终拉应力1.81 MPa，略小于主梁采用的C50 混凝土的轴心抗拉强度设计值ftd=1.83 MPa。最大压应力14.86 MPa，小于C50混凝土轴心抗压强度设计值ftcd=22.4 MPa。因此主梁应力满足安全要求。

3.2 斜拉索内力变化分析

斜拉索在不同工况下的内力大小如表1 所示。

表1 在不同工况下斜拉索内力(单位：N)

续表(单位：N)

由表1 可以看出，左右两侧相对应的斜拉索内力相差不大，且在恒载和成桥状态下的拉索内力较小，平均为24 N 和40 N，说明这2 种工况下拉索几乎不受力的作用。 总体荷载加上活载后，拉索内力明显变大，平均为5553 N。在MIDAS 软件有限元模拟计算下，斜拉索最大内力为8.05 kN，设计斜吊杆成桥内力最大为10 kN，与设计值相差19.5%，计算结果误差不大。 最大内力出现在YB8 拉索上，相对ZB8 的内力也较大，为了使桥梁在正常工作状态下所有斜吊杆所受拉力基本接近，降低斜吊杆最大拉力值的峰值，保证在桥梁正常工作时各斜吊杆都在安全范围内， 应该合理地调整YB8、ZB8 斜拉索的初拉力。

4 结论

本文以湖北省孝感市老澴河天仙南路桥为工程背景， 以结构有限元仿真计算为基础， 采用MIDAS/CIVIL 结构有限元分析软件建立桥梁结构的整体计算模型，对该桥梁在各个施工阶段的受力状态进行了研究和分析，具体结论如下：

(1)针对超宽幅的桥梁结构，由于在桥梁宽度方向位移和应力状态都不一样，所以在建立有限元分析模型时， 混凝土箱梁使用梁格法进行模拟分析，斜拉索则采用只受拉压力的桁架单元或者索单元进行模拟。

(2) 对于具有斜拉索的桥梁在施工过程中一般要对桥梁的斜拉索施加初拉力，斜拉索施加初拉力的同时，桥梁整体结构就会出现内力重分布，所以在施工阶段要进行实时的监控和分析，避免在施工过程中结构内力与理论值相差较大，影响桥梁的正常使用。

(3) 在结构有限元模型建立之后要联系实际施工中出现的误差对各参数进行修正，避免在指导施工时出现较大误差，影响施工的正常进行。

(4) 在测试桥梁斜拉索内力时要注意对斜拉索的边界条件及斜拉索的长度进行综合考虑，对于短拉索采用频率法计算得知的斜拉索内力误差是比较大的，所以在计算后要对其加以修正。

(5) 针对结构有限元软件迈达斯在不同施工阶段计算的结构具体内力和位移进行分析，并计算得到结构施工各关键阶段位移与应力均能满足要求。