超大跨度斜拉桥施工过程力学行为

超大跨度斜拉桥施工过程力学行为梁 鹏1,肖汝诚2,徐 岳1(1.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室,陕西西安710064;2.同济大学桥梁工程系,上海200092)

摘 要:斜拉桥结构效应在施工过程中具有典型的时空变化特性,但目前对效应的时程特性及时空包络关注较少。建立精细的几何非线性分析模型,分析主跨1088m的苏通大桥施工过程力学行为,包括施工阶段效应增量、效应时程、效应包络及恒载效应。研究结果有助于结构设计和施工控制。关键词:斜拉桥;超大跨度;施工过程;效应时程;效应时空包络;几何非线性中图分类号:U448.27;TU311文献标识码:A文章编号:1671-7767(2005)04-0044-04

收稿日期:2005-03-25基金项目:国家自然科学基金重大项目(59895410)作者简介:梁 鹏(1977-),男,讲师,1998年毕业于西安公路交通大学桥梁工程系,工学学士,2001年毕业于长安大学桥梁工程系,工学硕士,2004年毕业于同济大学桥梁工程系,工学博士。

由于几何形态、边界条件、材料特性、荷载作用在悬臂施工过程中不断变化,大跨度斜拉桥结构效应在施工过程中具有典型的时空变化特性。多数研究者主要关注效应的空间特性,而对效应的时程特性及时空包络关注较少。本文以主跨为1088m的苏州)南通长江公路大桥(以下简称苏通大桥)为研究对象,建立精细的几何非线性分析模型,分析其施工过程的力学行为,包括施工阶段效应增量、效应时程、效应包络及恒载效应。1 斜拉桥分析理论1.1 斜拉桥几何非线性分析FlemingJF于1979年发表的文献[1]是斜拉桥几何非线性分析研究的经典之作,即用等效模量法考虑斜拉索垂度效应、稳定函数考虑梁单元的轴力弯矩相互作用、拖动坐标法考虑大位移的影响以及采用增量-迭代方法求解非线性方程。此后20多年内,虽然斜拉桥的跨度从当初的404m猛增到现在的1088m,但几乎所有研究者采用的理论和方法仍没有超出文献[1]。当斜拉桥进入超大跨度范围后,几何非线性问题更加突出。本文从以下2方面加以改进。1.1.1 非线性求解列式方面目前大多数研究者采用TL或UL列式,具有增量步内必须是小转动和误差积累的缺点。对梁单元,本文通过以下3点,可以取消增量步内为小转动的限制和避免误差累积[2]:¹在CR坐标系下精确扣除单元刚体运动;º基于整体平衡条件而不是增量平衡条件计算单元抗力;»在每个迭代步都根据当前构形重新计算全部单元荷载的等效节点力。该算法计算单元抗力和等效节点力都基于整体平衡,没有小转动限制,没有误差累积的缺点,且求解精度与荷载步个数无关,大大提高了计算精度和效率。1.1.2 斜拉索模拟方面几乎所有的研究者都采用等效模量法[3]考虑斜拉索垂度效应,这对于常规跨度的斜拉桥有足够的精度。苏通大桥中跨外索的水平投影长度达536m,重约60t,对这种超大跨度的斜拉索,需要更加精确的理论来计算它的响应。斜拉索的非线性特性成为影响超大跨度斜拉桥计算精度的制约因素。作者在文献[4]中基于柔索单元的悬链线解将斜拉桥单索问题分为2类,并给出相应求解方法,可以精确统一地求解几乎所有的斜拉桥单索静力问题,可以方便地将悬链线索单元引入斜拉桥施工过程分析,是对以往方法的一大改进。1.2 斜拉桥施工过程分析在传统的结构分析中,研究对象的几何形态、边界条件、材料特性、荷载作用4大要素中,前3个被认为是恒定的,不随时间与空间变化。而大跨度斜拉桥悬臂施工过程中,这4大要素都随时间不断变化,使得结构效应(位移、内力、应力、反力等)在施工过程中具有时空演变特征[5]。设计应考虑结构施工过程中效应的时空变化及时空包络。对某一个施工阶段(工况)计算,基于TL或UL列式增量法的计算过程与基于CR列式全量法的计算过程有所不同。基于增量法的计算过程为:¹形成i阶段计算模型;º以(i-1)阶段的构形、内力为基础,计算在阶段荷载增量$Fi作用下,i阶段的效

44世界桥梁 2005年第4期应增量$Ri;»i阶段效应增量$Ri与(i-1)阶段效应全量Ri-1累加,得i阶段的效应全量Ri,即Ri=

Ri-1+$Ri。基于CR列式全量法的计算过程为:¹形成i阶段计算模型;º以(i-1)阶段的构形、内力为基础,计算在i阶段荷载增量$Fi及以前所有荷载Ri-1作用下,i阶段的效应全量Ri;»i阶段效应全量Ri减去(i-1)阶段效应全量Ri-1,得到i阶段的效应增量$Ri-1,即$Ri-1=Ri-Ri-1。基于CR列式全量法计算i阶段荷载效应时,i阶段及以前各阶段的外荷载都参与了i阶段平衡迭代。施工过程中存在单元安装与拆除、外部约束(支承)和内部约束(主从约束)的安装与拆除、斜拉索的张拉、多次张拉与拆除等工况。当采用CR列式全量法计算时,只需记录各单元安装时的几何、内力状态,即可根据当前/预测0阶段得到的几何状态求出单元内力,从而得到不平衡力,将结构带回平衡位置。

2 苏通大桥施工过程分析施工中的苏通大桥是双塔双索面钢箱梁斜拉桥,以其1088m的跨度将成为世界最大跨度的斜拉桥。主梁采用悬臂吊装施工,一个标准梁段的施工包括梁段吊装、斜拉索第1次张拉、吊机前移、斜拉索第2次张拉共4个工况。根据前述斜拉桥分析理论,本文编制了全新的桥梁非线性分析软件。对苏通大桥建立精细的几何非线性分析模型。主梁、主塔采用梁单元模拟,每根斜拉索采用1个悬链线索单元模拟。2.1 施工阶段效应增量悬臂拼装阶段结构局部受力特征明显,梁段吊装、拉索张拉等工况对主梁挠度、弯矩以及索力的影响集中在悬臂端前部,对其它部分影响较小。图1表示悬臂施工阶段梁段吊装、第1次张拉、吊机前移、第2次张拉共4个工况引起的中跨主梁悬臂端竖向位移增量。从图中可以看出:¹随着悬拼长度的增加,单个工况引起的梁端竖向位移增量大幅增加,最后一个梁段吊装时,主梁悬臂端下挠达到1.4m;º1个索段施工的4个工况中,梁段吊装对梁端竖向位移增量影响最大,其次是斜拉索第1次张拉,斜拉索第2次张拉次之,吊机前移影响最小。2.2 施工阶段效应时程设计者需要了解某效应随时间(施工阶段)的变化情况,这对于加强结构监控、临时拉索或预应力的张拉与拆除、鞍座的顶推等具有重要意义。本文开

图1 施工阶段中跨主梁悬臂端竖向位移发的桥梁非线性分析软件基于数据库管理系统,可以很方便地以各种方式查询数据。图2表示中跨19号索段主梁端点标高的施工阶段时程曲线。从图中可以看出,梁段吊装、吊机前移使梁端下降,斜拉索第1次张拉、第2次张拉使梁端上升。所以,随着悬臂施工的进行,梁段标高呈现振荡情形,但总体趋势是随施工逐渐上升。二期恒载完成后,主梁下降到设计标高。主梁标高的影响范围较大,随后6~8个索段的施工对它有较大影响。从一方面理解,这对施工控制是有利的,因为它提供了许多参数识别、状态估计的机会。

图2 中跨19号索段主梁端点标高的施工阶段时程曲线图3表示19号斜拉索力的施工阶段时程曲线。从图中可以看出,在悬臂施工过程中,中跨19号斜拉索经过2次张拉后,在吊装下一个梁段时索力达到最大值,此后索力呈振荡下降趋势。而边跨19号斜拉索经过2次张拉后,索力变化范围很小,这是因为此时边跨已合龙,边跨刚度较大,边跨斜拉索受力较为均匀的缘故。与主梁端点标高相比,斜拉索力

45超大跨度斜拉桥施工过程力学行为 梁 鹏,肖汝诚,徐 岳的影响范围要小,即使对中跨斜拉索,也只有临近的2~4个索段的施工对它有较大影响。所以,在施工监控中,为减少工作量,常规检测中可以只测量当前施工索段临近的2~4根斜拉索的索力。

图3 19号斜拉索力的施工阶段时程曲线图4是塔顶水平坐标的施工阶段时程曲线。从图中可以看出,在12号索段即边跨临时支承安装前,基本是对称施工,塔顶水平坐标变化很小。随后塔顶水平坐标呈现振荡情形,但总体趋势是随施工进行向岸侧偏移。一般来讲,梁段吊装、吊机前移使得塔顶向江侧偏移,斜拉索第1次张拉、第2次张拉使得塔顶向岸侧偏移。在所有工况中,二期恒载对塔顶水平位移影响最大,达到0.4014m。二期恒载完成后,塔顶达到设计位置。

图4 塔顶水平坐标的施工阶段时程曲线图5是塔底正应力的施工阶段时程曲线。从图中可以看出,塔底形心位置的正应力随悬臂施工逐步增加,但塔底岸侧与江侧的应力发展却相差较大。塔底岸侧应力振荡上升,而塔底江侧应力在12号索段后则振荡有所下降,这是由于悬拼施工中主塔向岸侧弯曲的原因。二期恒载使主塔向江侧弯曲,塔底岸侧、江侧与形心处的应力达到基本相等,主塔基本中心受压。2.3 恒载效应及施工阶段效应包络2.3.1 位移随着施工的进行,结构构形不断发生变化。主梁偏离设计标高最高1.8222m,最低-0.4857m;主塔塔顶偏离范围在[-0.4014,0.0864]m。2.3.2 内力

图5 塔底正应力的施工阶段时程曲线图6表示恒载内力(粗线)及施工阶段内力包络(细线)。从图中可以看出:¹主梁在施工阶段出现较大的负弯矩,这是由吊装下一梁段工况引起的;º施工阶段索力极值大于成桥阶段的索力,一般在吊装n梁段时,(n-1)号斜拉索出现索力最大值;»主塔弯矩在施工阶段发生剧烈变化,施工阶段主塔弯矩极值远远大于成桥阶段的弯矩,但它引起的应力较小。

图6 恒载弯矩及施工阶段弯矩包络图2.3.3 正应力(1)施工过程主梁压应力极值与恒载应力非常接近,但主梁上缘在施工阶段出现拉应力,这是由吊装下一梁段工况引起的。对钢主梁斜拉桥,它并不控制设计。(2)施工阶段主塔岸侧应力极值稍大于恒载应力。

3 结 论建立精细的几何非线性分析模型,分析主跨1088m的苏通大桥施工过程力学行为,得出以下结论:¹随着悬拼长度的增加,单个工况引起的梁端竖向位移增量大幅增加,最后一个梁段吊装时,主梁悬臂端下挠达到1.4m;º与主梁悬臂端标高相比,斜

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