大跨径钢板组合梁协作体系斜拉桥线形控制研究.pdf

技术协作信息2023（8）总第 1489 期一、工程背景巢湖大桥是湖光路与巢湖的交叉工程，位于市区西部，是巢湖市“两环三横三纵”的关键性工程。工程范围为西坝路亚父路，桩号范围 K2+530K4+679.266，全长 2149.266m，其中桥梁长度 1122m、北岸接线长 309.5m、南岸接线长 717.766m。工程内容包括：跨越巢湖的主桥工程、人行梯坡道桥工程、与主桥相接的引道工程、地面辅道工程、以及整个工程范围内的排水、电器照明、交通监控、道路绿化、夜景照明和电力电缆隧道等。全桥跨径布置为：54m+216.5m+460m+216.5m65m+55m+55m 双塔组合梁协作体系斜拉桥。大桥采用双塔空间双索面组合梁协作体系斜拉桥方案，主梁采用钢混凝土组合钢板梁；主塔采用“人”字形桥塔，主塔基础采用哑铃形承台，钻孔灌注桩基础；斜拉索采用扭绞型平行钢丝斜拉索，冷铸锚。主塔基础采用围堰法施工，其余桥墩承台可采用放坡开挖法基坑的方式进行施工；桥塔采用爬模法施工；组合梁水中部分安装方法采用悬臂拼装法，岸上部分采用支架法施工。二、计算模型及参数第一，材料计算参数。一是混凝土：主梁桥面板（C60）；主塔（C50）；辅助墩、边墩（C40）；承台（C30）；桩基（C30 水下）。二是结构钢材：主梁钢结构大部分节段采用 Q345qD 钢材，塔根、辅助墩附近部分节段采用 Q420qD 钢材。三是拉索：采用 7.0mm 高强平行钢丝。第二，计算荷载。一是施工荷载：桥面吊机暂时按1000KN 计算。二是二期恒载：非索区：90.354kN/m；拉索区：94.074kN/m。三是基础变位：主塔墩基础沉降按照-5cm，边墩、辅助墩基础沉降按照-2cm。四是混凝土收缩徐变：依据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 计算确定。五是汽车荷载：城市 A 级六车道横向折减系数 055，纵向折减系数 0.96，折减后横向分布调整系数取 3.64。六是温度作用：体系温度：结构升温 40，结构降温 30；索塔梁温差：斜拉索与塔、梁温差 10；主梁日照温差：叠合梁按照 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）相关条文取值：钢箱梁主梁梯度温差：参考 BS5400 相关规定取值。七是风荷载：无车时距水面 10m 高度处基本风速取26.5m/s（100 年重现期）第三，计算模型及基本数据核对。采用桥梁博士建立全桥结构计算模型（见图 1），主梁采用组合截面单元，主截面为钢主梁，附加截面为混凝土桥面板，附加截面计自重和参与组合截面受力按两个施工阶段计算；主塔采用钢筋混凝土梁单元模拟。图 1 全桥计算模型示意图第四，施工阶段划分。边跨主梁及塔区 0#块采技术探讨与推广大跨径钢板组合梁协作体系斜拉桥线形控制研究沙仁智 徐溢滨中国铁建大桥工程局集团有限公司摘要：巢湖大桥为主跨 460 m 的全漂浮体双塔双索面钢混组合梁协作体系斜拉桥，主梁为双边主梁钢混组合梁断面。所采用的工字型主梁，抗扭性能弱，对主梁两侧标高误差水平控制要求高；边跨支架反力受主梁、压重、预应力及斜拉索张拉影响，负弯矩区桥面板以及钢主梁应力控制要求高；边跨的压重时机、主塔处主梁临时固结的释放时机对全桥结构安全和线形控制都会产生影响，需通过详细的分析制定合理的施工顺序；悬臂吊装中风载、温度、日照等对线形影响大。本文通过精细化施工过程仿真计算，对施工过程的关键力学问题进行分析，使得结构不仅能达到最终的合理成桥状态，也保证了桥梁在每个施工阶段均满足线型控制要求。关键词：剩余污泥；污泥焚烧；热干化；环境效益窑窑技术协作信息2023（8）总第 1489 期用支架施工，中跨 LZ1LZ24 采用悬臂拼装施工，全桥共划分为 222 个施工阶段。三、施工过程仿真计算分析第一，计算思路。在施工前期，首先根据设计文件和规范，按照容许应力法完成结构验算，比对设计目标状态，在充分理解设计意图、建立全桥空间有限元分析模型的前提下，对实际结构离散。在设计目标状态校核完成后，进行全桥施工工况模拟计算，并与设计进行对比，复核合理成桥目标状态；成桥状态各项控制参数满足设计要求后，方可进一步确定理想施工状态。第二，非线性因素影响。对于大跨径桥梁而言，结构的柔性增加，必须考虑索的垂度和梁柱效应的影响，几何非线性的影响在计算中也需要进行考虑。由于结构的应力状态一般在施工控制中处于较低的水平，因此不必考虑非线性的材料。早期拉索采用一个单元模拟，垂度影响采用修正弹性模量考虑，目前采用几何非线性的索单元或者多段桁架单元模拟，垂度影响通过几何非线性计算自动考虑。第三，成桥状态和施工过程控制目标的确定方法。从成桥状态确定施工安装索力及构件安装线形的算法从斜拉桥开始建设时就得到研究，如倒退分析、无应力状态法等。无应力状态法从成桥状态确定的每个施工步骤控制数据，在桥梁体系转换时仍然存在倒退法分析的问题，需要施加强迫力才能达到成桥状态。为避免上述问题，必须改变直接按照成桥结构确定理想状态的设计方法，将成桥状态与施工过程同时考虑，通过优化方法可以实现上述目标。实际上斜拉桥的受力特点是比较明确的，即主梁弯矩接近连续梁就接近最优。根据这一特点可以人工从概念上确定施工过程中的索力方案。只要施工过程中斜拉索竖向分力等于索距范围内节段重量，主梁就基本接近多跨连续梁，由此可以确定初张索力。索力确定后对结构进行正装模拟计算，计算所得的成桥状态如果与最优状态差别不大，即认为该索力方法可以接受，如果偏差加大，根据力学概念作适当调整即可，正装模拟的结果就作为最终成桥状态。根据以上介绍的算法可以得到桥梁施工全过程的仿真计算模型。进而可以得到每个施工阶段桥梁各部位的内力和变形，且成桥时就是所要的状态。至此，可以与静定结构桥梁一样，设置预拱度或者制造线型。将上述线型转换为桥梁实际坐标，就成为现场每个施工阶段的施工目标数据。对于本桥，通过正装迭代优化分析，使成桥时内力最优后，迭代的最后一套施工过程数据，即可得到各施工阶段的初张拉索力、定位标高、已施工的线形等数据。而主梁的制造线形由最后一个成桥状态主梁的无应力线形确定，斜拉索下料长度也是成桥状态时的无应力长度。第四，理想施工状态确定。由于这两种既不同又相互联系的计算过程都存在于桥梁的设计和施工中，而在实际工作中可能会采用不同的计算模型，因此要达到施工能与设计结果相一致，就必须先对设计计算与施工计算的闭合性进行校核。直至两者的计算结论基本一致。施工全过程模拟计算工况包括主塔施工、0#块施工、主梁对称悬拼（桥面吊机前移定位、梁段吊装后、斜拉索张拉）、边跨主梁支架施工、边跨合龙、中跨主梁继续悬拼、中跨合龙、桥面铺装等。四、精细化有限元分析（一）施工阶段结构应力及变形1.南岸及北岸 24#拉索二张完成。南岸及北岸24#拉索二张完成（见图 2），钢主梁最大压应力为285.9MPa，最大拉应力为 229.5MPa；附加截面最大压应力为 11.0MPa，全截面受压；边跨最大位移0.316m，中跨最大位移 0.265m。图 2 钢主梁正应力图2.成桥阶段。成桥阶段钢主梁最大应力为194.2MPa；桥面板最大应力为 12.7MPa；主梁中跨最大位移-0.257m。主塔最大压应力为 12.5MPa，最小压应力为 4.1Mpa。3.收缩徐变。收缩徐变完成后，钢主梁最大应力为 219.2MPa：桥面板最大应力为 11.2MPa：中跨最大位移-0.353m。主塔最大压应力为 11.2MPa，最小压应力为 5.5Mpa。（二）使用阶段应力及位移计算1.使用阶段钢主梁应力计算。使用阶段计算包括钢主梁、桥面板、主塔、斜拉索等计算。使用阶段钢主梁上缘最大应力为 186.1MPa，下缘最大应力为280.6MPa。满足规范要求。2.斜拉索索力计算。恒载状态下最长索计算成桥索力 4884kN，安全系数 3.95；标准组合索力 6494kN，安全系数 2.97.0 号索计算成桥索力 4012kN，安全系数 3.58；标准组合索力 4969kN，安全系数 2.89。3.计算结论。施工阶段及使用阶段主要计算结果表明：施工阶段，全桥钢主梁、桥面板、主塔的应力均技术探讨与推广窑窑技术协作信息2023（8）总第 1489 期技术探讨与推广满足规范要求；N1、S2、S3 墩顶区钢主梁应力偏高。持久状态正常使用极限状态下，桥面板最大压应力满足规范要求。使用阶段，钢主梁受力满足规范要求，N1、S2、S3 钢主梁应力偏高；使用阶段，斜拉索最小安全系数 2.53，斜拉索受力满足规范要求；使用阶段，主梁刚度满足规范要求。五、应对措施第一，桥塔施工。本桥塔高较大，混凝土数量多，施工难度大，主塔塔柱采用液压自爬模施工，塔柱施工期间受力明确，只要按照预定的施工流程和加载方式进行施工，在外形达到要求后，自动实现内力目标，因此控制的直接目标是塔柱的外形尺寸。塔柱施工将对塔柱立面垂直度、塔柱高程、斜塔肢横向倾斜角度和索塔应力进行控制。第二，主梁施工。预拼装线形对主梁工厂预制阶段后期监控影响最大，在加工完成后，主梁梁段需要将多个梁段按预拼装线形拼合在胎架上，并重新复核或调整相邻梁段的接缝宽度，一旦完成此项工作，就确定了新老两个梁段之间转角关系。1.无应力制造线形的确定。对于钢主梁，通过计算分析得到钢梁无应力制造线形、节段下料长度、施工阶段主梁安装高程。根据设计线形、成桥预拱度，并结合考虑切线拼装计算的施工预拱度，得到主梁制造线形数据，并根据节段压缩变形，提供各节段的长度修正值。对于主梁制造线形的实现，可通过顶、底板长度不一致和调整主梁上下缘焊缝宽度两种方式实现。2.主梁标高竖曲线控制。一是钢梁制造线形。主梁的制作预拱度，各节点的总位移曲线的反向曲线即为制作预拱度曲线，该线形加上设计线形即是制造线形。制造线形=设计线形+设计预拱度+施工总位移二是钢梁安装线形。悬臂拼装结构线形控制主要在于定位标高确定，在本桥的悬臂拼装施工过程中，主梁的线形是否平顺、是否符合设计关键在于梁段定位标高的合理确定。结合实际情况正确地确定定位标高，则最终成桥线形一般是较为良好的；相反，如果控制不力，考虑的因素与实际情况不符合，则最终成桥线形会与设计线形有较大的偏差。三是斜拉索张拉阶段的主梁线形控制。斜拉索张拉阶段需要考虑温度效应的影响并通过对几何测点坐标进行全局测量并调整斜拉索的无应力索长量来控制主梁节段的标高值。四是合龙阶段控制。本桥采用对称悬拼，边跨过渡墩与辅助墩间采用支架施工，先合龙边跨后继续悬拼中跨剩余节段，最后进行中跨合龙。边跨可采用切配或顶推合龙，中跨可采用合龙长度切配合龙。第三，斜拉索施工控制。一是无应力索长的确定。斜拉索作为一种常见的柔性结构，呈现为自重作用下的悬链曲线。与悬索桥不同，目前在斜拉桥中，普遍采用以抛物线理论为基础的公式求解。本桥斜拉索最大索长 255 余米，拉索受垂度非线性影响，在斜拉索下料时需充分考虑。本桥监控中采用多段杆单元法进行模拟斜拉索，可以较为准确地模拟斜拉索的垂度效应。节点间距+垂度修正-安装伸长量+工作长度+温度修正=斜拉索的制作长度可见，无应力索长需要考虑主梁成桥预拱度、锚点间距离、垂度效应、弹性伸长量、张拉工作长度等因素综合确定。二是索力的控制方法。由于施工过程中的临时荷载容易对索力造成影响，因此，施工过程中索力控制转化为引伸量的控制，索力值和主梁的标高作为参考。张拉时，通过测量标记相对套筒出口的相对移动距离即可得到斜拉索伸长量，换算后即可得到张拉力。同时，本桥可通过千斤顶油压数据、振动频率法与引伸量数据的三方比对，实现对索力的精确控制。当出现误差，索力需要调整时，索力调整量通过最优控制法计算确定。调整量的张拉通过斜拉索的引伸量来控制。结论根据设计图纸和施工过程进行前期计算分析，按照考虑施工过程的优化迭代，得到成桥目标状态、主梁无应力线形及斜拉索无应力索长，并由此得到各施工控制目标值。在现场安装阶段，将主梁无应力线形、无应力索长的控制转换成夹角、引伸量控制，并进行结构状态监测和施工测量，监控单位根据误差进行数据分析和参数识别，并进行结构计算模型调整，指导后续阶段施工，直至全桥合龙、成桥。参考文献：1常付平，汤虎，邵长宇.巢湖大桥主桥设计J.桥梁建设.2020,50(06)：91-96.2邵长宇,陈亮,汤虎.大跨径组合梁斜拉桥试设计及力学性能研究J.桥梁建设.2017,47(04)：101-106.3徐溢滨.BIM 技术在巢湖大桥电力电缆隧道施工过程中的应用J.智能建筑与智慧城市.2020(12):79-80.4徐溢滨.基于 BIM 的高难度斜拉桥施工控制技术J智能城市.2020,6(12):182-183.5陈龙，汤虎.主跨 460m 协作体系斜拉桥抗震性能研究J.世界桥梁.2021,49(04):55-61.窑窑