钢-混组合梁斜拉桥施工过程静力特性研究*

2020-06-05刘耕邢丙东赵庆伟王洪云关文学杨则英曲永业

公路与汽运 2020年2期

刘耕,邢丙东,赵庆伟,王洪云,关文学,杨则英,曲永业

(1.山东省交通工程监理咨询有限公司,山东济南 250101；2.山东大学,山东济南 250100)

斜拉桥的内力一直是桥梁设计中十分重要的问题,很大程度上反映斜拉桥结构的安全性和合理性。对斜拉桥进行仿真计算,分析施工中各部分的内力和变形,对保证施工过程中及成桥状态下各结构的安全非常重要。对于钢－混组合梁结构,尤其需注意各施工阶段中桥面板的应力状态,防止其发生破坏。该文以济齐黄河公路大桥为工程背景,利用MIDAS分析钢－混组合梁斜拉桥施工过程中的静力特性。

1 施工过程模拟

斜拉桥的施工顺序对索力控制有一定影响,采用MIDAS建模分析时需尽可能按照实际施工顺序进行。济齐黄河公路大桥模型的主要施工程序见表1。

表1 主桥施工步骤

续表1

2 施工阶段分析

斜拉桥的结构体系及荷载随施工的进行会发生变化,各部分在不同施工阶段的变形和受力都不相同,各有特点。主要针对主梁、索塔及斜拉索,分析钢－混组合梁在施工过程中的静力特性。

2.1 主梁的静力特性

分别对钢梁和桥面板的静力特性进行分析。

2.1.1 钢梁应力

离散出组合梁中钢梁部分,对其应力进行分析。各施工阶段钢梁的最大应力见表2,成桥状态下应力见图1。

表2 施工阶段钢梁最大应力 MPa

图1 成桥状态下钢梁应力(单位：Pa)

由表2、图1可知：1)施工阶段钢梁的最大拉应力为128.8 MPa,发生在15＃梁段,满足钢材的容许应力。同一位置在不同施工阶段的应力分布不同,主要是在悬臂施工过程中,吊机等临时荷载的装卸会对钢梁产生一定影响。2)成桥状态下钢梁应力分布与各施工阶段钢梁的应力分布有很大区别,不仅数值大小不同,而且施工过程中钢梁可能受拉,成桥状态下可能受压。主要是因为成桥状态下结构体系和施工过程有很大区别。

2.1.2 桥面板应力

砼的抗拉能力较弱,施工过程中需重点关注砼桥面板所受的拉应力。各施工阶段桥面板的最大应力见表3,成桥状态下应力见图2。

表3 桥面板各施工阶段的最大应力 MPa

图2 成桥状态下桥面板应力(单位：Pa)

由表3、图2可知：1)大部分施工阶段桥面板的最大拉应力满足抗拉强度设计要求,仅有小部分桥面板的最大拉应力超过设计值。推测是模拟计算中出现误差导致突变,和位移计算结果进行比对后证明结构安全。2)施工过程中,几乎所有桥面板都出现了拉应力。如果桥面板在施工过程中出现较多受拉开裂现象,将对桥梁整体结构产生一定影响。因此,需重点关注桥面板在施工过程中的应力控制。3)桥面板在施工阶段和成桥状态的应力分布有很大区别,成桥状态下桥面板全部受压,这与其受力特性有很大关系。成桥状态下桥面板的最大压应力为15.2 MPa,符合抗压强度设计要求,结构安全。

2.1.3 主梁的弯矩和变形

成桥状态下钢梁和桥面板的弯矩分别见图3、图4,主梁变形见图5。

图3 成桥状态下钢梁弯矩(单位：N·m)

图4 成桥状态下桥面板弯矩(单位：N·m)

图5 成桥状态下主梁线形(单位：m)

由图3可知：在共用墩、辅助墩和跨中部分,钢梁呈现正弯矩,其余大部分为正弯矩。这和成桥状态下主梁变形特点相吻合。成桥状态下钢梁最大正弯矩为20 278.1 kN·m,最大负弯矩为15 641.8 kN·m,符合斜拉桥设计对弯矩的要求。

由图4可知：在共用墩、辅助墩、桥塔部分,桥面板呈现较大的负弯矩和正弯矩,其余大部分弯矩分布较均匀。成桥状态下桥面板最大正弯矩为1 643.4 kN·m,最大负弯矩为3 610.3 kN·m,符合斜拉桥设计对弯矩的要求。

由图5可知：成桥状态下主梁变形与钢梁和桥面板弯矩的分布规律基本一致,主梁在跨中和辅助墩有较大变形,竖向最大位移为41.0 cm。

2.2 索塔的静力特性

索塔是斜拉桥受力的主要部分。对施工完成和成桥阶段索塔的轴力、弯矩、应力进行对比分析。

2.2.1 索塔轴力

施工完成和成桥阶段索塔的轴力分别见图6、图7。

图6 施工完成阶段索塔轴力(单位：N)

图7 成桥状态下索塔轴力(单位：N)

由图6、图7可知：1)施工完成阶段,索塔的最大轴力发生在塔底,为160 649 kN。主要是因为施工完成阶段索塔只受自重的影响,越靠近塔顶,轴力越小。2)成桥状态下索塔轴力比施工完成阶段的轴力大,尤其是在索塔的上塔柱。主要是因为索力的影响,拉索主要锚固在上塔柱,成桥状态下索力的分力会对索塔轴力产生一定影响。

2.2.2 索塔弯矩和变形

施工完成和成桥阶段索塔弯矩和变形见图8～11。

图8 施工完成阶段索塔弯矩(单位：N·m)

图9 成桥状态下索塔弯矩(单位：N·m)

图10 施工完成阶段索塔线形(单位：m)

图11 成桥状态下索塔线形(单位：m)

由图8～11可知：施工完成阶段索塔弯矩远小于成桥状态下弯矩。成桥状态下索塔最大弯矩发生在承台,为289 636 kN·m,弯矩的分布特点与索塔的变形对应。索塔弯矩主要集中在中下塔柱,这与实际索塔的形状符合。

2.2.3 索塔应力

施工完成和成桥阶段索塔应力分别见图12、图13。

图12 施工完成阶段索塔应力(单位：Pa)

图13 成桥状态下索塔应力(单位：Pa)

由图12、图13可知：施工完成阶段索塔最大应力为3.6 MPa,远小于成桥状态下最大应力11.3 MPa,但两阶段索塔应力分布基本一致。成桥状态下,中塔柱和下塔柱应力分布较均匀,主要是由于其采用变截面设计,从上到下截面面接越来越大。虽然上塔柱受到的索力分力从上到下越来越大,但由于上塔柱采用变截面设计,其应力分布也较均匀。索塔应力分布均匀,有利于运营时索塔的保持。