肖玉德 ,唐国喜

(1.安徽交通职业技术学院　土木工程系　合肥　 230051；2.安徽省交通规划设计研究院有限公司，合肥　230025)



混凝土自锚式悬索桥主缆成桥线形施工控制研究

肖玉德1,唐国喜2

(1.安徽交通职业技术学院土木工程系合肥 230051；2.安徽省交通规划设计研究院有限公司，合肥230025)

摘要：自锚式悬索桥的主梁采用钢筋混凝土加劲梁结构，提高了桥梁整体的刚度，抗风抗振能力增强，施工对周围环境影响小，是城市景观桥梁的一个很好的方案。根据这种桥型的力学特性，推导了主缆成桥线形目标函数，并考虑柔性结构在荷载作用下的非线性位移、主缆自重作用下的垂度、温度等的影响用有限元空间分析模型计算成桥线形状态，结合固镇县浍河二桥工程实例分析了计算结果与施工监测值。目标函数计算简单，精度能满足工程施工需要,具有工程应用价值。

关键词：混凝土自锚式悬索桥；主缆线形目标函数；施工控制

0引言

现代大跨径悬索桥由于主梁采用扁平的钢箱梁，自重轻、刚度小、抗风、抗振能力相对较弱，而主梁采用钢筋混凝土结构，则大大提高了结构的刚度。它的造型优美，和城市周围环境能融为一体，往往作为城市景观的一个标志，因此，在城市中小跨径景观桥梁的应用中，是非常具有比选优势的一种桥型方案。自锚式悬索桥的塔顶设索鞍，用于支承悬索桥的主缆，悬索的两端锚固于主梁两端的横梁上。由于它不需要建造强大的锚锭，对地基的要求较低，施工时对周围环境的影响小，一般采用整体法现浇，索鞍的偏移量容易控制，但主缆的线形施工控制依然比较复杂，施工时应尽量准确收集施工荷载参数、结构尺寸参数，并考虑温度的影响对吊杆和主梁结构参数进行修正计算，使主缆架设符合设计线形要求。[1-2]

1结构形式

固镇县浍河二桥为安徽省首座钢筋混凝土自锚式悬索桥，桥梁受力简洁，造型美观，为固镇县城增添了一道亮丽的风景，该桥跨径为20 m +2×66 m +20m,锚固跨 20m，全长 172m，桥宽22.4m。如图1所示。

图1　浍河二桥主桥总体布置

主梁采用钢筋混凝土单箱四室截面箱梁，塔梁墩固结，桥塔采用造型优美的H型塔，塔柱采用矩形截面。全桥主缆共两根，主缆矢高f为3.475 2m，矢跨比f/l=1/17.27。每根主缆由37股91φ5.1mm高强镀锌平行钢丝束组成，钢丝弹性模量为2.0x105MPa，抗拉强度标准值为1670MPa,主桥箱梁现浇，施工时先搭设支柱支架，预压并预设预拱度，成桥状态的基准温度为200C。

主缆锚固系统采用热铸锚，索两端分别锚于梁端，主缆架设完毕后紧缆并进行表面防护。柔性吊索采用109-Ф7mm高强镀锌钢丝，其弹性模量为2.0×105MPa,抗拉强度标准植为1 670MPa。

由于这种悬索桥的独特的受力特性，施工控制研究目前在安徽省内尚属空白，因此有必要在理论研究的基础上，对该桥主缆线型施工关键施工技术进行研究。

2成桥线形施工控制理论

本文根据弹性理论进行分析，并与考虑非线性因素的数值解法和施工监测值对比分析。混凝土自锚式悬索桥的主缆与吊索和主梁刚度相比，可作为柔性索处理，图2是主缆结构受力图,图3是主缆单元的受力图，由于无水平外荷载作用，主缆任意点的拉力水平分量H可视为常数[3-4]。

图2　主缆结构受力图

对于微段dx，Σy=0

化简为

(1)

式(1)即为主缆的目标函数。

根据同济大学李国豪的悬索桥等代梁计算理论，把该主缆的目标函数与相同条件下作为简支梁挠曲方程进行对比，

(2)

(1)、(2)两式比较，根据弹性力学原理，建立关系式如下：

Hy(x)=M(x)

由此得：

(3)

图4为考虑独塔悬索桥结构边界条件特点：

图5为主缆单元力学模型，在其一端施加一个弯矩Hc，则：

这样主缆y(x)和主缆单元力学模型M(x)就具有了相似的边界条件，据此就可确定主缆线形状态目标函数，从而得出主缆线形坐标。

图5　主缆单元力学模型

2.1抛物线法确定目标函数

在混凝土自锚式悬索桥的成桥状态，荷载q(x)可近似看成沿桥跨方向均匀分布[5-6]，成桥线形状态目标函数为

(4)

该桥主缆施工需要精确地定位索夹的坐标，这样就需确定主缆的无应力长度。先对目标函数积分，计算主缆在恒载作用下的有应力长度，减去主缆的弹性伸长。即，

主缆有应力长度：

(5)

主缆的弹性伸长：

(6)

主缆的无应力长：

L=S-ΔS

(7)

2.2悬链线法确定目标函数

对于自锚式悬索桥主缆，假设q(x)为沿桥跨方向为均匀分布qy(x)[7]，如图6所示。

图6　悬链线法主缆结构受力分析图

成桥线形状态目标函数为：

(8)

式(8)就是成桥状态目标函数，式中：

由目标函数(8)可知，只有求出 H，才能得到主缆线形坐标。根据这种桥型的设计特点，利用位移条件先确定跨中坐标，即：

当

3成桥主缆线形计算与监测分析

根据上述理论和考虑柔性结构在荷载作用下的非线性位移、主缆自重作用下的垂度[10-11]、温度等的影响用有限元空间分析模型计算吊点坐标，结构数值分析模型如图7，主缆吊索的编号如图8。同时监测成桥状态的结构在恒载作用下，主梁达到设计线形要求时主缆的吊点坐标。结果如表1所示。

图7　浍河二桥主桥结构模型离散图

图8　浍河二桥主桥主缆吊索的编号

表1　成桥状态下主缆吊点坐标与施工监测坐标

根据表1的计算结果，三种计算结果与施工成桥实测值分析比较如表2。

表2　成桥状态下计算值与施工实测值对比分析

由表2可知，三种方法计算结果与实测值吻合较好，解析法给出的目标函数计算简单，与实测值最大误差只有0.57cm，满足该桥的施工精度。

4结语

本文以固镇浍河二桥工程为例，给出了主缆成桥线形的目标函数，分别用三种方法计算主缆成桥线形。对比分析了三种计算结果与施工现场监测值。结论如下。

(1)三种方法计算结果相差很小，用不同方法相互验证主缆线形状态，具有现实意义和实用价值。

(2)本文目标函数法计算公式力学概念清晰，计算方法简单易行，与施工监测值非常吻合，结果验证了该方法是正确可行的。

(3)在中小跨径悬索桥的施工控制中，用弹性理论确定的目标函数求解主缆线型可以满足工程要求。具有推广应用价值。

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[责任编辑：张永军]

Construction Control Research for Self-anchored Concrete Suspension Bridge Cable Curve Construction

XIAO Yu-de1,TANG Guo-xi2

(1.Department of Civil Engineering,Anhui Communications Vocational &Technical College,Hefei 230051,2.Anhui Transport Consulting & Design Institute Co. Ltd，Hefei 230025,China)

Abstract:The self-anchored suspension bridge main girder reinforced concrete stiffening girder structure,improve the overall stiffness of the bridge,wind vibration capacity enhancement,construction of small impact on the surrounding environment,is a good program cityscape of the bridge. Based on the mechanical characteristics of this type of bridge,derived main cable shape of the objective function,and consider the nonlinear flexible structure displacement under load,the influence of the main Curve under its own weight sag,temperature,etc. Using finite element space bridge linear analysis model to calculate the state,combined Guzhen Huihe bridge project examples analyzed the results and monitoring the value of the construction. The objective function calculation is simple,the accuracy can meet the construction needs,with engineering application value.

Key words:self-anchored suspension bridge;the main cable Curve of the objective function;fine construction control

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1673-162X(2016)01-0115-05

作者简介：肖玉德(1968—)男，安徽庐江人，安徽交通职业技术学院土木工程系副教授。

基金项目：2012年安徽省交通科技进步计划“混凝土自锚式悬索桥精细化施工关键技术研究”资助。

收稿日期：2015-09-28修回日期：2015-12-10