斜拉桥施工阶段模拟分析

斜拉桥施工阶段模拟分析

刘圆圆

广州大学土木工程学院广东广州510006

摘要：本文利用MidasCivil软件对某斜拉桥的施工阶段进行分析，模拟了主桥在各施工段内的竖向位移的演化过程，评估了成桥后桥梁的服役性能，计算结果表明，基本组合工况下，桥梁各构件均能满足强度要求，但部分支座可能出现受拉脱空现象。

关键词：斜拉桥、施工阶段、施工演化

1.结构模型概况

某斜拉桥采用空间拱形钢塔双索面无背索形式，跨径106+40m。两跨连续刚构体系，塔梁固结，塔身和主梁均为钢构。桥梁上部结构由塔、梁和拉索组成，其中，主梁采用两跨连续箱型截面，标准段全宽47.7m。桥梁下部结构由墩台及桩基础组成。桥梁有限元模型如图1所示。模型的坐标系的原点置于桥塔根部截面连线在主梁的投影的中心，根据右手规则，规定沿跨径方向为x轴，桥梁横向为y轴，竖直向上为z轴。建模时，主塔及塔间支撑采用三维梁元进行模拟，斜拉索选用桁架单元，其余部件均采用板壳单元，各构件截面特性按照结构实际尺寸输入。模型共计31813个单元，其中4707个梁单元，16个桁架单元，27090个板壳单元。为便于提取墩顶反力，桥梁上、下部结构之间采用弹性连接，受压弹性连接用于模拟施工过程中的临时支承。主桥各构件均按实际重量加载，一期恒载主要包含主梁、桥塔、拉索、桩基质量及边跨压重;二期恒载包括桥面铺装、人行道、人行道栏杆等附属设置。

图1FEM模型图

为考虑桩与桩侧土共同抵抗横轴向作用下桩的内力和变形，故将实测土层视为等代弹簧进行计算。根据文克尔假定，利用力的平衡条件，求解桩各部位的内力和位移。桩在水平外力作用下，除了桩身宽度范围内受到桩侧土的挤压外，桩身宽度以外的一定范围内的土体也受到相当影响。为了将此空间受力问题简化为平面问题，考虑截面形状对桩侧土的抗力的影响，故将桩的设计宽度换算成一个与受力情况相当的矩形截面宽度即基础侧面土抗力计算宽度。本次设计1#轴设计宽度B1取1.98m，2#轴设计宽度B2取2.52m，3#轴设计宽度B3取1.98m。桩土耦合作用下土层的等代弹簧刚度可由下式得出：

2.施工阶段模拟

根据施工方案和给定流程，将施工过程简化模拟为6个子步骤，并采用时序分析法对结构进行分析，求解各时刻的效应和累计效应。主桥各施工阶段顺序如表1所示。经分析，桥梁主跨在拆除支架过程中竖向位移变化较大，达187mm，二期铺装后主梁的最大竖向位移达345mm。桥塔塔顶在顺桥向的变位较为严重，全部拉索张拉完毕后，塔顶位移达250mm，拆除边跨和主塔施工约束变位稍有减小，达240mm。当拆除主跨约束时，塔顶位移突增至378mm。二期荷载作用下，塔顶位移偏移显著增长，达477mm。经验算，全施工阶段，桥塔最大应力位于塔根过渡段截面的横隔板内，最大应力达133MPa，小于Q420D的强度极限，故满足构件承载能力要求。图2给出了二期铺装后桥梁的竖向变形。

图2二期铺装施工竖向位移图(mm)

3.结果讨论与汇总

为了评估成桥后桥梁的服役性能，本文对基本组合工况下桥梁基底反力进行分析。基本组合：1.2*恒载+1.4*汽车荷载+0.7*（1.4*人群+1.4*温度效应+1.1*风荷载）。桥梁所在道路按城市主干道设计，设计车速60km/h，双向八车道，汽车荷载采用A级；均匀温度变化范围：-20℃~+30℃；桥址处设计基本风速V10=36.7m/s。

表2基本组合包络支反力表（单位:kN）

表2结果表明，既定组合工况下支座1-1及1-6反力超过了支座承载力，支座3-1及支座3-6受拉脱空，边跨压重不足。

4.结果讨论与汇总

本文对某斜拉桥的施工阶段进行分析，模拟了施工阶段主桥的竖向位移的演化过程；提取了基本组合工况下桩底反力。研究结果表明，施工过程中，塔顶变位十分显著，桥梁最大应力位于塔根过渡段截面的横隔板内；基本组合工况下，1#轴支座承载力不足，3#轴支座可能发生受拉脱空现象。

参考文献：

[1].邱顺冬.桥梁工程软件midasCivil应用工程实例[M].人民交通出版社,2011.

[2].葛俊颖.桥梁工程软件midasCivil使用指南[M].人民交通出版社,2013.