带箱内斜撑矮塔斜拉桥施工过程受力性能分析
桥梁建设2013年第43卷第2期(总第219期)
BridgeConstruction,V01.43,No.2,2013(TotallyNo.219)
51
文章编号:1003—4722(2013)02—0051--07
带箱内斜撑矮塔斜拉桥施工过程受力性能分析
江
灞1,姜爱国2
(1.中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司,湖北武汉430074;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉430056)
摘
要:为研究主梁为横向弯曲+竖向弯曲模式的矮塔斜拉桥在施工过程中的受力性能,以
孟加拉新沙哈・阿曼纳特大桥主桥为背景,利用有限元软件对该桥施工过程进行模拟计算。分别
计算了施工预拱度、施工过程主体结构的整体受力性能、挂篮荷栽作用下主梁结构的局部受力性能及主梁双悬臂状态下的箱梁结构屈曲稳定性,并结合国内规范和美国AASHTO规范各自不同要求进行安全性分析。分析结果表明,桥梁各构件施工过程整体应力水平和最大双悬臂状态下的主体结构屈曲稳定性满足规范要求,各项受力性能指标基本满足结构安全性要求,部分区域局部应力偏大,应采取特殊施工工艺措施解决。
关键词:矮塔斜拉桥;有限元法;预拱度;受力性能;局部应力;失稳系数;结构分析中图分类号:U448.27
文献标志码:A
Analysisof
Mechanical
Behaviorof
an
Extradosed
BridgewithDiagonalBracingsArrangedinIts
BoxGirderinConstructionProcess
JIANG
Wuhan
Yong1,JIANGAi-guo
2
(1.WuhanBridgeSpecialTechnologyCo.,Ltd.,ChinaRailwayMajorBridge
EngineeringGroup,
430074,China;2.CCCCSecondHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)
Abstract:Tostudythemechanicalhaving
transverse
behavioroftheextradosedbridgewithitsmain
girder
bending+verticalbendingmodeintheconstructionprocess,themainbridgeof
as
thenewShahAmanatBridgeinBangladeshwascitedwasused
to
exampleandthefiniteelementsoftware
simulateandcalculatetheconstructionprocessofthebridge.Theconstructionpre—
structure
cambering,theglobalmechanicalbehaviorofthemainintheconstructionprocess,the
localmechanicalbehaviorofthemaingirderundertheactionofformtravelerloadandthebuck—lingstabilityoftheboxgirderofthemaingirderinlYcalculatedandwithreferenceAASHTO,thesafetyoftheindicatethattheglobal
to
a
state
oftwo——sidecantileverswererespective。-
thedifferentrequirementsinthedomesticcodesandinthe
wasanalyzed.Theresultsofthecalculationandanalysis
components
a
structure
stress
levelofvarious
ofthebridgein
theconstruction
processandthebucklingstabilityofthemainstructurein
vers
can
state
ofthelongesttwo——sidecantile——
satisfytherelevantrequirementsinthecodesandthedifferentmechanicalbehaviorindi—
cater
cescan
basically
areas
forthesafetyrequirementsofthestructure,however,thelocal
stressin
partofthe
ofthebridgeisslightlygreat,forwhichthespecialconstructiontechnology
measuresshouldbetaken.
Keywords:extradosedbridge;finiteelementmethod;precambering;mechanicalbehavior;localstress;instabilitycoefficient;structuralanalysis
收稿日期:2013—02—06
作者简介:江涌,高级工程师,E—mail:jiangmbec@126.com。研究方向:桥梁施工、旧桥改造、维修与加固等。
52
桥梁建设BridgeConstruction
1前言
度随截面梁高由65cm渐变至25cm,斜腹板水平方向厚度均为40cm。由于主梁横向宽度大、壁板厚度薄,为满足其空间受力行为要求,技术构造上采用箱内斜撑组合,每2个节段一组斜撑。圆端形混凝土桥塔高25.75m,每根塔柱上设6对91乒15.24mm预应力钢绞线斜拉索,斜拉索穿过塔顶鞍座,对称锚固于梁体上。主桥总体结构布置见图1[2’3。,桥梁横截面见图2。
根据桥型布置和卡纳夫里河的地质、水文情况,该桥北岸P7~P9墩施工采用“单线栈桥+施工平台”方案,南岸PIO墩的施工平台与河岸相连。所有墩利用平台法施工钻孔桩和墩身、0号节段等,承台采用吊箱围堰施工,箱梁其他节段利用挂篮对称悬臂浇筑施工,合龙段为合龙吊架施工,箱梁边跨现浇段为支架现浇施工。合龙顺序为先边跨合龙,后次边跨合龙,最后中跨合龙。在箱梁2号节段施工完后,桥塔采用定型钢模分次浇筑施工。为便于箱梁现浇挂篮的安装,斜拉索施工滞后箱梁1个节段。斜拉索采用等张力法张拉¨j。3有限元模型
采用桥梁专用软件建立全桥空间杆系有限元模型,见图3。模型中主梁和桥塔采用梁单元模拟,斜拉索采用施工过程中修正弹性模量的杆单元模拟,
为了最大限度减轻结构重量、节省工程材料,提高桥梁结构的工程经济性,设计师设想把混凝土箱梁做成单箱单室的大截面,箱内辅助斜撑结构解决各面板的局部稳定问题,最早的带箱内斜撑的单箱单室结构为1977年建成的法国伯劳东纳混凝土斜拉桥。1994年,13本建成的小田原港桥为世界上第一座矮塔斜拉桥口],之后,设计师们结合以上两座桥梁的结构特点,于2002年建成了带箱内斜撑的单箱
单室矮塔斜拉桥——埃及阿斯旺桥,孟加拉新沙
哈・阿曼纳特大桥主桥在以上基础上发展成大跨度多跨矮塔斜拉结构。
对于这种构造复杂、体系转换次数多的新型单箱单室薄壁结构,主梁施工预拱度及主梁、桥塔预偏量的设置和结构内力与桥梁的施工方法关系密切,而且随着桥梁结构体系转换和桥梁状态不断变化,施工过程的结构安全性控制尤为重要,特别是最大双悬臂状态下的稳定性控制。本文以孟加拉新沙哈・阿曼纳特大桥主桥为工程背景,对该桥进行施工过程模拟计算,分析施工过程中的桥梁力学性能[2],了解每个施工阶段结构的受力特性和稳定性,对桥梁施工顺利进行和结构的安全性控制具有重要
的意义。
2工程概况
新沙哈・阿曼纳特大桥(New
ShahAmanat
根据该桥实际支座布置情况建立主梁纵向节点处的刚性约束,考虑支点不均匀沉降。全桥共有梁单元408个、索单元48个。
该桥采用以下计算假定[5]:①该桥主梁横向弯曲半径为3
200
Bridge)是孟加拉国第一座公路斜拉桥。主桥为115
m+3×200m+115m预应力混凝土单箱单室矮塔
斜拉桥,采用塔梁固结、塔墩分离的结构体系。为了衔接原老桥的两岸引线,主桥线形设计为横向弯曲+竖向弯曲模式。桥面全宽24.47m,双向6车道,桥面为2.5%双向横坡。主桥箱梁梁高在0号梁段为6.75m,在8号梁段以后梁段均为4.0m,1~7号梁段梁高按线性变化,顶板厚度为25cm,底板厚
m,空间杆系模型考虑主梁纵向弯
曲和横向弯曲;②主桥箱梁按照预应力A类构件、桥塔按普通钢筋混凝土构件进行验算;③纵向计算不考虑横隔板、桥面系等附属结构参与主体结构受力;④预应力钢束建模考虑三维空间效应,考虑了预应力孑L道灌浆前后净截面、换算截面的差别,以及
科克斯巴扎尔
图1桥梁总体布置
Fig.1
OverallArrangementofBridge
带箱内斜撑矮塔斜拉桥施工过程受力性能分析江涝,姜爱国
53
l
霉
、钢绞线(91币15.24斜拉索
kN/m取值。相邻支点不均匀沉降取75mm。斜拉索初张力取11
600
kN。各类隔板、箱内斜撑、锚固
块等按照图纸实际重量计人附加集中恒载。施工阶
、桥塔
尸
【.5
一“
2
f
段风荷载取90km/h。
、
挂篮重按1
1.
000
kN集中力考虑,作用于悬臂梁
7
7.3
端0.5m处。施工临时荷载按0.5kN/m2均布荷
1..6p.
。1.6#7.3}.36
载考虑,作用在已施工梁段上[6]。
从施工墩顶1号节段开始到施工二期恒载结束,将该桥施工过程划分为162个施工阶段[6]。考虑混凝土收缩徐变的时间效应,基础和主桥施工各计划用时500d,全桥完工历时约1
000
50
混横
』’塑。lW~坚’二怂二W芥菰誊i墙开口通道崔l:I鲁誊丫
1
,
、
一
d,混凝土收
缩徐变、温度作用按照AASHTO[7]相关条文考虑,混凝土收缩徐变的延续期按10
000
//\\4根币2.25口
(a)墩顶截面
1.
d计人。预应
力钢束及斜拉索张拉步骤为:①挂篮对称浇筑(带斜撑)节块S。,待达到一定强度张拉纵向预应力T。;②前移对称浇筑下一(不带斜撑)节块S。+,,待达到
!兰:兰!
一
!:曼l;!}!:!.在驾.!:!!}:军芦
一定强度张拉纵向预应力T。+,;③前移对称浇筑下一(带斜撑)节块S。+。;张拉节块S。顶板横向预应力、箱内斜撑预应力以及张拉节块S。+。顶板横向预应力;④张拉纵向预应力T。+:,张拉节块S。+:顶板横向预应力,对称张拉节块S。处斜拉索(咒为主梁悬
L一Ⅲ一J
2.5%2.5%
:隔歹”蕊矿
(b)跨中截面
臂施工节段数,主梁最大悬臂状态节段数为24。斜拉索张拉均针对有索区)。
单位:m
4施工过程相关计算分析结果
图2桥梁横截面
Fig.2
CrossSectionsofBridge
4.1主梁施工预拱度、桥塔横向预偏量
主梁悬臂浇筑过程中,在保证结构安全的前提下,力求主梁线形平顺、准确,主梁放样线形包括主梁的平曲线形以及竖面线形。竖向线形在施工中以标高控制为主,平面线形则考虑主梁施工放样的横向预偏量。
根据AASHTO规范的相关规定,对于主梁结构的施工预拱度,一般设置为:预拱度一(成桥恒载挠度+成桥后收缩徐变挠度)×恒载放大系数+1/2静活载挠度。静活载挠度为车道荷载和车辆荷载共同作用的挠度。图4为该桥主梁预拱度理论计算
由此引起的中性轴移动的效应及预应力张拉方式所带来的预应力损失等影响。
主梁及桥塔均采用强度为50的混凝土(相当于国内C60混凝土)。主梁纵向预应力钢束分别为
12一j115.24mm和27一≠15.24mm,横向预应力钢
束为4一声15.24mm(扁平布置),斜拉索为
91一声15.24mm钢束。
混凝土换算容重取26kN/m3,箱内齿块和斜撑按集中荷载考虑。二期永久作用按均布荷载80
Fig.3
图3全桥有限元模型
FiniteElementModelofWhole
Bridge
54
桥梁建设Bridge
Construction
l_OO.8
{0.6
豁:
O
一0.2
图4主梁预拱度计算结果
Fig.4
CalculationResultsofPrecamberingofMainGirder
结果。
由于主梁的横向弯曲,梁内纵向预应力和斜拉索张拉力必然引起主梁横向偏心效应。计算结果表明,主梁成桥阶段横向水平偏位为5.3mm,桥塔成桥阶段塔顶横向偏位最大为213.7mm,横向偏位最小为201.8mm(4个桥塔各不相同),施工放样中按此进行预偏¨]。4.2桥梁整体受力分析
施工过程中主梁在纵向预应力和斜拉索水平分力作用下,基本全截面受压,最大压应力为23.52MPa,出现在次边跨7号节段下缘,为次边跨浇筑17号节段混凝土工况;施工过程主梁最大拉应力为
0.62
为910MPa,安全系数为2.04;在施工中最大索力达到14
460
kN,对应应力为1
135
MPa,安全系数
为1.64。
4.3挂篮荷载作用局部受力分析
由于主梁节段重量大、箱梁壁板薄,加上施工过程中主梁前段为开口截面,施工过程中1
000
kN挂
篮荷载对箱梁局部受力安全尤为重要,故有必要分析箱梁在挂篮荷载作用下的局部受力情况。为真实反映箱梁节段的边界约束情况,分析时建立4个节段模型,计算模型顺桥向长度共计16
m。
选取重量最大的1号节段进行分析。计算荷载包括箱梁自重、箱梁横向预应力、箱梁纵向预应力及施工荷载,其中施工荷载包括施工挂篮自重1kN及主梁1号节段混凝土重量2
200
000
MPa,出现在次边跨主梁墩顶截面上缘,为浇
筑次边跨3号节段混凝土工况。按照AASHTO规范要求,预应力主梁构件施工阶段最大压应力限值为0.60fo一0.60×50MPa=30.00MPa,最大拉应
kN。施工荷
载加载示意见图5。箱梁横向预应力采用直接建模法,用降温法模拟预应力效应。纵向预应力采用等效节点荷载方式施加。挂篮荷载作用局部应力分布见图6。
箱梁横桥向拉应力最大值出现在箱梁底板前段开口处局部区域,名义拉应力超过3.32MPa,为箱梁横向宽度过大和挂篮荷载局部受力集中所致。从箱梁竖向(y向)应力图可以看出,局部拉应力区域超过3.49MPa,位于靠近斜撑与腹板相交部分区域。可见施工荷载对箱梁的局部应力影响较大,故要求挂篮支腿只能在腹板的上下梗腋附近,而且要求挂篮包含内外模板及支撑体系的重量不超过
力限值0.25 ̄/^一1.77MPa。主梁施工阶段应力满
足规范[7]要求。
桥塔为普通钢筋混凝土构件,由于主墩左、右两侧不完全对称,在自重与斜拉索竖向分力的共同作用下,桥塔为小偏心受压构件,最大压应力出现在塔身变截面处,混凝土最大压应力为17.88MPa,小于
0.50.厂c一25.0MPa,满足规范口3要求。
斜拉索在施工过程中其应力应小于0.65f。t=
0.65×1
860MPa一1209
MPa[8]。该桥斜拉索为
91一庐15.24mm,其张拉力为11600kN,对应应力
臣
习
220+180)ks=4
800kS
图5施工荷载加载示意
Fig.5
SketchofApplyingofConstructionLoad
带箱内斜撑矮塔斜拉桥施工过程受力性能分析江滂,姜爱国
55
4个支座位置三向固结。
计算分2种工况:工况1为在横向风力作用下,按空间结构进行验算,计算荷载包括结构自重、斜拉索索力、施工荷载(包括施工挂篮、其他机具设备重量等)、横桥向风荷载;工况2为主梁在风荷载作用下,桥塔两侧主梁底面产生不同的竖向升举力,计算荷载包括结构自重、斜拉索索力、施工不平衡荷载、
0.009
—0.008
894—0.007695—0.005497—0.003298—0.001
795—0.006596—0.004397—0.002199
099
0
主梁升举力。2种工况计算结果见图7,前20阶失稳系数见表1。
表1桥梁失稳系数
Tab.1
InstabilityCoefficientsofBridge
(a)y方向位移单位:m
阶数
工况】
失稳系数
工况2
—9097660.332E+070.136E+08—0.938E+07—0.514E+07
—0.115E+08—0.726E+07—0,303E+070.121E+070.544E+07
(b)x方向应力云图单位:Pa
一0765E+07
0.542E+07—0.318E+079500.653E+07—0.430E+070.207E+07000
166
0.128E+07
6670.240E+07
(C)y方向应力云图
单位:Pa
注:j为桥梁宽度方向;y为桥梁高度方向;z为桥梁长度方向。
图6挂篮荷载作用局部应力分布
Fig.6
DistributionActionof
ofLocal
StressUnder
最大双悬臂状态横向风荷载、竖向不平衡升举风荷载按照规范[10’111相应规定进行计算及加载。
由表1可以看出,桥梁结构在最大悬臂状态时,同阶数下工况1的失稳系数均较工况2同阶失稳系数大,表明工况2为最不利荷载工况。在该工况下,结构的第1阶失稳系数为11.0,远大于规范要求的失稳系数不小于4的标准,表明该结构在最大双悬臂状态屈曲稳定性满足要求。
从图7可以看出,2种工况下的结构在最大悬臂施工阶段前2阶屈曲模态均为箱梁底板面内局部屈曲。2种工况前20阶失稳模态均为箱梁面内局部屈曲,未发现桥塔失稳现象和箱梁整体屈曲及面外屈曲情况,表明该结构在最大悬臂施工状态下以箱梁底板面内失稳为主。有所不同的是,由于工况1荷载及结构对称,其奇数阶失稳安全系数与相近的后一阶偶数阶失稳安全系数基本相等,相应的失
FormTravelerLoad
1000
kN,即挂篮自重系数控制在0.45以内。并且
挂篮设计时一定要考虑连续梁悬臂浇筑施工和箱梁纵、横向预应力束张拉作业2个用途,参考埃及的同类型桥梁阿斯旺桥(Aswal,2002年修建)施工情况,挂篮设计为重量较轻的铰接三角挂篮。另外,在主梁相对拉应力较大处加密普通钢筋网凹1。4.4最大双悬臂状态稳定性分析
主梁在最大悬臂状态下的外伸臂长度达到100m,且桥址位于孟加拉湾入港口,设计风速为210km/h,故最大双悬臂状态下的主体结构屈曲稳定性值得研究。
采用通用有限元软件建立空间计算模型。采用板单元模拟箱梁各部分结构,采用索单元模拟斜拉索,采用梁单元模拟桥塔。约束条件为箱梁0号块
56
桥梁建设BridgeConstruction
向预偏量。
(2)桥梁施工过程中主梁和桥塔基本全截面受压,且截面应力均小于规范容许值。主梁墩顶截面、桥塔塔身变截面均为各自构件应力控制截面;斜拉索施工过程中最大索力为14
—————————-q尊—缸王主h《尹一
460
kN,其安全系数
为1.64。
(3)施工过程中主梁前端在挂篮荷载作用下,
(a)T况l第1阶
箱梁底板前段开口处局部区域和斜撑与腹板相交部分区域名义拉应力较大,为箱梁横向宽度过大和挂篮荷载局部受力集中所致,故挂篮必须特殊设计,以
一
(b)工况1第2阶
夕
/
改善挂篮荷载作用点局部受力情况,另外,在主梁相对拉应力较大处加密普通钢筋网。
(4)桥梁在最大双悬臂状态下,主体结构屈曲稳定的最小失稳系数为11.0,远大于规范要求。结构在最大悬臂阶段前20阶失稳模态均为箱梁面内局部屈曲,未发现桥塔失稳现象和箱梁整体屈曲及面外屈曲情况,表明该结构在最大悬臂施工状态下以箱梁底板面内失稳占优。分析结果表明在施工荷载较大侧(此侧风荷载产生的主梁升举力较小)更易失稳,不平衡荷载会降低结构施工稳定性。
一
(C)工况2第1阶
鬻
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5结
论
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Construction
theNew
(1)主梁竖向预拱度的设置根据AASHTO规范计算确定,并在施工过程中进行精细化调整;由于主梁平弯原因,主梁和桥塔在施工过程中需设置横
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江
溺
1975一,男,高级工程师
1998年毕业于兰州铁道学院桥梁
专业,工学学士,2005年毕业于同
济大学土木与建筑工程专业,工程硕士。研究方向:桥梁施工、旧桥改造、维修与加固等
E-mail:jiangmbee@126.COrn
姜爱国
1971一,男,高级工程师,一级注册结构工程师
1995年毕业于东南大学公路与城
市道路专业,工学学士。研究方向:桥梁设计
E—mail:25330582@qq.com
儿ANGAi—guo
(编辑:杨晓燕)
带箱内斜撑矮塔斜拉桥施工过程受力性能分析
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
江湧, 姜爱国, JIANG Yong, JIANG Ai-guo
江湧,JIANG Yong(中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司,湖北武汉,430074), 姜爱国,JIANG Ai-guo(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉,430056)桥梁建设
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引用本文格式:江湧.姜爱国.JIANG Yong.JIANG Ai-guo 带箱内斜撑矮塔斜拉桥施工过程受力性能分析[期刊论文]-桥梁建设2013(2)