李才，陳婷婷

(山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031)

扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋索力調(diào)整

李才，陳婷婷

(山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031)

為研究較為合理的扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋索力調(diào)整的方法，結(jié)合工程實(shí)踐，闡述索力調(diào)整的目標(biāo)和原則，利用影響矩陣法和橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas Civil 2012，采用試算法制定調(diào)索方案，并對(duì)調(diào)索效果進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：索力調(diào)整后，全橋索力接近目標(biāo)值，主梁線(xiàn)形和塔偏也比較理想。

斜拉橋；索力調(diào)整；扭轉(zhuǎn)索面；影響矩陣；Midas

斜拉橋具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)受力體系和美麗的外形，主要由主塔、拉索和主梁組成[1-4]。斜拉橋索力調(diào)整一直是研究的熱點(diǎn)，一座斜拉橋包含很多拉索，一根索索力的變化會(huì)影響到其他索，因此調(diào)整斜拉橋索力時(shí)要全橋考慮[5-7]。斜拉橋索力調(diào)整的計(jì)算方法主要有影響矩陣法、逼近法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法等，這些方法具有各自的特點(diǎn)和適用性，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體的橋梁和試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整[8-9]。扭轉(zhuǎn)索面是指斜拉索在空間上呈扭轉(zhuǎn)曲面布置，最長(zhǎng)的斜拉索在塔上的錨點(diǎn)位置最低，而最短的拉索在塔上的錨點(diǎn)位置最高，最長(zhǎng)拉索與橋面的夾角僅為23.4°。本文結(jié)合鋼箱梁扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋索力調(diào)整實(shí)踐，闡述索力調(diào)整的目標(biāo)和原則，利用影響矩陣法和橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas Civil 2012，采用試算法制定調(diào)索方案，對(duì)調(diào)索過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)調(diào)索效果進(jìn)行分析。

1 工程概況

天津薊運(yùn)河大橋?yàn)閮煽绮贾玫目臻g扭轉(zhuǎn)索面獨(dú)塔斜拉橋，主梁為扁平式鋼箱梁?？缇巢贾脼?×118 m ，橋梁全長(zhǎng)為236 m。主橋結(jié)構(gòu)采用半飄結(jié)構(gòu)體系，主塔與主墩固結(jié)，橋塔全高91.5 m，主塔由鋼塔和混凝土塔2部分組成，具體分為塔頂、鋼塔、鋼混結(jié)合段塔、混凝土塔4部分，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。全橋共設(shè)4×13 根斜拉索。斜拉索一側(cè)錨固在塔上，一側(cè)錨固在鋼箱梁外側(cè)腹板。斜拉索順橋向間距7 m，水平索距由主塔中心起向兩端橋臺(tái)為(23+12×7+11)m，主塔一側(cè)無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度為23 m，邊墩無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度為11 m。斜拉索上錨固端位于鋼塔兩側(cè)箱室腹板上，豎向索距2.5 m。設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載為城市-A，人群荷載3.5 kPa。薊運(yùn)河大橋立面布置如圖1所示。

2015-01-06，全橋拉索張拉完成后發(fā)現(xiàn)橋面標(biāo)高沒(méi)有達(dá)到預(yù)期值，索力動(dòng)測(cè)儀測(cè)量結(jié)果顯示全橋索力均未達(dá)到預(yù)期值，這是由于摩阻力使張拉千斤頂油表讀數(shù)不準(zhǔn)，導(dǎo)致張拉力不足。為使索力和橋面標(biāo)高達(dá)到預(yù)期值，需要進(jìn)行索力調(diào)整。第一次張拉完成后的索力與預(yù)期值對(duì)比見(jiàn)表1。

2 索力調(diào)整

2.1目標(biāo)和原則

索力不足是全橋橋面標(biāo)高達(dá)不到預(yù)期值的根本原因。對(duì)于斜拉橋，可以通過(guò)調(diào)整索力改變?nèi)珮蚶鞯氖芰顟B(tài)和橋面線(xiàn)型，使橋梁結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳受力狀態(tài)和線(xiàn)型更接近設(shè)計(jì)線(xiàn)型[10]。本次調(diào)索的目標(biāo)為：調(diào)索后全橋索力相對(duì)于目標(biāo)索力的差值在±5%內(nèi)，橋面標(biāo)高與預(yù)期值的偏差在±20 mm內(nèi)。

圖1 薊運(yùn)河大橋立面布置圖

表1 第一次張拉完成后的索力 kN

索力調(diào)整應(yīng)兼顧主梁線(xiàn)型、主梁應(yīng)力以及塔偏的變化[11-12]。第一次張拉完成后，橋面標(biāo)高整體較預(yù)期值低很多，因此，調(diào)索后應(yīng)使橋面整體升高，并避免主梁線(xiàn)型產(chǎn)生較大變化，以免主梁應(yīng)力過(guò)大。

2.2索力調(diào)整難點(diǎn)

扭轉(zhuǎn)索面與平面索面不僅在形式上大不相同，結(jié)構(gòu)受力也更為復(fù)雜，調(diào)整索力時(shí)主要難點(diǎn)有：1)扭轉(zhuǎn)索面拉索長(zhǎng)度差別較大，拉索越長(zhǎng)索力越大。2)長(zhǎng)拉索與橋面夾角較小，索力變化時(shí)對(duì)主梁內(nèi)力影響較大，調(diào)索時(shí)需兼顧主梁內(nèi)力。3)一根索力調(diào)整對(duì)全橋索力影響很大，計(jì)算索力時(shí)需要反復(fù)迭代計(jì)算，直至閉合。

2.3索力調(diào)整方案

調(diào)索計(jì)算采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas Civil 2012。主塔和主梁采用梁?jiǎn)卧M，拉索采用索單元模擬，全橋共劃分73個(gè)梁?jiǎn)卧?2個(gè)索單元，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)首先采用影響矩陣法分析相鄰拉索之間的相互影響程度[13-14]，分別計(jì)算每組拉索張拉100 kN的全橋索力，分析調(diào)索對(duì)其他拉索的影響程度。分析結(jié)果表明：索力調(diào)整僅對(duì)該索號(hào)前后各3對(duì)拉索的索力影響明顯，對(duì)其余索的影響可忽略不計(jì)。以第一次張拉完成后的索力為原始狀態(tài)，利用Midas Civil 2012結(jié)合迭代計(jì)算制定出調(diào)索順序和調(diào)整值[15-16]。迭代計(jì)算的步驟為：1)將1#拉索實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力差值的一半施加到相應(yīng)拉索上，分析全橋索力的變化，然后以相同的方法依次調(diào)整2#～13#拉索；2)重復(fù)步驟1)直至全橋索力達(dá)到目標(biāo)值；3)每根拉索的累積調(diào)整量即為調(diào)索時(shí)的索力調(diào)整值。

調(diào)索過(guò)程中對(duì)索力、橋面標(biāo)高和塔偏進(jìn)行監(jiān)控，調(diào)索過(guò)程中的索力監(jiān)測(cè)采用索力動(dòng)測(cè)儀[17-19]，每調(diào)整完一組索力，比較實(shí)測(cè)值和計(jì)算值及其偏差，如偏差太大，應(yīng)分析原因及時(shí)調(diào)整調(diào)索方案。調(diào)索時(shí)，相同編號(hào)的4根索同時(shí)對(duì)稱(chēng)張拉。根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定調(diào)索步驟如表2。

表2 索力調(diào)整步驟

2.4調(diào)索效果分析

調(diào)索過(guò)程中分別對(duì)索力變化、橋面高程變化和塔偏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將實(shí)測(cè)變化量和計(jì)算變化量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明索力橋面高程和塔偏的變化規(guī)律均與預(yù)期相吻合。現(xiàn)將調(diào)索前后全橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化進(jìn)行對(duì)比分析。

1)全橋索力

調(diào)索完成后將實(shí)測(cè)索力與計(jì)算索力進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3。結(jié)果表明索力與計(jì)算值吻合較好，偏差均在±5%以?xún)?nèi)。

圖3 調(diào)索后索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比表

圖4 調(diào)索前后橋面線(xiàn)形的變化

2)橋面線(xiàn)形

調(diào)索后，橋面線(xiàn)形的變化如圖4所示。從圖4可以看出，橋梁線(xiàn)形和預(yù)期值吻合較好，使主梁的受力更趨合理，調(diào)索后橋面總體升高了，最大抬高量為92 mm，在S7的下游側(cè)。

3)塔頂偏位

調(diào)索前，即第一次張拉完成后，塔頂偏位為縱橋向28 mm，橫橋向無(wú)偏位。調(diào)索完成后，縱橋向?yàn)?14 mm，橫橋向右偏13 mm。調(diào)索使得塔偏有所緩解。

3 結(jié)論

1)對(duì)于主梁為鋼箱梁的扭轉(zhuǎn)索面斜拉橋，采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析軟件結(jié)合迭代法計(jì)算索力調(diào)整值是可行的。

2)由于摩阻力的存在，用張拉千斤頂?shù)挠捅碜x數(shù)控制索力是不可靠的，特別是對(duì)傾斜度較大的拉索。

3)本文采用的索力調(diào)整方法和工程實(shí)踐為斜拉橋的索力調(diào)整積累了經(jīng)驗(yàn)，可作為類(lèi)似工程的參考。更加精準(zhǔn)的索力檢測(cè)技術(shù)還有待研究。

[1]蔣偉平.斜拉橋換索理論及其技術(shù)問(wèn)題的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2000. JIANG Weiping. Research on cable-changing theory and technical problems of cable-stayed bridge[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University，2000.

[2]VIRLOGEUX M. Recent evolution of cable-stayed bridges[J]. Engineering Structures，1999，12(8):737-755.

[3]賈麗君，肖汝誠(chéng)，孫斌，等.確定斜拉橋施工張拉力的影響矩陣法[J].蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，13(4)：17-21. JIA Lijun，XIAO Rucheng，SUN Bin，et al. Influence matrix method for determining tensile force of cable-stayed bridge[J]. Journal of Suzhou Urban Construction Environmental Protection College，1999，12(8):737-755.

[4]嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，1989.

[5]肖汝誠(chéng)，項(xiàng)海帆.斜拉橋索力優(yōu)化的影響矩陣法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26(3)：235-240. XIAO Rucheng，XIANG Haifan. Influence matrix method for cable force optimization of cable-stayed bridge[J]. Journal of Tongji University，1998，26(3)：235-240.

[6]杜蓬娟，張哲，劉春城，等.斜拉橋索力張拉過(guò)程的最優(yōu)控制[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22(3)：326-329. DU Pengjuan，ZHANG Zhe，LIU Chuncheng，et al. Optimal control of cable tensioning process of cable-stayed bridge[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics，2005，22(3)：326-329.

[7]官萬(wàn)軼，韓大建.斜拉橋的索力調(diào)整[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25(1)：125-128. GUAN Wanyi，HAN Dajian. Cable tension adjustment of cable-stayed bridge[J]. Journal of Kunming University of Technology，2000，25(1)：125-128.

[8]王美.紅楓湖大橋成橋后索力調(diào)整及其調(diào)索順序的優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué)，2005. WANG Mei. Adjustment of cable force and optimization of tuning order of Hongfeng Lake Bridge[D].Dalian：Dalian University of Technology，2005.

[9]方志，汪建群，顏江平.基于頻率法的拉索及吊桿張力測(cè)試[J].振動(dòng)與沖擊，2007，26(9):78-82. FANG Zhi，WANG Jianqun，YAN Jiangping. Tension test of cable and boom based on frequency method[J]. Vibration and Shock，2007，26(9):78-82.

[10]PODOLNY J W J，SCALZI J. Construction and design of cabled-stayed bridge[M]. New York: John Wiley & Sons，1986.

[11]林元培.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社，1994.

[12]許立強(qiáng).確定斜拉橋合理成橋索力的綜合方法與施工控制研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2007. XU Liqiang. Study on comprehensive method and construction control of cable-stayed bridge[D].Wuhan: Wuhan University of Technology，2007.

[13]金增洪.斜拉橋的歷史和美學(xué)(上)[J].國(guó)外公路，1997，17(2):21-26. JIN Zenghong. The history and aesthetics of cable-stayed bridge(I)[J]. Foreign Highway，1997，17(2):21-26.

[14]金增洪.斜拉橋的歷史和美學(xué)(下)[J].國(guó)外公路，1997，17(3):26-32. JIN Zenghong. The history and aesthetics of cable-stayed bridge(II)[J]. Foreign Highway，1997，17(3):26-32.

[15]蔡國(guó)宏.斜拉橋的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和展望[J].國(guó)外公路，1997，17(4):19-24. CAI Guohong. Development experience and prospect of cable-stayed bridge[J]. Foreign Highway，1997，17(4):19-24.

[16]TANG M C. Cable-stayed bridges in North America[J]. Cable-Stayed Bridge，1991，17(2):14-17.

[17]TANG M C. International symposiumon on cable-stayed bridges[C]. Shanghai:[s.n.]，1994.

[18]劉士林，梁智濤，侯金龍，等.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社，2002.

[19]鐵道部大橋工程局橋梁科學(xué)研究所.斜拉橋[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1992.

CableForceAdjustmentofCable-StayedBridgewithTwistingCablePlane

LICai,CHENTingting

(ShandongScientificResearchInstituteofTransportation,Jinan250031,China)

In order to explore the reasonable method to adjust the cable force of the cable-stayed bridge with the twisting cable plane, the objectives and principles of the cable tension adjustment combining with engineering practice is discussed. The influence matrix method, the finite element analysis software of bridge structure, Midas Civil 2012 and a trial method are used to design the scheme and analyze the effect of the adjustment. The monitoring results show that the cable force of the bridge is close to the target value after the adjustment of the cable force, and the bridge line and tower are also ideal.

cable-stayed bridge; cable force adjustment; twisting cable plane; influence matrix; Midas

U448.27

：A

：1672-0032(2017)03-0057-05

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

2016-12-11

李才(1986—)，男，山東菏澤人，工學(xué)碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闃蛄海?82994631@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.009