浅谈桥梁工程中无背索斜拉桥索力优化_斜拉桥索力调整
时间：2019-04-10 03:17:33 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文作者结合自己多年的实际工作经验，结合某桥主桥工程实例，介绍了无背索斜拉桥主塔混凝土浇筑及斜拉索张拉方案的一种优化方法，并就相关问题提出了自己的看法和意见，仅供参考。
关键词：桥梁；斜拉桥；索力；优化
Abstract: in this paper the author, based on his years of practical experience, the combined with a main bridge engineering examples, this paper describes the main tower is cable stayed back concrete pouring and stay-cables zhang pulled a scheme optimization method, and the related problems with it views and opinions, is only for reference.
Keywords: bridge; Cable-stayed bridge; Cable force; optimization
中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：
斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。常规的斜拉桥在桥塔两侧均有斜拉索，恒载作用下塔两侧斜拉索水平力可保持平衡，主塔仅在活载及附加荷载作用下承受一定的水平力及矩弯，而与常规斜拉桥不同，无背索斜拉桥仅有单侧索，桥塔的受力表现为在斜拉索索力及自身重力的作用下的悬索梁。无背索斜拉桥是对常规斜拉桥造型的突破，无背索后倾的塔身形状表现出对相对纤细的桥面强大稳固支撑的力量感，给人醒目深刻的感受。为了确保主塔处于良好的受力状态，无背索斜拉桥的塔身一般都设计成倾斜的，依靠塔身的自身重力矩来平衡斜拉索的倾覆力矩，因此组成了梁塔结构的平衡体系。本文以某大桥为例，对无背索斜拉桥索力优化相关问题进行探讨。
1 工程概况
某大桥主桥是一座无背索斜拉桥，塔梁固结，梁墩支座连接，结构材料及力学性能如表1。该桥有三个拱塔，桥跨布置为60m+70m+80m。主梁为变截面预应力钢筋混凝土箱梁，双箱六室结构。拱塔为钢箱梁结构，内填充C40混凝土，其中塔顶无索区为空心钢箱不填充混凝土。斜拉索共22对(其中矮拱塔6对)，梁上索距6m，塔上理论索距4.5m，采用镀锌平行钢丝斜拉索，塔端采用锚管结构，梁端采用锚块结构进行锚固，斜拉索张拉端设在梁上。由于三个拱塔混凝土的分段浇筑高度及初张拉索力确定方法一样，本文以矮塔为例，中塔及高塔不再阐述，矮塔的结构示意见图1。
图1 矮塔结构示意图
表1 结构材料及力学性能
2 无背索斜拉桥的优化原理
选取塔根截面应力u作为优化目标函数：
（1）
式中，σ1为混凝土自重对塔根截面产生的应力；σ2为张拉的斜拉索索力对塔根截面产生的应力；σ3为钢塔自重对塔根截面产生的应力。σ1、σ2、σ3均为由弯矩和轴力两部分产生的应力叠加(以拉应力为正)。
现以有索面塔根截面的应力为控制目标，结构平衡示意如图2所示，设钢塔的混凝土浇筑分为n次，第i次浇筑高度为hi，j表示索号，t表示第j号索第t次张拉j号索在塔上的锚固点到塔根的距离为Hj，pjt表示第j号索第t次张拉的索力，浇筑到第i段混凝土时：
（2）
图2 结构平衡分析图
(3)
式中，G(hi)为第i段浇筑混凝土的重量；ρ为混凝土的比重，Si为第i段浇筑段混凝土底面的截面面积，其与hi有关；A为塔根截面的截面面积；θ为主塔与主梁间的夹角；Li为第i段浇筑混凝土的重心离塔根的距离将(3)式代入到(2)式得到：
(4)
其中， ，当hi确定后，Bi的值即能确定，Bi是与hi相关的数。
(5)
θi为主塔与j号拉索问的夹角，将(4)、(5)式代人 (1)式得：
(6)
根据上式可确定出钢塔内每一段混凝土的浇筑高度范围和斜拉索的初张拉力，且为施工便利，节约施工时间，初张拉尽量采用一次张拉的办法。
3矮塔浇筑及斜拉索张拉方案优化
最终确定的优化方案需满足施工中塔根应力、塔顶位移、主梁线形等设计要求和成桥后能满足合理成桥状态的要求外，还需要满足施工周期短，施工倒顶次数少，千斤顶利用效率高，施工过程中浇筑相应节段混凝土时该节段斜拉索的锚梁处于无应力状态等要求，还对主塔混凝土浇筑也有一定的限制条件，要求所有浇筑段均以塔内横隔板为浇筑段划分界限，以便浇筑长度的控制。
采用上述优化原理运用midas软件分析得出矮塔体系转换后，张拉L5、L6拉索分别至808kN，在此基础上考虑以上限制条件选定可行方案进行优化，最终得出最为合理的矮塔混凝土浇筑及斜拉索张拉方案。
经计算分析，对方案进行一次优化，此优化方案张拉斜拉索时使用千斤顶的次数太多，需进一步优化。二次优化方案不满足施工过程中浇筑相应节段混凝土时该节段斜拉索的锚梁处于元应力状态的要求，因此对上述方案再次进行优化。三次优化方案为：
(1) 矮塔竖转并进行体系转换完毕，张拉L5和L6号索。
(2) 浇筑无索区第一段混凝土(5301mm)。
(3) 浇筑无索区第二段混凝土(4458mm)。
(4) 浇筑拉索Ll区段混凝土(4425mm)。
(5) 待拉索Ll区段混凝土达到72h龄期，挂拉索L1并张拉至1644kN。
(6) 浇筑拉索L2区段混凝土(4375mm)。
(7) 待拉索L2区段混凝土达到72h龄期，挂拉索L2并张拉至1661kN。
(8) 浇筑拉索L3区段混凝土(14302ram)。
(9) 待拉索I3区段混凝土达到72h龄期，挂拉索L3并张拉至1682kN。
(10) 浇筑拉索L4区段混凝土(4179mm)。
(11) 待拉索L4区段混凝土达到72h龄期，挂拉索L4并张拉至1697kN。
(12) 将斜拉索L5退索力为0。
(13) 浇筑拉索 区段的混凝土至拉索L5锚固板处(2017mm)。
(14) 待拉索 区段混凝土达到72h龄期，张拉拉索L5至1718kN。
(15) 将斜拉索L6退索力为0。
(16) 浇筑拉索L6区段混凝土至拉索L6锚固板处(3777mm)。
(17) 待拉索IJ6区段混凝土达到72h龄期，张拉拉索L6至1739kN。
(18) 浇筑剩余混凝土至设计高度(1 133mm)。
(19) 上二期荷载。
经分析计算，此优化方案各工况塔根截面钢的应力变化如图3所示，以受压为主，部分工况出现轻微受拉的情况，但都远远小于材料的抗拉强度。有若干工况塔根截面混凝土出现拉应力，其最大拉应力为1.43MPa，未超过混凝土的设计拉应力。
图3 塔根截面钢塔应力变化图
由图3可得出，该方案各工况塔根截面的应力均满足设计要求。确定的初张拉索力与计算成桥索力如表2所示，计算成桥索力与设计成桥索力之问的差异最大为2.40％ ，最小为0.18％。塔顶最大位移为0.094m，均满足施工要求。由以上分析可以看出，按此优化方案进行施工所得到的成桥状态的目标参数与设计参数得到了很好的吻合。此优化方案基本符合前文所述所有要求。因此，该方案为最终优化方案。
表2 成桥索力比较
注：Tc表示计算成桥索力；T0表示设计成桥索力。
4 结束语
从以上分析研究可以看出，无背索斜拉桥的施工张拉索力与混凝土的浇筑方案有着密切的关系，本文采用以塔根截面应力作为混凝土浇筑高度的控制依据的方法来优化主塔混凝土浇筑及斜拉索张拉方案，确定了合理的初张拉力，使其按确定方案施工得到的最终成桥状态与设计成桥状态基本吻合。而且本文方法对无背索斜拉桥的施工张拉索力优化均有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 汤意.无背索波形钢腹板部分斜拉桥的整体力学性能分析[J].公路工程.2011(04)
[2] 裴凤琴.无背索波形钢腹板部分斜拉桥波形钢腹板屈曲验算与分析[J].中国住宅设施.2011(11)
[3] 汤意.一种新桥型——无背索波形钢腹板部分斜拉桥[J].公路交通科技(应用技术版).2011(06)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
