TDVRM软件在大跨铁路混合梁斜拉桥的应用.pdf

TDV RM软件在大跨铁路混合梁斜拉桥 理想成桥状态和施工过程分析的应用与实践 汇报人：曾甲华 单 位：中铁第四勘察设计院集团有限公司 TDV用户交流会.武汉 TDV RM在铁四院特殊桥梁的应用情况 一 一 铁路混合梁斜拉桥的理想成桥状态计算 铁路混合梁斜拉桥的施工过程计算 三 二 TDV用户交流会.武汉 一、TDV RM在铁四院特殊桥梁的应用情况 宁波铁路枢纽甬江特大桥主桥 温州瓯江北口过江通道方案研究 重庆江津中渡长江大桥 福建龙岩大桥 TDV用户交流会.武汉 p 项目概况 宁波铁路枢纽甬江特大桥主桥采用（5350+50+66+46866+50+50+53）m钢箱混合梁斜拉桥。为世界首座大跨钢箱混合梁铁路斜拉桥，当前也是世界上最大跨度的钢箱加劲梁铁路桥，将于明年5月建成通车。边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁，其余中跨主梁为钢箱梁。钢-混接合面位于主梁中跨侧距离索塔24.5m处。应用实例：宁波铁路枢纽甬江特大桥主桥 混凝土主梁标准横断面 甬江桥三维效果图 钢箱主梁标准横断面 TDV用户交流会.武汉 钢混结合段采用阶梯填充混凝土前后承压板式钢-混接头。阶梯填充混凝土前后承压板式钢-混接头（单位：mm）钢-混结合段 TDV用户交流会.武汉 Step 1 Step 2 Step 3 下部结构施工，墩身及塔柱施工插打第一混凝土现浇段主梁钢管桩基础，搭设现浇支架，并按1.2倍箱梁自重预压 卸载后调整支架顶面标高。布置第一混凝土现浇段预应力钢筋 绑扎普通钢筋 浇筑混凝土 P4号、P7号墩梁临时固接待待混凝土强度达到设计值的95%、弹性模量达到设计值的100%且龄期不小于7d后，张拉本段预应力筋本段预应力筋：腹板索F1-2、F3-2、F5-2、BF1-2，SB8、SB11、SB12 顶板索T7、T14、T13底板索B18B13)插打和架设第二混凝土现浇段A、B主梁钢管桩基础、支架，并按要求预压拆除第一混凝土现浇段主梁临时支墩及支架本段预应力筋：腹板索F1-2、F3-2、F5-2、BF1-2，SB8、SB11、SB12顶板索T7、T14、T13底板索B18B13)绑扎第二混凝土现浇段A、B主梁预应力钢筋及普通钢筋。浇筑第二混凝土现浇段A、B主梁。张拉本段预应力筋继续施工塔柱 本段预应力筋：腹板索BF2-2、F2-2、F4-2 顶板索T12T8、T18T15、T1 底板索B12B7、B22B19、SB3SB4、SB5SB7、SB9SB10 插打和架设第三混凝土现浇段A、B主梁钢管桩基础、支架，并按要求预压 拆除第二混凝土现浇段A、B主梁临时支墩及支架。吊装钢混结合段（14.05m 范围）钢结构绑扎第三混凝土现浇段A、B梁预应力钢筋及普通钢筋，预埋P5、P6号塔梁临时固结预埋件浇筑第三混凝土现浇段A、B混凝土P5、P6号塔梁临时固结，解除P4、P7号墩梁临时固结张拉本段预应力筋同步完成塔柱施工 本段预应力筋：腹板索BF1-1、BF2-1、BF1-3、BF2-3、F1-1F5-1、BF1-3BF5-3顶板索ZT1ZT5，T24T19、T6T2底板索B6B1、B30B25、ZB1ZB2、SB1SB2、SB13SB16）。p 混凝土主梁采用逐段支架现浇，每侧分为三批、五个现浇段浇筑完成。主桥施工步骤-混凝土主梁施工 TDV用户交流会.武汉 Step 4 Step 2 Step 5 1、重复以上施工步骤，依次安装各钢箱梁节段，并张拉相应斜拉索，直至合龙段。2、对合龙口进行连续观测，根据观测结果，确定合龙段长度。选择温度变化比较缓和的夜间时段，完成中跨钢箱梁合龙。3、拆除桥面吊机及栈桥；拆除P5、P6号塔梁临时固结。1、桥面工程及附属工程施工。2、按设计顺序(S1M 1S2M 2S25M 25)调整斜拉索力、主梁和索塔线形。3、安装索塔梁底纵向液压阻尼装置、斜拉索减振设施；钢箱梁涂装整修。4、静动载试验及交付运营。1、保留过渡段前端点临时支墩，拆除主梁第三混凝土现浇段其它支架，安装并按设计索力张拉第13对斜拉索，调整结构线形。2、两侧栈桥及钢箱梁过渡段支架施工。3、拆除过渡段临时支架；4、北岸通过水上码头和栈桥运输钢箱梁节段，南岸通过水上船舶运输钢箱梁；5、利用桥面吊机依次起吊并安装第一段钢梁节段，按设计索力张拉斜拉索，调整线形。p 钢箱主梁采用节段吊装施工。主桥施工步骤-钢箱主梁施工及索力调整 TDV用户交流会.武汉 中塔柱施工完成，首节索塔钢锚箱开始吊装 p 现场施工照片 应用实例：宁波铁路枢纽甬江特大桥主桥 TDV用户交流会.武汉 三塔公铁两用悬索桥方案，研究了双主跨分别为650m和800m的方案，通行6车道高速公路、6车道城市快速路、双线温州市域铁路。应用实例：温州瓯江北口过江通道方案研究 TDV用户交流会.武汉 应用实例：温州瓯江北口过江通道方案研究 TDV用户交流会.武汉 初步设计阶段，设计了主跨600m地锚式悬索桥和主跨600m的部分地锚式混合梁斜拉桥两个方案。最终选择悬索桥方案，目前主塔索塔下塔柱开始施工。应用实例：重庆江津中渡长江大桥 TDV用户交流会.武汉 龙岩大道位于龙岩市中心城区，是龙岩市“一轴二环三纵四横”快速道路系统的中心轴和景观轴，为福建省重点建设项目，集团公司承担设计的龙岩大桥为龙岩大道的关键节点和控制性工程。龙岩大桥初步设计采用（190+150）m不对称孔跨钢箱梁独塔斜拉桥，半漂浮体系，其桥面宽为36.8m，采用不对称跨转体施工，其转体总重量超2.4万吨，取得多项技术创新和突破，并创造了最大转体重量、最长转体悬臂、最大转体梁宽三项世界新纪录。目前施工图设计即将完成。应用实例：福建龙岩大桥 TDV用户交流会.武汉 二、铁路混合梁斜拉桥的理想成桥状态计算 斜拉索设计方法 理想成桥状态计算 TDV用户交流会.武汉 斜拉桥中，拉索承受有外荷载引起的轴向拉力，但由于拉索的自重作用，在拉索中也将出现垂度。其垂度与斜拉索长度的平方、斜拉索重度的平方均成正比，与索应力值立方成反比。计算方法一：等效弹性模量法 考虑到斜拉索垂度与拉索应力立方成反比，就可清楚地知道索应力值越大，索垂度就越小，从而拉索的结构行为愈来愈像直杆。将斜拉索视为直杆就需求得其等效的弹性模量，等效弹性模量一般采用切线弹性模量和割线弹性模量两种。斜拉索刚度的切线模量定义 斜拉索刚度的割线模量定义 斜拉索垂度效应（一）斜拉索计算方法 TDV用户交流会.武汉 计算方法二：多段杆模拟法 采用切线模量或割线模量的等效弹模法，把带有垂度的斜拉索按照直杆处理，均仅对斜拉索刚度进行修正，忽略了斜拉索索端转角的差异。多段杆模拟法是采用只受拉多段杆单元模拟斜拉索，可以完全考虑垂度效应和索端转角的影响，实现斜拉索的真实精确模拟。多段杆模拟法是目前斜拉索计算的先进理念和方法。甬江桥结合非线性影响矩阵法和无应力状态法在国内首次采用该方法实现了铁路斜拉桥理想成桥状态分析和施工全过程模拟。-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 50 100 150 200 250 系列1系列2多段杆模拟斜拉索垂度效应 斜拉索垂度效应（甬江桥边跨拉索）TDV用户交流会.武汉 p 斜拉桥全桥精细化有限元分析模型的探索 鉴于斜拉桥全桥计算精细化分析的关键性和必要性，需建立斜拉桥全桥精细化有限元分析模型，以更为精细真实准确地反映实桥的几何和力学特性，具有以下几个重要特点：采用多段杆单元模拟斜拉索。这样可以精确考虑索的垂度影响，而且还特别考虑了索的垂度对锚固点的切角的影响。对于大跨度斜拉桥，Ernst公式折减拉索弹模的方式已不再适用，一是该方法只适合斜拉索较短且应力水平较高的中小跨径斜拉桥，二是斜拉索应力始终在变，没法准确跟踪拉索应力进行弹模修正。构件截面的真实输入。TDV模型中，构件截面可以方便地绘制或导入，以真实反映结构的几何特性，如截面特性和偏心。也可以设置温度点、钢筋点和应力验算点。真实地建立空间预应力筋（含竖曲线和横向曲线）。能准确模拟预应力损失、超张拉、放张、多次张拉等操作。准确模拟实桥边界条件。可以真实地进行桥台、桥墩、多支座支撑、施工支架、临时支墩、阻尼器、接触单元。采用柔度单元（矩阵）模拟群桩基础。将下部结构简化为刚度单元或柔度单元（也可直接建立群桩基础）这样可以便捷准确地模拟群桩基础，并大大减少计算的规模。建立真实地空间（包括横向和竖向偏心）交通车道。（二）理想成桥状态计算 TDV用户交流会.武汉 p斜拉桥全桥精细化有限元分析模型的探索 三维数值分析模型 斜拉索多段杆单元模拟（二）理想成桥状态计算 空间预应力筋、施工支架、多支座支撑、阻尼器的真实模拟 TDV用户交流会.武汉 p 铁路混合梁斜拉桥理想成桥状态的构思 对于铁路钢箱混合梁斜拉桥，中跨钢箱加劲梁相对边跨混凝土箱梁刚度较小，若采用常规的“塔直梁平”的理想成桥状态，其在强大的铁路活载作用下，索塔下塔柱两侧纵向弯矩和跨中钢箱梁上下缘弯矩差值较大，不利于钢箱梁和索塔的受力和设计。构思了一种适宜于铁路钢箱加劲梁斜拉桥的“塔偏梁拱”理想成桥状态，相比常规“塔直梁平”，更好平衡了铁路活载，适应了铁路活载大的特点。该成桥状态通过主动调整斜拉索力，使跨中钢箱梁适当上拱、索塔向岸侧偏移，较好地平衡了铁路活载效应，同时也提高了边跨斜拉索的应力水平，保证了斜拉索的有效刚度。该成桥理想状态主要实现了以下目标：通过二次张拉斜拉索，使跨中钢箱梁上挠从而预存部分负弯矩，以平衡跨中活载正弯矩，减小在主力作用下跨中主梁的上下缘弯矩差。恒载状态下，索塔往岸侧预偏一定值，以考虑活载的影响，使下塔柱在主力作用下两侧纵向弯矩基本相等。边跨斜拉索成桥索力主要是与中跨拉索索力协调，保证索塔的良好线形和内力状态。此时，边跨主要体现为预应力混凝土梁连续梁的受力特点，通过调整体内预应力使之满足结构受力要求。“塔偏梁拱”理想成桥状态，提高了边跨斜拉索的应力水平，保证了斜拉索的有效刚度，并一定程度上了提高了结构整体刚度。（二）理想成桥状态计算 TDV用户交流会.武汉 p 理想成桥状态计算结果 （二）理想成桥状态计算 TDV用户交流会.武汉 二、铁路混合梁斜拉桥施工过程计算 TDV用户交流会.武汉 p 施工过程的计算思路 甬江桥采用施工阶段addcon优化、施工控制、偏差施工和FX0无应力索长的直接到达等关键技术，实现斜拉桥施工过程非线性分析的正装分析，特别是实现了以下目标：正装分析并经两次迭代，即可达到了理想成桥状态，而无需进行繁琐的正装倒拆分析的反复尝试；斜拉索张拉工艺简化。只经过初张拉和二次张拉即保证斜拉桥准确张拉到位；实现塔直梁平的平衡施工技术，确保施工过程中索塔和主梁承受较小的内力和发生较小的变形；通过TDV 的addcon优化功能，优化S25、M25斜拉索的初张力，实现了合龙段无曲率安装，即吊起合龙段时，合龙端转角为零，而无需配重。TDV用户交流会.武汉 p 无应力状态法在施工过程的实现 TDV中有一个很好的功能：使用FX0（或LX0）实现斜拉索的张拉到位。这一功能为斜拉索的张拉到位提供了便捷，只需将斜拉索的无应力索长张拉到目标成桥状态即可。TDV中，斜拉索张拉到位，用“目标LX0直接指定”，和“直接补充LX0差值”，都是不能实现的，LX0是不满足叠加原理的，且LX0直接指定到目标索长会和前面初张拉的LX0发生了一个不可控的重复累积，是不正确的超张拉。FX0是满足叠加原理的，可以分步张拉到位。索力检验 无应力长检验 索号索号 目标索力 施工过程索力 误差 索号 目标无应力索长 施工无应力索长 误差 50115011 2889.708 2894.501 0.17%5011 31.64738 31.64738 0.0000%50125012 2904.104 2908.788 0.16%5012 31.64734 31.64734 0.0000%50135013 2918.673 2923.252 0.16%5013 31.64734 31.64734 0.0000%50145014 2933.425 2937.905 0.15%5014 31.64734 31.64734 0.0000%50155015 2948.359 2952.743 0.15%5015 31.64734 31.64734 0.0000%50165016 2963.471 2967.763 0.14%5016 31.64734 31.64734 0.0000%50175017 2978.758 2982.963 0.14%5017 31.64734 31.64734 0.0000%50185018 2994.218 2998.340 0.14%5018 31.64749 31.64749 0.0000%50215021 2680 2684.933 0.18%5021 30.68688 30.68687 0.0000%50225022 2694.196 2699.030 0.18%5022 30.68684 30.68684 0.0000%50235023 2708.565 2713.305 0.18%5023 30.68684 30.68684 0.0000%50245024 2.72E+03 2727.768 0.17%5024 30.68684 30.68684 0.0000%50255025 2737.85 2742.415 0.17%5025 30.68684 30.68683 0.0000%50265026 2752.761 2757.244 0.16%5026 30.68684 30.68684 0.0000%50275027 2767.846 2772.251 0.16%5027 30.68684 30.68684 0.0000%50285028 2783.104 2787.433 0.16%5028 30.68697 30.68696 0.0000%50315031 2630 2634.708 0.18%5031 29.73241 29.7324 0.0000%50325032 2644.033 2648.650 0.17%5032 29.73238 29.73238 0.0000%50335033 2658.229 2662.759 0.17%5033 29.73238 29.73238 0.0000%50345034 2672.598 2677.044 0.17%5034 29.73238 29.73238 0.0000%50355035 2687.136 2691.503 0.16%5035 29.73238 29.73238 0.0000%50365036 2701.842 2706.132 0.16%5036 29.73238 29.73238 0.0000%50375037 2716.712 2720.929 0.16%5037 29.73238 29.73238 0.0000%50385038 2731.744 2735.891 0.15%5038 29.73251 29.7325 0.0000%50415041 2.56E+03 2559.683 0.18%5041 28.77977 28.77977 0.0000%50425042 2.57E+03 2573.461 0.18%5042 28.77974 28.77974 0.0000%50435043 2582.88 2587.397 0.17%5043 28.77974 28.77973 0.0000%50445044 2597.061 2601.501 0.17%5044 28.77974 28.77974 0.0000%50455045 2611.402 2615.768 0.17%5045 28.77974 28.77974 0.0000%50465046 2625.901 2630.197 0.16%5046 28.77974 28.77974 0.0000%50475047 2640.556 2644.784 0.16%5047 28.77974 28.77974 0.0000%50485048 2655.364 2659.527 0.16%5048 28.77986 28.77985 0.0000%50515051 2455 2459.546 0.19%5051 27.83614 27.83613 0.0000%50525052 2468.69 2473.157 0.18%5052 27.83611 27.8361 0.0000%50535053 2482.525 2486.917 0.18%5053 27.83611 27.83611 0.0000%50545054 2496.516 2500.837 0.17%5054 27.83611 27.8361 0.0000%50555055 2510.66 2514.913 0.17%5055 27.83611 27.83611 0.0000%50565056 2524.956 2529.142 0.17%5056 27.83611 27.83611 0.0000%50575057 2539.399 2543.524 0.16%5057 27.83611 27.83611 0.0000%50585058 2553.989 2558.053 0.16%5058 27.83623 27.83622 0.0000%TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移下部结构施工 下部结构施工 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移混凝土箱梁第一现浇段支架现浇 混凝土箱梁第一现浇段支架现浇 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移混凝土箱梁第二现浇段支架现浇 混凝土箱梁第二现浇段支架现浇 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移混凝土箱梁第三现浇段支架现浇 混凝土箱梁第三现浇段支架现浇 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移混凝土箱梁支架现浇施工完成 混凝土箱梁支架现浇施工完成 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移张拉第张拉第1 1对斜拉索 对斜拉索 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移张拉第张拉第2 2对斜拉索 对斜拉索 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移吊装钢混结合段至支架 吊装钢混结合段至支架 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移张拉第张拉第3 3对斜拉索对斜拉索，临时支墩拆除 临时支墩拆除 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移吊机前移 吊机前移 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移吊装钢箱梁节段 吊装钢箱梁节段 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移张拉第张拉第4 4对斜拉索 对斜拉索 TDV用户交流会.武汉 p 典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移重复上述步骤重复上述步骤，直至吊机前移直至吊机前移，吊起合拢段 吊起合拢段 TDV用户交流会.武汉 TDV用户交流会.武汉 TDV用户交流会.武汉 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移实现无曲率安装合拢段 实现无曲率安装合拢段 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移拆除吊机拆除吊机，体系转换 体系转换 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移桥面铺装施工桥面铺装施工，上二恒 上二恒 TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第1 1对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第2 2对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第3 3对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第4 4对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第5 5对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第6 6对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第7 7对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移第第8 8对索张拉到位（二次张拉对索张拉到位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移直至第直至第2525对索（最后对索（最后1 1对索对索）张拉到张拉到位（二次张拉位（二次张拉）TDV用户交流会.武汉 p典型施工阶段结构位移典型施工阶段结构位移成桥后成桥后，三年收缩徐变完成 三年收缩徐变完成 TDV用户交流会.武汉