混凝土折线塔斜拉桥成桥索力确定的研究.pdf

5 2 桥梁建设 2 0 1 1年第 1 期 文章编 号 ： 1 0 0 3 -4 7 2 2 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 5 2 0 3 混凝土折线塔斜拉桥成桥 索力确定 的研究 王福 春 ， 粱 ( 1 东北大 学土木工 程研 究所 ， 辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 4 ；2 力 ， 李 鑫 沈 阳市 市政工 程设计研 究院 ， 辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 1 5 ) 摘要 ： 沈 阳市 富民桥 主桥 是一座 8 9 m+2 4 2 m+8 9 m 的 混凝 土折 线塔 斜拉 桥 ， 为确 定合 理 的成桥 索力 ， 采用最 小 弯曲能量 法并结合假 载 法和 内力 平衡 法进 行 计算 分析 。根 据 静 力平衡 条 件 得 到 主梁初始 断面尺 寸 ； 利 用最 小弯 曲能 量法得 到主 梁和桥 塔 弯矩较 小 、 索力基本 均 匀的成桥恒 载 合 理状 态 ； 利 用假 载 法进 行验 算 ， 以保 证各控 制 断面在 最不利荷 栽组合 时的 弯矩值在规 范允许 范围 内。研 究表 明， 折 线塔斜拉 桥 成桥 索力确定 可采 用与直线塔 相 同的方 法 ； 索力距 离桥塔 由近 至远呈 现 由大到 小 、 再 由小 至大的分 布规律 ， 中跨 索力 大于边跨 索力 ； 两塔 相应 位置 索力 大小不 同。 关键词 ： 斜拉 桥 ； 折 线塔 ； 成桥 恒载 索力 ； 初张 力 中图分 类号 ：U4 4 8 2 7 ； U4 4 2 5 文献标 志码 ： A S t u d y o f Ca b l e Fo r c e De t e r m i n a t i o n f o r Co mpl e t e d Br i d g e o f a Co n c r e t e Ca b l e S t a y e d Br i d g e wi t h Ki n k e d Py l o n s ，ANG Fu c h u n 一，LJ ANG Li ，LJ Xi n ( 1 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Ci v i l En g i n e e r i n g ，No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y ，Sh e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 S h e n y a n g Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g De s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ，S h e n y a n g 1 1 0 01 5，Ch i n a ) Abs t r a c t ：Th e m a i n b r i d ge o f Fumi n Br i d g e i n Sh e n ya n g Ci t y i s a c o n c r e t e c a bl e s t a y e d b r i d ge wi t h ki nke d py l o ns a nd wi t h s p a n a r r a ng e m e nt( 8 9+ 2 4 2+ 8 9)m To de t e r mi n e t h e r e a s on a bl e c a b l e f o r c e s o f t he c o m p l e t e d b r i d ge of t he b r i d ge，t he c a b l e f o r c e s a r e c a l c u l a t e d a n d a na l y z e d by t he l e a s t b e n di n g e n e r g y me t ho d i n c o m b i na t i o n wi t h t he a s s ume d l oa d i n g a n d i nt e r na l f o r c e b a l a n c e me t ho ds The d i me n s i on s o f t he i ni t i a l c r o s s s e c t i on of t h e ma i n g i r de r a r e o b t a i n e d a c c o r d i n g t O t h e s t a t i c ba l a nc e c o nd i t i on s，t h e r e a s o n a bl e s t a t e o f t h e c omp l e t e d br i dg e d e a d l o a d h a v i n g l i t t l e b e n di n g mo m e nt i n t he ma i n g i r de r a nd p y l on s a nd al m o s t un i f o r m c a b l e f o r c e s a r e ob t a i ne d b y t he l e a s t be nd i n g e n e r g y me t h o d a n d t he c he c k i ng c a l c ul a t i o n i s ma d e b y t he a s s u me d l o a d i n g me t h o d i n o r d e r t o e ns ur e t h a t t h e be nd i ng mome n t v a l ue s o f a l I c o n t r ol l e d s e c t i o n s un de r t he mos t un f a vo r a b l e l oa d c o m b i n a t i o n c a n b e wi t hi n t he a l l o wa bl e r a n g e a s s p e c i f i e d i n t he c o d e s Th e r e s u l t s o f t h e c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s i n d i c a t e t h a t t h e me t h o d f o r d e t e r mi n a t i o n o f t h e c a b l e f o r c e s o f t he c o m p l e t e d br i dg e o f t he k i nk e d p yl on c a b l e s t a ye d br i dg e c a n b e t he s a m e wi t h t ha t of t h e c o mpl e t e d b r i d g e o f t he s t r a i ght py l o n c a b l e s t a y e d b r i d ge a n d t h e c a b l e f or c e s t a k e o n a r e di s t r i b ut i o n l a w f r o m t he gr e a t t o t he l i t t l e a nd t he n f r o m t h e l i t t l e t o t he g r e a t f r o m t h e n e a r t O t he d i s t a nt f r o m t he py l o ns Th e c a bl e f o r c e s o f t h e c e nt r a l s p a n a r e g r e a t e r t h a n t ho s e o f t h e s i d e s p a ns a nd t he f or c e s i n t he c o r r e s p o nd i n g l o c a t i o ns of t h e t wo py l on s a r e d i f f e r e nt Ke y wo r d s：c a bl e s t a y e d b r i dg e；k i nk e d py l o n；c a bl e f o r c e o f c o mpl e t e d b r i d ge de a d l o a d；i n i t i a 1 t e nS i l e f or c e 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 9 3 0 作者简介：王福春( 1 9 6 7 一) ， 男 ， 教授级 高工 ， 1 9 9 1年毕业于哈尔滨建筑工程学院道 桥专业 ， 工学学士( wa n g f u c h u n l 9 6 7 1 6 3 c o r n ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土折线塔斜拉桥成桥 索力确定的研究 王福春 ， 梁力 ， 李 鑫 5 3 1 引 言 斜拉 桥最 大 的特点 之一 是索 力在 施工 和运 营 阶 段是 可 以调整 的 ， 并 且对 应不 同的索力 ， 主梁 和桥 塔 将有 不 同的 内力状 态 ， 因此 ， 索力 是控 制斜 拉桥 内力 状态 的关 键 因素 _ 1 ， 成 桥 索 力 的确 定 是 斜 拉 桥 设 计 的关 键 。折 线塔 斜 拉 桥 的 受 力 特性 如下 ： 桥 塔 的 塔身 自重 对桥塔 自身产 生弯 矩 ； 由于桥 塔存 在折 角 ， 在桥塔 轴线 发生 变 化的 折角处 巨大 的轴 向力传 递方 向发生 了 变 化 ， 因此 折 角 处 将 产 生 较 大 水 平 拉 力 。 本 文对 一座 混凝 土折 线塔 斜拉 桥 ( 沈 阳富 民桥 ) 进行 了索力 确定 的研 究 ， 该 方 法 可 为 今 后类 似工 程 的索 力 确定 提供 参考 。 2 工 程背 景 沈 阳 富 民 桥 主 桥 为 混 凝 土 折 线 塔 斜 拉 桥 ( 图 1 ) ， 全 长 4 2 0 r n ， 跨 径 布 置 为 8 9 m4 - 2 4 2 1 T I 4 - 8 9 r n 。 主梁采用 抗 风性 能很好 的近似 三角形 的单箱 三室 断 面形 式 ( 图 2 ) ， 梁 高 3 4 1 4 r n ， 材 料 为 C 5 0混 凝 土 。 边跨 与 中跨采 用 不 同 的 断 面尺 寸 ， 在 边 跨 梁 端 设 置 了牛腿 。 中跨 部 分 每 隔 3 7 r n设 置 1道 横 隔 板 ， 边 跨部 分 每 隔 3 1 5 m 设 置 1道 横 隔 板 。 桥 塔 采 用 C 5 0混 凝 土 ， 断 面 形 式 为 箱 形 ， 桥 面 以 上塔 高 6 7 5 m， 折 角 位 于桥 面 以上 3 3 9 m 处 ， 下 段 塔 身 与 水 平 面夹 角 为 7 5 。 ， 上 段 塔 身 与 下 段 塔 身 夹 角 为 7 5 。 。 斜 拉索 采 用 扇 形 布置 ， 每 个 桥塔 上 布 置 1 5对 ， 全 桥 89 24 2 8 9 矿 叶一 图 1沈 阳 富 民 桥 主 桥 总 体 布 置 单位 ：m 3 25 0 ( a ) 中跨 1 ( b )边跨 单位： m 图 2主 梁 断 面 共 1 2 0根 。斜拉 索 以 4号 、 5号 墩 为起 点 ， 向边跨 方 向编 号 依 次 为 c ： c ， 向 中跨 方 向 编 号 依 次 为 Cl C1 j 。 3 索 力确 定方法 及 其分布 规律 3 1 成 桥 索力确 定方 法 为 了得 到合理 的成桥受 力状 态 ， 国 内 、 外学 者通 过大 量分 析研 究 和实 际工 程 经验 ， 得 出 了许 多 成 桥 索力 的确 定方 法 ， 但 是 由于斜 拉 桥 受 力性 能 不 能 用 单一 目标 来衡 量 ， 因 此 各种 索 力 优 化 方法 都 有 一 定 的局限性 ， 需要设计 者根据斜拉桥的具体情况选择 适 当的 目标 函数 ， 对 初 步确 定 的索 力 进行 不 断 的调 整 以期得 到理 想 的受力 状态 2 。 常见 成 桥 索 力优 化 方 法 主要 有 ： 指 定 受力 状 态 的索 力优 化方 法 、 索 力 的无 约束优 化方 法 、 索力 的有 约束优 化 方法 _ 4 J 。 指 定 受力状 态 的索力 优化 方法 的典 型代 表包 括 刚性 支承 连续 梁法 、 零位 移法 以及 内力 平衡法 ( 应 力 平衡 法 ) 。 索力 的无 约束 优化 方法 的典 型代 表包括 最小 弯 曲能量 法 和弯矩 最 小法 l 4 。 索 力 有约束 优 化方 法的典 型代 表包 括用 索量 最 小法 和最 大偏差 最 小法 。 斜 拉 桥 的体 系 势 能 由弯 矩 、 轴 力 和剪 力 3部分 引起 的势能 组成 l 3 。最 小弯 曲能 量法 是 以斜拉 桥弯 曲应变 能最 小为 目标 函数 ， 来 确定 斜 拉 桥 合 理 成桥 索 力 。该方 法不 仅 考 虑 了 主梁 的 内力 和 变形 ， 同 时 也 考虑 了折 线塔 的 内力 和变形 。 采用最小弯曲能量法并结合假载法及 内力平衡 法 来确定 折 线塔 斜拉 桥 的成桥 索力 。 ( 1 )拟定 主梁 断 面尺 寸 。通 常情 况 下 ， 斜塔 斜 拉桥 是通 过 调整桥 塔 的重 量 来 平 衡 主跨 重 量 的 ， 根 据桥 塔两 侧斜 拉索 根数 相 同这 一 特 点 ， 为 了 使得 这 种高次超静定结构设计更加简化 ， 根据折线塔斜拉 桥 的静力 平衡 条件 来 调 整 边 、 中跨 主 梁 断 面 尺 寸 以 实现 配重 。首 先确 定 主跨斜 拉 索在 主梁上 的 间距为 7 4 m， 边 跨 侧索 力 要小 于 中跨 侧 索 力 ， 为 了保 证边 跨 主梁 的变形 和应 力 能满 足 要 求 ， 需 要 将 边 跨斜 拉 索 的布置 间距 适 当减 小 ， 因此 边 跨 斜 拉 索 在 主梁 上 的布置 间距 为 6 3 m。假 定 全 桥 主 梁 断 面 一 致 ， 根 据 折线 塔斜 拉桥 的静力 平衡 条件 来调 整边跨 主 梁断 面尺 寸 ， 方 法是 使 主梁外 形 尺寸保 持 不变 ， 通 过 改变 箱梁顶 、 底 板及 腹板 厚度 来 增加边 跨 主梁重 量 ， 从 而 确定边 跨 主梁 断面 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 桥梁建设 2 0 1 1年第 1 期 ( 2 )采用最小弯曲能量法初步确定成桥恒载合 理状态 。根据 已确定 的结 构 尺寸 ， 在 不 考虑 主 粱 预 应力的情况下 ， 采用最小弯 曲能量法对折线塔斜拉 桥进 行首 次分析 ， 并调整个 别优 化后 的索力 ， 得 到一 种 恒载状 态下 主梁 和桥 塔 弯矩 均 比较 小 、 索 力也 基 本均 匀 的成 桥状态 。 ( 3 )采 用假载 法进行 成桥 计算 。根 据初 步确 定 的合理成桥状态， 对折线塔斜拉桥进行活载计算 ， 并 将其换 算成 虚拟荷载 假 载 。假 载可 以取设 计 活载 的一半 等效 为均 布 荷 载满 布 全桥 。根 据 桥塔 、 主梁需要 调整 弯矩 的各 控 制 断面 的内力 情 况 ， 施加 能 对控制 断 面产 生 内力期 望 值 的 虚拟 荷 载 ( 假 载) ， 使 成桥状 态主梁及 桥 塔 各控 制 断 面有 一 定 的正 、 负 弯矩储备 ， 则各控制断面在最不利荷载组合时的弯 矩值 在规范 的允许 范 围内 8 。此状 态为一个 新 的成 桥状 态 。 ( 4 )计 算 主梁 和 桥 塔 的应 力 包 络 图 。取 消 假 载 ， 利用 上一 步得到 的成 桥状 态 ， 综 合考虑 混凝土 的 收缩徐 变 、 汽 车等其他 荷载 因素所产 生 的内力 ， 得 到 主梁和桥 塔 的应 力包 络图 。 ( 5 )设计 主梁 预 应 力 。根 据 内力 平 衡 法 j ， 利 用 主梁应 力包络 图 ， 根据 全 部 荷载 在 主梁 断 面 上产 生 的拉 、 压 应力 均小 于 材料 允 许 拉 、 压应 力 的原 则 ， 得 到主梁恒 载弯矩 可行 域 ， 通 过调 整 预应 力 的大 小 和偏 心距 ， 可计算 出主梁预 应力数 量 。 ( 6 )模拟实际施工流程进行折线塔斜拉桥的正 装计算 。根 据上一 步 计算 得 到 的 主梁 预 应力 设计 ， 模拟真实的施工流程， 再次对折线塔斜拉桥进行正 装计算 ， 又得 到一新 的成桥状 态 ， 此 时如果 主梁和桥 塔成桥 弯矩落 在弯 矩 可行 域 内且 在 域 内居 中 ， 该状 态 即为最终 的成 桥状 态 ， 此 时 的索 力 即 为折 线塔 斜 拉桥 的成桥 索力 ， 否则应 调整成桥 索力 或重新设 计 。 通过 上述方 法所确定 的 4 号 墩和 5号墩成 桥索 力分别 如 图 3和 图 4所示 ( 桥墩 编号见 图 1 ) 。 3 2 索力分布规律 害 兰 喜 喜 吾 暑 色 I卜 色 g 8 8 昌 昌 8 8 8 暑 云 詈 詈 若 誊 斜拉索编号 图 3 4号墩斜拉索成桥索力柱状 图 图 4 5号墩 斜 拉 索成 桥 索 力 柱 状 图 根 据计 算 结 果可 知 ， 折线 塔斜 拉 桥 的成 桥恒 载 索力距 离桥塔 由近 至远 呈 现 由大至 小 、 再 由小 至 大 的分 布规 律 ， 这 是 由于 上 、 下塔 柱 存 在折 角 ， 上 塔 柱 接 近竖直 且斜拉 索倾 角 逐 渐 减小 ， 为 了满足 折 线塔 斜拉 桥 的局 部平衡 所 造 成 的 ； 为 了平 衡折 线 塔 的重 量 ， 中跨索力 大 于边跨 索力 。 4结 论 通 过 对沈 阳 富 民桥索 力 确定 的 分 析 ， 得 到折 线 塔 斜拉 桥 的索 力优化 方法及 索力 分布规 律 。主要结 论 如下 ： ( 1 )根 据 折 线 塔 斜 拉 桥 的静 力 平 衡 条 件 确 定 边 、 中跨 主梁 断面尺寸 后 ， 折 线塔斜 拉桥 可采用 与直 塔斜 拉桥 相 同的索力 确定方 法 。 ( 2 )折线 塔斜 拉桥 的成 桥恒 载索 力距 离 桥塔 由 近至 远呈现 由大 至小 、 再 由小 至大 的分 布规律 ； 为 了 平衡 折线塔 的重量 ， 中跨 索力 大于边跨 索力 。 ( 3 )由于 2个桥塔 的支撑体 系不同， 尽管斜拉 桥主要 以承 受恒载 为 主 ， 但 为 了保 证 在全 部 荷 载作 用下 ， 对 称位 置处 的主梁应 力及 变形尽 量接近 ， 所 以 2 个 桥塔 相应位 置处 的索力 大小不 同 。 参 考 文 献 ： 1 严 国敏现代斜 拉桥 M 成 都 ： 西南 交通 大学 出版 社 ， 1 9 9 6 E 2 3 陈明宪斜拉 桥建 造技 术 MJ 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 3 3 王伯惠斜拉桥结构发展和中国经验 M 北京 ： 人 民 交通 出版 社 ， 2 0 0 3 E 4 项海 帆高等桥梁结 构理论 M 北京 ： 人民交通 出版 社 ， 2 0 0 1 5 刘士林斜拉桥 M 北京 ： 人 民交通出版社， 2 0 0 2 E 6 肖汝诚确定 大跨径桥梁结构合理设计 状态的理论与 方法研究 ( 博 士学位论文) D 上海 ： 同济大学 ， 1 9 9 6 ( 下转第 6 3页) 。 H 心m 8 6 4 2 0 碧 R强 埔 H m 8 6 4 2 0 茧 R髅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 长春伊通河大桥总体设计 、 试验及施 工关键技术 陈彦江 ， 李 勇 ， 任 晓强 ， 顾大鹏 6 3 土制定 ， 可 添加 HE A 作 为微 膨 胀 剂 ， 混 凝 土坍 落 度要 求 在 1 8 2 2 c m。混 凝 土要 求 和 易 性 、 可泵 送 性 良好 ， 配合 比满足 钢管 混凝 土施 工规 范 的要求 。 ( 4 )吊杆 及 系杆 张拉 。施 工要 求 对 主桥 结构 进 行三 控 ， 即变位 、 应力 、 张 拉力 的控 制 ， 以便 核查设 计 计 算 与实 际情 况 的吻合 程度 。施 工前 首先 在 主桥周 围建立 观测 控制 网 ， 以便 对 主 桥拱 肋 和桥 面 系 的变 位 进行 初始 定位 测量 以及 水平 系杆 和 吊杆施 工 过程 的控制 测量 ； 其 次水平 系 杆 和 吊杆 张拉 力 的控制 ， 对 于水平 系杆 要求 在每束 钢 束 张拉端 锚头 位 置设置 永 久 性压 力传感 器 ， 此 传 感 器 可 为后 续 健 康 监 测 系 统 所 用 。 2 3 3 4 5 5 结 语 对长春 伊通 河大 桥在 桥梁 结 构设计 、 模 型试 验 、 施 工 关键技 术 等方 面 进行 了 大量 的研 究 和 探 索 ， 通 过 该桥 的建设 建 立起 一套 适用 于此 类钢 管混 凝 土拱 桥 的理 论与 技术 ， 为 今 后 类 似 桥 梁 的建 设 提 供 了参 考 依 据 。该 桥 已于 2 0 0 8年 1 2月通 车 ， 成 桥 验 收 试 验 表 明该桥 具有 良好 的静 、 动力 性 能 。 r 6 参 考 文 献 ： 1 陈宝春钢管 混凝土 拱桥 M 北 京 ：人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 7 陈开 利 ， 林 亚 超 钢 管 混 凝 土 拱 桥 力 学 特 性 试 验 研 究 J 桥梁建设 ， 2 0 0 7 ， ( 1 ) ： 1 6 2 1 ( C HEN Ka i l i ，LI N Ya c ha o Te s t St u dy of M e c ha ni - c a l Pr op e r t i e s of Co nc r e t e - Fi l l e d St e e l Tub e Ar c h B r i d g e s J B r i d g e C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 7 ，( 1 ) ：1 6 2 1 i n Chi ne s e ) 刘 自明桥梁结构模型试验研究 _ J 桥梁建 设 ， 1 9 9 9 ， ( 4 )： 1 7 ( LI U Zi mi n gTes t St u dy o f Br i d ge St r u c t ur e M od e l s j B r i d g e C o n s t r u c t i o n ，1 9 9 9 ，( 4 ) ：1 7 i n C h i n e s e ) 王天稳土木工程结构试验 M 武 汉 ： 武汉理工大学 出版 社 ， 2 0 0 6 张春雨 ， 唐光武 ， 郑罡重庆 菜园坝长 江大桥模 型动 力相似 理论 分析 E J 公路 交通 科技 ， 2 0 0 6 ， ( 8 ) ： 8 9 92 (ZH ANG Chun - yu，TANG Gua n g WU， ZH ENG Ga n g Dy na mi c Si mi l a r i t y The o r e t i c a l An al ys i s o f C h o n g q i n g C a i y u a n b a Ya n g t z e R i v e r B r i d g e Mo d e l J Te c hn ol ogy o f H i g hwa y a n d Tr a ns p or t ，20 06，( 8)：89 92 i n Chi ne s e ) 谢 功 元 ， 刘 军 ， 袁 长 春 ， 等支 井 河 钢 管 混 凝 土 拱 桥 施 工关 键技术 J 桥梁建设 ， 2 0 0 9 ， ( 5 ) ： 5 7 5 9 ( XI E Go n g y u a n ， L I U J u n，YUAN Ch a n g c h u n ，e t a1 Ke y Te c h n i q u e s f o r Co n s t r u c t i o n o f Z h i j i n g Ri v e r C o n c r e t e - F i l l e d S t e e l Tu b e Ar c h B r i d g e J B r i d g e Cons t r u c t i o n，2 009，( 5)：57 59 i n Ch i n e s e ) l ， ， ， l ， ， ， l ， ， ， l m1 ， l m， l ib m ， ， ，m， ， ， ， ， ， ， ， ， ， l l l ib， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ( 上接 第 5 4页) 7 ( XI AO Ru c h e ng St u dy on t he The o r i e s a nd M e t h ods o f Re a s on a bl e De s i gn St a t e s of Lar g e Spa n Br i dg e S t r u c t u r e( D o c t o r a t e Di s s e r t a t i o n ) D S h a n g h a i ：T o n g j i Un i v e r s i t y ，1 9 9 6 i n Ch i n e s e ) 张宝胜三 塔斜 拉 桥静 力性 能 研究 ( 硕 士学 位 论文 ) D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 1 ( Z H A N G Ba o s h e ng St ud y on t he St a t i c Pe r f or m a nc e of Thr e e t owe r Ca bl e St a y e d Br i dg e ( M a s t e r Di s s e r t a 一 8 t i o n ) D Xi a n ：C h a n g a n Un i v e r s i t y ，2 0 0 1 i n C h i n e s e ) 颜东煌斜拉桥 合理设 计状 态确定 与施 工控制 ( 博士 学位论文) D 湖南 ： 湖南大学 ， 2 0 0 1 ( YAN Don g hu a ng De t e r mi ni ng of Re a s on a bl e De s i g n St a t e s a nd Cons t r uc t i o n Co nt r ol l i ng o f Ca bl e St a y e d Br i d g e s( Do c t o r a t e Di s s e r t a t i o n ) D Hu n a n：Hu n a n Uni v e r s i t y，2 001 i n Chi ne s e) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m