外倾索面矮塔斜拉桥索梁锚固区拉索张拉施工控制优化.pdf

June2023年6 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.3第3 期（总第2 8 2 期）山西交通科技卜倾索面矮塔斜拉桥索梁锚固区拉索张拉施工控制优化李群锋（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原030032)摘要：以浮山县丞相河特大桥为依托工程，通过采用MidasFEA有限元软件建立外倾索面矮塔斜拉桥拉索区横梁空间有限元实体分析模型并对拉索和横梁钢束张拉进行施工控制分析研究。研究结果表明：拉索和横梁钢束必须经过分阶段交替张拉才能保证横梁在张拉施工过程中不至于发生结构开裂破坏现象，“五步”张拉法能有效控制主梁索梁锚固区复杂的三向应力状态，对类似索梁锚固结构施工控制具有一定理论及实践指导意义。关键词：矮塔斜拉桥；索梁锚固区；拉索；张拉施工控制中图分类号：U448.27文献标识码：A文章编号：10 0 6-3 52 8（2 0 2 3)0 3-0 0 7 9-0 4Construction Control Optimization of Cable Tension in Cable-Girder AnchorageZone of Short-tower Cable-stayed Bridge with Extroverted Cable PlaneLI Qunfeng(Shanxi Transportation Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030032,China)Abstract:Based on the Chengxiang River Bridge in Fushan County,this paper used the Midas FEAfinite element software to establish a solid spatial model of the beam in the cable zone of the short-towercable-stayed bridge with the extroverted cable plane to analyze the tension construction control of the cableand steel beam.The results showed that the cable and steel beam had to be alternately tensioned indifferent stages to ensure that the structural cracking failure would not appear during the tensioning processof the steel beam.The five-step tension method can effectively control the complex three-dimensionalstress state in the cable-girder anchorage zone of the main beam,which provided a certain theoretical andpractical significance for the construction control of similar cable-girder anchorage structures.Key words:short-tower cable-stayed bridge;cable-girder anchorage zone;cable;tension constructioncontrol矮塔斜拉桥是介于梁式桥和斜拉桥之间的一种桥型，其适用跨度也介于梁式桥和斜拉桥之间。目前国内宽翼缘外倾双索面矮塔斜拉桥建设较少，而其索梁锚固区结构受力状态为三向受力状态，有别于常规矮塔斜拉桥索梁锚固受力方式，外倾双索面矮塔斜拉桥拉索在梁上的锚固位置位于箱梁两侧悬臂板端部，属斜拉索与混凝土箱梁的锚固 2 。如何保证宽翼缘大箱断面在施工阶段结构安全及避免拉索及横梁中预应力施工过程中对索梁锚固区产生结构性损伤，拉索和横梁钢束详细张拉控制过程还需要进一步研究与分析。本文依托实际工程对宽翼缘外倾双索面矮塔斜拉桥索梁锚固区进行拉索张拉施工控制优化，可为同类型桥梁结构提供参考借鉴。1工程概况浮山县丞相河特大桥主桥为（8 7+16 0+8 7）m双塔斜向双索面PC矮塔斜拉桥，主桥采用塔、墩、梁固结体系，主梁采用单箱双室箱形截面，其施工采用悬臂浇注法施工3 。主梁根部2 8 m范围内梁高和底板厚度采用1.7次抛物线变化，主梁根部梁高5m，跨中梁高3.5m。收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 9；修回日期：2 0 2 3-0 1-0 9作者简介：李群锋（19 8 5一），男，湖北荆门人，高级工程师，工学硕士，2 0 11年毕业于湖南大学桥梁与隧道工程专业。基金项目：山西交通控股集团有限公司科技项目（2 0-JKKJ-38）802023年第3 期山西交通科技桥塔为Y型塔，塔高2 4.8 m，每个桥塔共设置8 对斜拉索，采用分丝管索鞍形式，每根斜拉索贯穿主塔并锚固在主梁上。拉索区箱型梁桥梁中心线处梁高3.5cm，箱梁顶宽2 8 m，底宽18 m，悬臂长5m。两边腹板厚度8 0 cm，中腹板厚度6 0 cm，悬臂顶板厚3 5cm，箱室内顶板厚28cm，底板厚4 5cm。拉索区上横隔梁宽55cm，悬臂段上横梁高12 0 14 0 cm，箱室段上横梁高14 0 158 cm。拉索区下横梁宽2 5cm，高50 cm。拉索区梁段及横梁构造图见图1、图2。2800/2500807903360/2拉索2%箱梁中心线25060120500%15043120401204071800/2图1拉索区横梁横断面（单位：cm）400212.555132.5施工方向一65.70.656$10通风孔OSI240160图2拉索区横梁立面（单位：cm）2空间实体模型建立主桥主梁及横梁采用C55混凝土，横梁中3 束2 5-15.2预应力筋和箱梁顶板7 束4-15.2预应力筋均采用18 6 0 钢绞线，腹板竖向预应力筋采用JL32精轧螺纹粗钢筋。索梁锚固区横梁3 束横向预应力钢束布置见图3。$0有索区横隔板横向束1有索区横隔板横向束拉索区上横梁箱梁对称中心线有索区横隔板横向束图3索梁锚固区横梁预应力钢束布置图（单位：cm）对于边界条件，实体分析模型将靠近桥塔侧的主梁截面固结，另一面自由。加载及边界条件见图4。拉索固定边界索力T分析梁段虚拟梁段410图4索梁锚固区梁段边界及荷载加载示意（单位：m）采用MidasFEA实体有限元软件建立拉索区箱型梁及横梁三维实体分析模型。索梁锚固区箱型梁实体分析模型及预应力钢束单元见图5、图6。图5索梁锚固区箱型梁实体单元图6索梁锚固区箱型梁预应力钢束单元3张拉施工控制分析工况根据主桥结构整体计算模型提取斜拉索施工阶段各拉索初张拉索力，斜拉索施工张拉阶段分别取最大拉索张拉力Fmx=6480kN（拉索S1，型号为6 1-15.2）和最小拉索张拉力Fm.=5370kN（拉索S6，型号为6 1-15.2）进行实体模型分析计算。索梁锚固区主梁节段施工过程中，当考虑横梁横向钢束及拉索索力同时作用时，拉索区横梁的应力大小能够满足规范限值要求，具体计算结果可见后续第五步分析结论。然而在实际施工过程中发现，由于受箱型梁翼缘板下方斜拉索和横梁钢束张拉作业空间的限制，不可能同时对斜拉索和横梁钢束进行张拉，所以需要考虑分阶段交替进行张拉作业。原先考虑先将横梁中的3 束横向束依次张拉完毕后，再进行斜拉索的张拉作业。但经过实体有限元模拟分析后发现，该张拉顺序会导致施工过程中拉索区箱梁顶板及横梁部分区域混凝土拉应力大大超过其抗拉强度标准值。图7 为仅横梁钢束张拉完毕后拉索区箱梁及横梁横桥向应力分布结果。81李群锋：外倾宝面矮塔斜拉桥索梁锚固区拉索张拉施工控制优化2023年第3 期3DELEMENTSTRESSSXX,N/mm?+4.86098e+0000.1%+2.80023e+0003.4%+7.39486e-00131.7%-1.32126e+00021.7%-3.38201e+00024.3%5.44275e+0008.4%-7.50350e+0003.2%-9.56424e+0001.9%-1.16250e+0011.5%-1.36857e+0011.0%-1.57465e+0010.7%-1.78072e+0010.7%-1.98680e+0010.6%-2.19287e+0010.5%-2.39895e+0010.3%2.60502e+0010.1%-2.81110e+001图7横桥向应力分布图由图7 可见，当全部张拉完横梁3 道横向钢束后（斜拉索尚未张拉），箱梁悬臂板顶部区域出现较大横桥向拉应力，最大值约4.8 6 MPa，超过C55混凝土短暂状况抗拉强度标准值2.52 MPa；拉索区横隔板底部（悬臂板下方）则出现较大横桥向压应力，最大值约2 8.1MPa，超过C55混凝土短暂状况抗压强度标准值19.8 8 MPa。结合应力计算结果可知，该张拉流程会导致悬臂板顶部在施工过程中出现混凝土开裂现象，同时悬臂板下方的横梁底部局部区域混凝土压应力过大。根据上述分析结论，认为原先的张拉方案不可行，故需进一步优化横梁3 道横向钢束和斜拉索的详细张拉方案。优化后施工张拉流程如下：第一步，张拉横梁横向束；第二步，张拉斜拉索其中50%钢丝束；第三步,张拉横梁横向束；第四步，张拉横梁横向束I；第五步，张拉斜拉索剩余50%钢丝束。4张拉施工控制分析结果索梁锚固区上横梁为预应力混凝土构件，可依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JT G 3 3 6 2 2 0 18）7.2.8 条 4 进行短暂状况构件的应力计算。预应力混凝土受弯构件，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘混凝土的法向应力应符合下列规定：压应力：0.7 0 fk拉应力：当0.70f时，预拉区应配置其配筋率不小于0.2%的纵向钢筋；当g。=1.15f 时，预拉区应配置其配筋率不小于0.4%的纵向钢筋；当0.70f1.15fl时，预拉区应配置的纵向钢筋配筋率按以上两者直线内插取用；拉应力不应超1.15fk。按照施工过程中箱型梁及横梁C55混凝土达到80%强度再进行下阶段的预应力钢束张拉施工，则0.70fk=0.70.8 35.5=19.88 MPa,0.70fk=0.7 0.8 2.74=1.53MPa,1.15f=1.150.8 2.74=2.52 MPao首先确定拉索区横梁应力计算点位置，由于箱梁结构为对称结构，只需取相对于桥面中心线处箱梁一半截面的应力点进行分析研究，具体应力计算点分布见图8。点1点2点3 点4点5顶点6点7点8拉索区上横隔板点1点2 点3点4 点5底点6点7 点8箱梁对称中心线点1点2.顶点3点4 点5拉索区下横隔板点1点2 底点3点4点5图8拉索区横梁应力计算点分布图a)工况一(第一步)对于工况一，拉索S1和S6处横梁均只张拉了横向钢束，此时两者的应力分析结果相同，此处不重复列举。根据实体模型分析结果，箱梁及横梁横桥向最大拉应力值为1.7 1MPa2.52MPa，最大压应力值为11.0 2 MPa19.88MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力，分布图如图9 所示。2044上横隔梁顶上横隔梁底-8下横隔梁顶-10下横隔梁底一-1202345.678913应力点编号图9工况一横桥向应力，分布图b)工况二(第二步）)根据实体模型分析结果，拉索S1和S6处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为2.47MPa、1.6 2 M Pa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为10.59 MPa、11.0 1M Pa，均小于19.8 8 MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力，分布图如图10、图11所示。20-2-4-6上横隔梁顶上横隔梁底-8卡横隔梁顶-10下横隔梁底-12023456789应力点编号图10工况二横桥向应力，分布图（拉索S1）2-2一4上横隔梁顶-6上横隔梁底-8卡横隔梁顶-10下横隔梁底-120345.657892应力点编号图11工况二横桥向应力，分布图（拉索S6）c)工况三（第三步）根据实体模型分析结果，拉索S1和S6处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为822023年第3 期山西交通科技2.00MPa、1.8 7 M Pa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为16.9 3 MPa、17.7 7 M Pa，均小于19.8 8 MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力，分布图如图12、图13所示。上横隔梁顶上横隔梁底下横隔梁顶下横隔梁底8123456789应力点编号图12工况三横桥向应力，分布图（拉索S1)20Bd/-6-8上横隔梁顶10上横隔梁底6-12卡横隔梁顶-14-16下横隔梁底-18012456789应力点编号图13工况三横桥向应力分布图（拉索S6)d)工况四(第四步）根据实体模型分析结果，拉索S1和S6处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为1.80MPa、1.6 3 M Pa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为18.7 0 MPa、19.8 6 M Pa，均小于19.8 8 MPa。满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横隔梁应力计算点横桥向应力，分布图如图14、图15所示。上横隔梁顶上横隔梁底下横隔梁顶公一下横隔梁底23456789应力点编号图14工况四横桥向应力g，分布图（拉索S1）上横隔梁顶上横隔梁底下横隔梁顶下横隔梁底2345.6789应力点编号图15工况四横桥向应力，分布图（拉索S6）e）工况五（第五步）根据实体模型分析结果，拉索S1和S6处箱梁及横梁横桥向最大拉应力值分别为1.91MPa、1.8 8 M Pa，均小于2.52 MPa，最大压应力值分别为15.3 7 MPa、15.3 8 M Pa，均小于19.8 8 MPa，满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求。拉索区上、下横梁应力计算点横桥向应力，分布图如图16、图17所示。横隔梁顶-10横隔梁底下横隔梁顶1214下横隔梁底1601234556789应力点编号图16工况五横桥向应力，分布图（拉索S1上横隔梁顶上横隔梁底卡横隔梁顶12下横隔梁底4123456789应力点编号图17工况五横桥向应力分布图（拉索S6)5结论a)对于采用先行张拉完索梁锚固区横梁横桥向钢束再张拉斜拉索的施工方案，当张拉完横梁钢束后导致箱梁及横梁横桥向拉压应力值出现超限的情况，由此得出原先的索梁锚固区拉索张拉施工方案不具可行性。b)对原先索梁锚固区拉索张拉施工方案进行优化并制定“五步”张拉施工控制措施，根据索梁锚固区箱梁及横梁实体模型分析结论可知，箱梁及横梁在5个张拉施工工况下的横桥向正截面拉、压应力结果均满足规范规定的施工阶段混凝土应力限值要求，由此验证了该“五步”张拉施工控制工艺的可行性。参考文献：1何新平.矮塔斜拉桥的设计 J.公路交通科技，2 0 0 4（4）：6 6-6 8.2马志贵.大跨度PC矮塔斜拉桥箱梁应力及索梁锚固局部应力分析 D.兰州：兰州交通大学，2 0 14：53-54.3 关伟.浮山县丞相河特大桥主桥结构设计 J.山西交通科技，2018(5):61-65.4】中交公路规划设计院有限公司.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG3362一2 0 18 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2 0 18.