悬臂现浇混凝土斜拉桥索力变化规律及影响因素研究

第一章绪论

1.1 斜拉桥发展综述
斜拉桥最主要的三部分是主梁、索塔和斜拉索。一般情况下，主梁采用混凝土结构、钢-混凝土组合结构或者钢结构，索塔大部分都会采用混凝土结构，而斜拉索则常用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。斜拉桥内部荷载的传递路径为：斜拉索的两端分别锚固在主梁以及索塔上，将主梁的恒载和车辆的荷载传递到索塔，然后通过索塔将荷载传递给地基部位。由于主梁是在斜拉索的各点支承作用下，类似于多跨弹性支承的连续梁，能够使得弯矩有很大程度的降低，这样一方面极大地减小了主梁的尺寸（梁高一般为跨度的 1/50~1/200，甚至更小），另一方面由于结构自身重量的降低，既可以节省结构所需要的材料，还能在一定程度上增加桥梁的跨越能力。但是需要注意的是：只有在拉索始终处于拉紧状态的情况下，斜拉桥对主梁的多点弹性支承作用才能充分发挥作用。所以，施工过程中在主梁承受荷载之前要进行预张拉。预张拉力的作用相当于给了主梁初始的支承力，因此调节主梁的初始内力，可以使主梁受力状况均匀，从而间接提高了斜拉索的刚度。图 1.1a)表示三跨连续梁及其典型的恒载弯矩图，而图 1.1b)为三跨斜拉桥及其恒载内力图。从图 1.1 中可以看出：因为有了斜拉索的支承作用，主梁的恒载弯矩明显减小了。另外，由于斜拉索索力的水平分力对主梁有预压效果，，从而增强了主梁的抗裂性能，主梁中预应力钢绞线的使用量也可减少。
........

1.2 斜拉桥索力重要性

1.2.1 斜拉桥设计中对拉索索力的考虑
合理的成桥状态的确定，即合理的线性和内力状态的确定，是斜拉桥的设计的首要步骤，其中斜拉索的张拉力起主要调整作用。斜拉桥成桥索力的确定以斜拉桥在施工完成后所有恒载（以自重和二期铺装恒载为主）作用下合理的成桥状态为计算基础，设计目标为求得的成桥索力能使得各个构件的受力状态满足某种预定的约束条件为，例如（1） 主塔不受或只受较小的弯矩作用；（2） 加劲梁的弯矩分布要均匀；（3） 最终索力不集中在几根拉索，而是适当分布在每根拉索上。合理成桥状态的确定通常与施工过程没有关系，只是依据所有恒载作用下成桥状态的受力图式来计算。各种斜拉桥结构体系，即便是高次超静定结构，以索力为未知量从理论上总能解得一组解，即得到一组拉索索力，使得某项与力学性能相关的指标（如主梁、主塔弯矩，拉索索力等）满足预定的约束条件。在确定的荷载作用下，结构体系确定合理成桥索力的方法有很多，如力平衡的观点、能量的观点和优化的（混合）观点，每一类观点又可进一步细分为刚性支承连续梁法、零位移法、内力平衡法、弯矩能量最小法、弯矩最小法、用索量最小法、影响矩阵法等。各种方法均非完美，各有优劣[22]。在设计计算中，缆索是一种可忽略抗弯和抗扭刚度的拉杆，所以其设计较简单。只是其垂度随索力变化而变化，由此而出现缆索的非线性特性。为了便于斜拉桥的分析，以直线弦杆代替曲线的缆索。因而，在斜拉桥跨度不太大，几何非线性不是很明显的情况下，出现对替代杆件采用一个修正弹性模量，可用简化的 Ernst 公式计算。使替代构件的伸长与曲线缆索构件的伸长，在计入材料和几何图形的伸长量后相一致。另外，索端锚头承担着与缆索相同的受拉荷载。可采用铸锌锚、冷铸锚、墩头锚或组合锚。但其设计应做到，在缆索的破坏强度下，锚头尚未达到屈服强度。为确定缆索的安全度，缆索设计时必须按设计荷载和极限荷载检算。对于风及行驶车辆产生的振动，以及它们对缆索疲劳特性的影响，在设计中还需要进行充分考虑。目前缆索由于风及行驶车辆产生振动的预测资料还很缺乏，因此在进行设计时，建议能参考风洞试验和实测资料，采取必要的抑制、减振措施[23]。
........

第二章有限元分析模型

2.1 工程概况
选取某独塔三跨预应力混凝土斜拉桥为示例工程，跨径组合为边跨 40.5m +次边跨 76.5m +主跨 145m。桥面布置为 1.25m(拉索区)+0.5m(防撞护栏)+8.5m(车行道)+2m(中央分隔带)+8.5m(车行道)+0.5m(防撞护栏)+1.25m(拉索区)，双向 2%横坡，双向四车道。根据施工架设的需要，主跨主梁纵向划分为 ZL0＃～ZL18＃共 19 个施工节段、边跨和次边跨划分为 BL0＃～BL10＃共 11 个施工节段，其中 L0＃节段为塔梁固结段，与主塔横梁同步施工；ZL1＃（BL1＃）节段为主塔附近肋板变宽梁段；ZL2＃～ZL16＃（BL2＃～BL8＃）节段为标准梁段（π形断面）；ZL17#节段为主跨合龙段，BL9＃节段为边跨合龙梁段；ZL18#梁段为主跨端部支架现浇梁段；BL10＃梁段为边跨整体支架现浇节段（箱型断面）。主梁全部采用 C55 混凝土，梁内压重采用 C20 混凝土。因施工荷载及后期营运荷载的需要，主梁设置临时施工预应力束和永久预应力束，永久预应力束布置于边跨和主跨。预应力管道灌浆时，应采用真空吸（压）浆工艺。采用菱形主塔，上下塔柱全部采用钢筋混凝土空心结构。斜拉索通过锚固齿块锚固于上塔柱内壁上。主塔在塔梁固结处设有一道横梁，横梁顶面设双向 2%坡度，与桥面横坡一致，下缘为圆曲线，故其截面变高。横梁采用预应力混凝土空心矩形截面，以 C55 混凝土浇筑。塔柱采用 C50 混凝土。
......

2.2 有限元分析模型建立
全桥总体分析采用 MIDAS CIVIL 2012 程序，以理论竖曲线为基准进行结构离散。所用材料如下图 2.3 及表 2.1 所示。主梁和主塔采用梁单元，主梁标准节段及箱型节段如下图 2.4 所示，塔柱整体如下图 2.5 所示。考虑斜拉索的垂度效应，根据施工及成桥状态斜拉索索力对其弹性模量进行修正。修正结果如表 2.1 所示。模型中以体外力作为索力控制方法进行正装计算，三次张拉过程中均以替换方式施加张拉力，调索时以添加方式施加张拉力。根据悬浇梁段的长度和桥墩与主梁的连接形式，建立结构计算模型，全桥共388 个节点，307 个单元，预应力钢束 373 根。塔梁固结，在模型中将主梁节点与塔横梁节点及塔柱节点用弹性连接中的刚性连接；P1、P2 墩墩顶设拉压活动支座，在模型中以仅约束竖向的一般弹性连接模拟；P4墩墩顶设抗压活动支座，在模型中以仅受压弹性连接模拟。全桥仿真模型见图 2.6，结构离散见图 2.7。
......

第三章理想环境悬臂现浇施工索力变化......17
3.1 节段施工中索力的变化规律 ....17
3.2 临时调索时索力的变化规律 ....19
3.3 不同自重系数导致的索力变化 ........32
3.4 随机立模误差导致的索力变化 ........34
3.5 挂篮重量误差导致的索力变化 ........37
3.6 小结 ....39第四章断索对拉索索力的影响......41
4.1 施工过程断索对拉索索力的影响 ....41
4.2 运营过程断索对拉索索力的影响 ....48
4.3 小结 ....52
第五章收缩徐变对拉索索力的影响......54
5.1 施工过程中混凝土徐变收缩对拉索索力的影响 ....56
5.2 成桥后混凝土徐变收缩对拉索索力的影响.... 60
5.3 小结.... 63

第五章收缩徐变对拉索索力的影响

收缩徐变对混凝土斜拉桥的影响贯穿始终，体现在结构的各个方面。从基础、主塔的施工开始，到主梁施工过程都受收缩徐变的影响。而且，成桥后全桥的状态也会随着收缩徐变的发展而发生变化。收缩徐变不仅影响主塔、主梁线形，也会影响桥梁的受力状态。收缩徐变虽然为混凝土材料的特性，但桥梁结构作为一个整体，因混凝土材料收缩徐变的的发生，有效预应力、斜拉索索力也会随之改变。因此，在进行斜拉桥索力计算的时候，必须考虑收缩徐变的影响。然而，混凝土收缩徐变尚无法实现精确计算，各国规范中对收缩徐变的计算均有所不同。因而，在分析中，分别用 JTG D62-2004 规范[29]、JTJ 023-85 规范[30]、CEP-FIP 规范[31]进行计算，与不考虑收缩徐变计算得结果进行对比分析。前两者为我国所采用的收缩徐变模式，CEB－FIP 模式是欧洲混凝土协会（CEB）和国际预应力混凝土协会（FIP）1978 年建议的，为我国交通部公路预应力混凝土桥梁设计规范（1985）所采用，将在 5.1 节作具体介绍。

结论

随着社会经济的发展，因斜拉桥所具有的经济性和美观性，应用越来越广泛。这便对斜拉桥的设计、施工以及施工监控提出了更高的要求。本文针对几何非线性不太明显的常规混凝土悬臂现浇施工斜拉桥的施工及运营状态进行了多方面的分析，总结了斜拉索在正常施工、调索、断索以及收缩徐变作用下的变化规律，并分析了施工过程中梁体自重误差、随机立模误差和挂篮重量误差对拉索索力的影响。对该类斜拉桥的设计成桥索力、施工初始张拉力的确定以及调索、换索方案的确定具有一定的指导意义。本文的主要研究结果可从以下方面概括：
（1）在进行该类斜拉桥设计中确定合理成桥索力时，应该考虑运营状态下，收缩徐变作用下斜拉索索力呈现的支座附近索力减小，跨中索力增大的现象。且需要综合考虑各种收缩徐变模型，选取合适的计算模型以使理论计算与实际工程接近。应该对施工期间长索发生断索现象加以考虑，使拉索拥有足够的安全储备，避免出现因长索断索而导致的拉索渐次崩溃。
（2）在该类斜拉桥施工控制过程中，除充分考虑收缩徐变的作用外，还应保证所用混凝土材料参数及梁体几何尺寸，以防梁体自重误差对索力产生较大影响；挂篮自重误差在工程允许的 5%范围内，立模误差在工程中能满足的±10mm内，对拉索索力造成的影响可以忽略；在挂篮重量发生较大变动时，要经过设计同意并重新进行斜拉索初始张拉力计算；索力调整时，因几何非线性不明显，可提前确定各拉索索力调整单位量对其它拉索索力的影响，然后线性叠加。
（3）在该类斜拉桥悬臂施工过程中长索断索导致拉索发生渐次破坏的可能性最大，短索断索使悬臂根部的剪力增加最大，施工过程中应长期观测短索及最新张拉拉索的索力；运营过程中换索时，尽量避免临近中索同时换索。
............
参考文献（略）